Лекция № 2.4. (2 часа). Тема: Устройства улучшающие управляемость судов

Основные САУ второй группы следующие:

1. Активный руль представляет собой обычный руль с прямугольным контуром, в районе задней кромки ко­торого размещен вспомогательный гребной винт. Направление упора, создаваемое этим винтом, изменяется при перекладке руля, что позволяет судну маневрировать даже при отсутствии хода.

2. Подруливающее устройство с крыльчатым движителем применяют на больших судах, у которых крыльчатый движитель может быть размещен в оконечностях без существенных изменений формы корпуса. К недостаткам этого устройства следует отнести низкую надежность, связанную с выступаю­щими ниже плоскости днища лопастями движителя.

3. Выдвижные винтовые колонки в отличие от активного руля могут быть подняты в специальную шахту в корпусе судна, чтобы не создавать дополнительного сопротив­ления судну. Вращаясь вокруг вертикальной оси на 360°, ко­лонка позволяет получать тягу в любом направлении, не при­бегая к реверсу двигателя привода. Колонка имеет небольшие габариты и может быть установлена как отдельный модульный агрегат в любом районе судна.

Так как в рабочем положении винтовая колонка, как пра­вило, выступает за габариты корпуса судна, следует учитывать, что в этом случае она защищена от повреждений в меньшей степени.

Подруливающие устройства туннельного типа получили в настоящее время наибольшее распространение. Для созда­ния упора в них используют гребные винты, крыльчатые дви­жители и водометы

Крыльчатые движители.Крыльчатый движитель — это устрой­ство, использующееся не только для создания упора, но и для из­менения его направления. Помимо этого, крыльчатый движитель позволяет регулировать его гидродинамические характеристики, т. е. сочетает в себе свойства движителя регулируемого шага и средства управления.

Впервые крыльчатый движитель (КД), получивший практическое примене­ние, был предложен в 1926 г. австрийским инженером Шнейдером. В настоящее время крыльчатые движители изготовляют и в РФ, и в ряде зарубежных стран. Они применяются на судах как в качестве основною движителя (буксиры, паро­мы, плавкраны, рыболовные суда), так и в виде вспомогательного средства уп­равления (большие морские суда — пассажирские, танкеры). В первом случае движитель располагается непосредственно под днищем судна, во втором — чаще всего в поперечном канале корпуса.

Конструктивно крыльчатый движитель представляет собой диск (ротор) с вертикальной осью вращения, установленный за­подлицо с днищевой обшивкой (либо с платформой, если движи­тель расположен в поперечном канале). Диск несет на себе 4—8 поворотных вертикальных лопастей, размещенных на равном рас­стоянии друг от друга по окружности диска и представляющих собой профилированные крылья. При вращении движителя каж­дая лопасть совершает вращательное движение по отношению к диску и вместе с диском — относительно воды. В воде находятся только лопасти, а механизмы вращения диска и поворота лопастей размещены внутри корпуса судна.

Суда, оборудованные крыльчатыми движителями, имеют ряд преи­муществ перед винтовыми:

- сочетание функций винта и руля, вследствие чего отпадает не­обходимость в рулевом устройстве;

- возможность направления силы тяги в любую сторону;

- некоторое повышение к. п. д. установки в сравнении с к. п. д. ВФШ;

- возможность расположения буксировщика при буксировке лагом, как в носовой, так и в кормовой оконечности судна, поскольку упор буксировщика на переднем и заднем ходу одинаков;

- осуществление перемены хода без реверса двигателя;

- возможность создания упора в направлении, перпендикуляр­ном борту швартующегося судна при любом положении букси­ровщика.

Хорошие маневренные качества судов с КД позволяют особо выгодно использовать эти движители на буксировщиках.

Судно, имеющее КД, способно легко разворачиваться в любом направлении даже из положения «Стоп». Наличие двух КД , позво­ляет судну двигаться лагом (со скоростью около 2 уз). Можно осуществлять плавное наращивание (практически от нуля) и гаше­ние скорости. Это имеет важное значение при подходе к судам, причалам.

Путь торможения судна с КД обычно не превышает длины кор­пуса, так как выступающие лопасти движителя быстро гасят инер­цию, существенно сокращается и время торможения.

