Силы и моменты действующие на судно с поворотными насадками и другими рулевыми системами.

На грузовых судах, толкачах и буксировщиках большое распространение получили поворотные насадки на винты, что создает увеличение упора винта и рулевой силы. Последняя возрастает в 2 и более раза. Суда с поворотными насадками имеют хорошую поворотливость при одновременной работе винтов на передний или задний ход, диаметр циркуляции на переднем ходу уменьшается на 40% в сравнении с однотипными судами оборудованных рулями. Это обусловлено увеличением рулевой силы и слабого влияния угла дрейфа на рулевую силу насадки. Для обеспечения управляемости судна на малых скоростях поворотная насадка снабжается стабилизатором, т.е. рулем длинной b_с=(0,6-0,65)l_н (l_и-длина насадки), который на величину 0,25b_с входит в выходное отверстие насадки и крепится к ней. Длина поворотных насадок l_н =(0,8-0,9)D_в – диаметр винта.

На современных судах каждая поворотная насадка оборудована своим рулевым приводом для независимого (раздельного) управления каждой насадкой.

Рулевая сила поворотной насадки, перпендикулярная ДП, может быть определена по формуле: Р_у = q_уР_кtgα ( при ходе «вперед») или

Р_у = q¹_уР_кtgα (при ходе «назад»), где: значения для одиночных судов q_у ≈4,2; q¹_у ≈2,1; для толкаемых составов q_у ≈1,7; q¹_у ≈1,5; Р_н –упор ДРК; α –угол поворота насадки.

Перекладка поворотной насадки приводит к отклонению струи выбрасываемой воды от диаметральной плоскости судна. Угол отклонения струи приблизительно равен углу отклонения насадки α.Рассмотрим действие поворотной насадки во время циркуляции, когда судно движется с углом дрейфа β_к,скорость подтекания воды к насадке υ_е,скорость выходящего из насадки потока υ_н, угол перекладки руля α.

Геометрическая разность Δυ скоростей подтекания и выброса воды из насадки определяет силу упора Р насадки, направленную противоположно скорости Δυ. Разложив силу упора на составляющие по направлению ДП судна и перпендикулярно ей, получим движущую силу насадки Р_х и рулевую силу Р_у. из рисунка можно определить, что при угле дрейфа β_к, равном углу перекладки насадки. Рулевая сила Р_у незначительно отличается от Р¹_у, тогда как у судна оборудованного рулям, она будет близка к нулю. Рулевая сила насадки увеличивается при увеличении угла перекладки.

Принцип работы насадки имеет существенный недостаток. Если на движущемся судне будет остановлен движитель (винт), то скорость подтекания воды к насадке будет приблизительно равна скорости выхода ее из насадки, сл-но , геометрическая разность скоростей будет равна нулю, как и рулевая сила и упор насадки. В результате управляемостьрезко ухудшится т.к. при отклонении насадки от ДП рулевая сила насадки, как руля, из-за ее малых габаритов и обтекаемости будет невелика. Теоретически возможен случай, когда рулевая сила насадки будет равна нулю при работающем движителе, т.е. скорость потока воды на входе и выходе насадки будут равны. При движении по мелководью скорость обтекания кормовой части судна резко увеличивается, у судна с рулями увеличивается и рулевая сила, а у судна с насадками – уменьшается, что влечет рыскливость и потерю управляемости при больших скоростях движения. Поэтому мелководные участки следуетпроходить на пониженной скорости. При движении вдоль откосов каналов и причальных стенок шлюзов, лучше работает насадка с внешнего борта, т.к. скорость протекания воды меньше. Поворотные насадки обеспечивают хорошую управляемость судна на заднем ходу.

Если на двухвинтовом судне дать движителям «задний ход» и насадки переложить на правый борт, то на судно будут действовать силы показанные на рисунке. Рулевые силы насадок Р_у смещают корму вправо, струя воды из правой насадки, будет создавать гидродинамическое давление воды F на кормовую часть корпуса (струя воды от левой насадки проходит мимо корпуса). Разложив силу F на составляющие F_у и F_х , увидим, что сила F_у препятствует смещению кормы вправо. Таким образом, общий поворачивающий момент от сил Р_у и F_у равен

М_об = 2Мр_у – МF_у, где Мр_у -поворачивающий момент силы Р_у; МF_у – поворачивающий момент силы F_у.