Необходимо отметить и неко­торые недостатки судов, оборудованных КД:

- суда, имеющие КД в качестве основного движителя, для плава­ния в открытом море не приспо­соблены, так как на волнении не­сущий диск и лопасти будут под­вергаться чрезмерным напряже­ниям;

- для плавания во льду КД требует надежной конструктивной защиты;

- сложность конструкции самих КД и относительно большая масса позволяют применять их лишь при небольших мощностях нереверсивного двигателя;

- КД увеличивают фактическую осадку судна;

- Относительная дороговизна изготовления, эксплуатации и ремон­та КД, связанная с тем, что для движителей правого и левого вра­щения нужно создавать правые и левые роторы и рычажные си­стемы привода лопастей.

В 70-х годах этот недостаток устранен благодаря предложен­ной австрийской фирмой «Фойт» конструкции КД с рычажной си­стемой привода лопастей, позволяющей использовать один и тот же ротор для правого и левого вращения.

Раздельно-управляемые поворотные насадки.Направляющая насадка на гребной винт впервые была предложена в 1887 г. русским ученым Ф. А. Бриксом. Цель ее применения — повышение скорости, тяго­вых характеристик и маневренных качеств судов. В основном на­садки устанавливают на буксировщиках, толкачах, грузовых судах различного назначения (сухогрузы, танкеры и т.д.).

Так, в 1971 г в Японии построен крупнотоннажный танкер «Голар Ниху» дедвейтом 214 000 т. Пятилопастной винт этого судна имеет направляющею на­садку диаметром 9,5 м и массой 68 т.

Наиболее типичной формой насадки является профилированное стальное кольцо, обращенное выпуклой поверхностью внутрь. Пло­щади входного и выходного отверстии насадки неодинаковы, а гребной винт расположен в наиболее узком ее сечении.

Часто насадки делают поворотными, и они выполняют функции руля, причем в этом качестве насадка более эффективна, чем обыч­ный руль.

Раздельные поворотные насадки (РПН) на двухвинтовых су­дах при работе винтов враздрай развивают значительную боко­вую силу при отсутствии хода, т. е. обладают качествами, прису­щими САУ. При этом направление равнодействующей тяг комп­лексов и ее положение по длине судна зависят от того, как переложены насадки.

При перекладке обеих насадок внутрь, равнодей­ствующая приложена в точке диаметральной плоскости за кормой судна, и последнее разворачивается на месте тем интенсивнее, чем больше углы перекладки насадок.

Когда обе насадки переложены наружу, равнодей­ствующая перемещается соответственно в нос и в корму, судно не только дрейфует, но и поворачивается в сторону, зависящую от значения и направления упоров винтов. При неко­тором среднем угле перекладки точка приложения равнодействующей может совпасть с центром сопротивления во­ды при боковом движении судна. В этом случае оно дрейфует без враще­ния, т. е. движется лагом.

Итак, раздельная перекладка на­садок при одновременном изменении значения упора винтов (посредством изменения частоты вращения двигателя) позволяет получить необходимое значение, точку приложения по длине судна и направление равнодействую­щей.

Раздельные поворотные насадки установлены на многих судах, главным образом речного флота буксирах-толкачах, сухогрузных и наливных судах. Испытания показывают высокую эффективность РПН, обеспечивающих судам повышенную маневренность.

Поворотные винтовые колонки (ПВК).Принципиально они не отличаются от ВДРК, но более просты по конструкции, так как у них нет механизма подъема и опускания. Нередко ПВК выполня­ют откидными, и в этом случае они напоминают обычный руль-мо­тор. Откидные ПВК применяют, например, на судах с подводными крыльями и на воздушной подушке — для обеспечения хода в водоизмещающем положении. Когда такие суда идут под основными движителями, колонки откидываются вверх. На упомя­нутых типах судов для тех же целей могут быть использованы и ВДРК.

Суммируя достоинства ВДРК и ПВК, можно отметить следую­щее:

- возможность создания упора практически в любом направлении;

- отсутствие необходимости реверсирования приводного двига­теля;

- сравнительная простота конструкции, особенно ПВК;

- возможность регулирования суммарного упора при раздельном повороте двух колонок и по направлению, и по значению при по­стоянной частоте вращения винтов;

- способность судна двигаться лагом вследствие разворота коло­нок в противоположные направления под определенным углом.

Поворотные колонки имеют и недостатки:

- необходимость создания легких подвешенных механизмов пре­пятствует использованию приводных двигателей больших мощно­стей;

- повышенные требования к зубчатым коническим редукторам в отношении прочности, надежности, плавности вращения удорожа­ют конструкцию;

- выход ПВК, не имеющей устройства для откидывания, за га­бариты корпуса требует иногда конструктивной защиты от меха­нических повреждений (защитные рамы, пилоны, фальшкили).

Активные рули (АР). Это рули с установленными на них вспомогательными винтами, расположенными обычно за задней кром­кой пера. Винт, как правило, имеет направляющую насадку, кото­рая повышает его к. п. д. и защищает от повреждений.

Энергия к винту может быть подведена двумя путями:

- от водопогружных электродвигателей, размещенных в бульбообразной наделке на пере руля;

- посредством конической зубчатой передачи и вертикального вала, проходящего через расточку баллера руля. В последнем случае, приводной двигатель располагается в румпельном отделении.

Винт активного руля устанавливают так, чтобы его ось находилась на одной линии с осью основного гребного винта. Активный руль перекладывается с борта на борт обычной рулевой машиной, но с целью увеличения эффективности действия угол перекладки должен быть не менее 70°. Когда судно следует под главным движителем (винт АР не работает) со скоростью более 5 узлов, перекладка руля осуществляется в обычных пределах — 35° на оба борта. Для этой цели на рулевых машинах устанавливают ограничители, сблокированные с датчиком, помещенным на гребном валу, или управляемые с мостика.

Из опыта эксплуатации активных рулей можно сделать некоторые выводы об их достоинствах. Так, активный руль:

- позволяет осуществлять повороты не только на малом ходу, но и при полном отсутствии хода;

- может служить запасным движителем, причем судно способно двигаться только с его помощью при полном сохранении управляемости;

- при маневрах на стесненной акватории используется как основной движитель;

- при совместной работе в результате противоположного враще­ния основного винта и винта АР снижаются потери на закручива­ние потока основного винта, что способствует увеличению пропульсивного к.п.д. всего комплекса;

- применение АР в сочетании сносовыми подруливающими устройствами позволяет обеспечивать движение судна лагом;

- маневренные качества судна еще более улучшаются, если в качестве движителя АР используется ВРШ.

Но при этом активные рули имеют недостатки:

- наличие АР усложняет конструкцию пера руля;

- поскольку АР не может быть убран в корпус, его механизмы постоянно нагружены в связи с вращением винта АР под действи­ем набегающего потока, что значительно снижает надежность конструкции;

- в общем случае полное сопротивление судна вследствие применения активного руля вместо обычного может увеличиваться на 6 - 15%, этот недостаток можно немного компенсировать применением ВРШ;

- упор винта АР, как и всякого винта фиксированного шага, на заднем ходу меньше упора на переднем ходу, этот недостаток в известной мере может быть устранен применением ВРШ.

Подруливающие устройства. Это средства активного управления, создающие упор в направлении, перпендикулярном ДП судна, независимо от работы главных движителей и руля (насадки). Необходимость эффективного управления носовой частью судна при­вела к оборудованию судов подруливающими устройствами. Иногда ПУ устанавливают и в кормовой части судна, что улучшает его маневренность. Но ввиду технических трудностей размещения ПУ в корме суда чаще всего оборудуют таким устройством только в носовой части.

Главной задачей ПУ является уравновешивание совместно с основным движительно-рулевым комплексом внешних сил, действующих на судно: ветра, течения и волн.

Подруливающие устройства должны:

- обеспечивать достаточную управляемость при небольших скоростях и отсутствии хода;

- зависеть по возможности в меньшей степени от глубины погружения, крена и дифферента судна;

- не снижать свою эффективность на волнении;

- допускать эксплуатацию на мелководье;

- обеспечивать быстрое и плавное изменение величины упора, а если необходимо, то и его направления;

- иметь защиту от повреждений плавающими предметами;

- выполнять функции вспомогательного движителя;

- управляться дистанционно с одного или нескольких постов;

- не вызывать вибраций и шума;

- быть прочными, надежными, отличаться простотой монтажа и ремонта.

Подруливающие устройства подразделяются на подрулива­ющие устройства туннельного типа и выдвижные винтовые колонки различных типов.

С целью оценки эффективности ПУ в качестве расчетного маневра принято, например, считать самостоятельную швартовку судна на стесненной акватории при ветре заданной силы. Швартовка при этом делится на 3 маневра, которые можно оценить количественно:

- На предельно малом ходу, но не теряя управляемости, судно должно входить в порт и после выполнения соответствующего маневрирования подойти к причалу.

- Вблизи причала, совершив разворот, судно должно занять опре­деленное положение по отношению к причалу.

- В течение некоторого времени, достаточного для подачи швартовных концов, судно должно удерживаться в этом положении без хода и дрейфа.