Так как 2Мр_у > МF_у, то нос судна будет уклоняться в сторону противоположную перекладки насадок(влево), а корма в сторону перекладки насадок (вправо), при перекладке насадок влево – наоборот. Следует учитывать, что на заднем ходу эффективность ПН со стороны борта, противоположного их перекладке, больше. При выполнении поворотов на заднем ходу с появлением угла дрейфа на судно действует позиционный момент от сопротивления корпуса. Позиционный момент одиночных судов с насадками , меньше общего поворачивающего момента М_об, поэтому суда успешно выполняют циркуляцию при движении задним ходом. Толкаемые составы, из-за большого позиционного момента, плохо выводятся из циркуляции на заднем ходу.

Рассмотрим действие ПН при работе винтов «враздрай». Если левый винт работает вперед, а правый – назад и насадки переложены направо, то силы Р_у будут уравновешиваться и общий поворачивающий момент равен

М_об = Р_хb = F_у 0,5L

При перекладке насадок на левый борт, при том же режиме работы движителей, на судно будет действовать поворачивающий момент от пары сил Р_х , направленный вправо. Нос судна будет поворачиваться в правую сторону, но очень медленно, т.к. этот момент невелик, для поворота влево необходимо, чтобы упор винта работающего вперед был значительно больше упора винта работающего назад.

Из изложенного следует, что работу движителей «враздрай» следует применять лишь при производстве оборотов в стесненных условиях и при неблагоприятных метеоусловиях. В случае подходов к причалам, захода в камеру шлюза и т.д., следует работать назад одним или двумя движителями, не прибегая к работе ими «враздрай», как это рекомендовано для судов с рулями.

Раздельное управление насадками позволяет применять работу движителей «враздрай» при маневрировании.

Для поворотасудна влево левый движитель работает вперед, а правый – назад; левую насадку перекладывают на левый борт, а правую – на правый, тогда момент общий равен: М_об = 2Мр_у – Мр_х – МF_у , но 2Мр_у значительно больше Мр_х + МF_у , поэтому судно будет поворачивать влево. Если судно нужно повернуть вправо, не реверсируя движители, левую насадку поворачивают вправо, а правую – влево. В этом случае

М_об = 2Мр_у + Р_хb

Для судов, у которых ПН сильно экранируются ДП, при правом повороте рекомендуется до перекладки насадок на правый борт среверсировать левый движитель «назад». Для судов с открытым подзором, при повороте вправо, рекомендуется переложить ПН на правый борт, левым движителем работать «вперед», а правым «назад».

Направление поворота судна в зависимости от работы движителей и положения ПН можно определить по следующим таблицам:

Для синхронно управляемых насадок

Для раздельно управляемых насадок

Лекция № 2.3 (2 часа). Тема: Влияние движителей на управляемость судна.По данной теме проводится 2-х часовая лабораторная работа№2.2

Управляемость судна во многом зависит от типа движителя, его конструкции, расположения и количества.

Колесные движители практически перестали применяться, из-за их привязки к паровым (очень тихоходным) не экономичным силовым установкам. Колесный движитель имеет очень высокий КПД, колесные суда на переднем ходу, как правило, имеют худшую управляемость, в сравнении с винтовыми из-за меньшего давления воды на перо руля. На заднем ходу, они управляются лучше, вследствие большой площади руля и отсутствия отрицательных поворачивающих моментов наблюдаемых у винтовых судов. Колесные движители создают больший упор и эффективнее при движении судна по мелководью.

Из ранее рассмотренных видов движителей наибольшее распространение в настоящее время имеют винтовые движители в тех или иных сочетаниях с рулевыми органами именуемыми движительно – рулевой комплекс.