Каждый из рассмотренных маневров может иметь и самостоятельное значение. Таким образом, принятие перечисленных маневров в качестве основных для оценки эффективности ПУ представляется целесообразным всегда, когда требования к ПУ конкретно не сформулированы заказчиком.

Подруливающие устройства ПУ классифицируют по ряду признаков:

- по типу рабочего органа — с гребными винтами, насосами различных систем, крыльчатами движителями;

- по типу канала, в котором расположен рабочий орган, — с пря­мым каналом, с изогнутым каналом (S-, Т-, П-, К-, и Z-образным)

- по расположению на судне: носовые (НПУ), кормовые (КПУ);

- по типу приводного двигателя — с приводом от двигателя внут­реннего сгорания (ДВС), паровых и газовых турбин, электродви­гателей.

В ПУ с гребными винтами, последние обычно расположены в по­перечном цилиндрическом туннеле, идущем от борта до борта ниже ватерлинии. Движителями служат один или два ВФШ либо один ВРШ. Для повышения эффективности ПУ входные кромки туннеля закруглены. На входных отверстиях устанавливают защитные решетки.

В схеме с одиночным ВФШ значением и направлением упора управляют изменением частоты и направления вращения приводного двигателя. При этом трудно достичь одинаковых значений упора на оба борта. Этот недостаток частично устраняют, применяя в ПУ два соосных ВФШ противоположного вращения, расположенных симметрично относительно ДП судна. Эффективность двухвинтового ПУ в сравнении с ПУ, имеющим один ВФШ, выше на 10 - 15% (вследствие уменьшения потерь на закручивание струи).

В ПУ с ВРШ обеспечивается плавное изменение упора от нуля до максимума при постоянной частоте вращения винта.

На пассажирском судне проекта 302 применяется подруливающие устройство туннельного типа, с винтом регулируемого шага (ВРШ). Основное назначение этого устройства – выполнение швартовых операций. Так как судно эксплуатируется в особых условиях плавания, конструкция туннельного типа САУ более надёжна, так как движитель защищён от повреждений. Мощность этого типа САУ позволяет развить значительный боковой упор, а винт регулируемого шага создаёт точно регулируемый эффект, что повышает управляемость судна. Технические характеристики подруливающего устройства приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики подруливающего устройства судна проекта 302

Выдвижные движительно-рулевые колонки (ВДРК).Это уст­ройство, способное поворачиваться в горизонтальной плоскости на угол до 360°, обеспечивая таким образом широкий выбор направления упора. Это позволяет судну под действием ВДРК двигаться передним и задним ходом, а также создавать упор на оба борта без реверсирования приводного двигателя.

Винт ВДРК может быть «толкающим» или «тянущим». Однако, как показывают испытания моделей, в первом случае момент, скручивающий баллер, в 6 – 7 раз меньше. Поэтому в ВДРК устанавливаются исключительно «толкающие» винты, т. е. винт по отношению кнабегающему потоку расположен за гондолой.

Судно, оборудованное двумя ВДРК в корме и ПУ в носовой части, обладает очень хорошей управляемостью, включая возможность движения лагом, повороты на месте. Вырезы в обшивке, через которые ВДРК опускаются в воду, в ходовом режиме, когда колонки подняты вверх и не работают, закрываются заслонкой или створками.

Выдвижная движительно-рулевая колонка может служить как основным движителем, так и вспомогательным движительно-рулевым устройством судна. В качестве основного движителя ВДРК применяют на судах, которые должны обладать высокими маневренными качествами при относительно небольшой скорости (плавкраны, паромы, портовые буксиры, пожарные и промысловые суда).

Как вспомогательное движительно-рулевое устройство ВДРК в основном используют на судах, которым по роду деятельности необходимо длительное время удерживаться на месте в открытом море (океанографические суда, плавбазы, кабеле- и трубоукладчики, плавучие буровые). В данном случае ВДРК является подруливаю­щим устройством навесного типа.

Две ВДРК, установленные на судне, могут поворачиваться и синхронно, и раздельно.

Многоперьевые рулевые комплексыотличаются от обычных тем, что в систему рулей расположенных по оси гребных валов добавлены дополнительные перья рулей расположенные между осями гребных валов. Все рули соединены эксцентрической системой привода и вращаясь синхронно имеют различные углы перекладки. Это позволяет располагать их в положении «Прямо» параллельно друг друга и ДП судна, а в положении «На борт» образовывать за движителями судна экран направляющий отбрасываемую движителями струю перпендикулярно ДП в сторону перекладки рулей. При этом судно не имеет продольного упора, но имеет поперечный упор, величина которого зависит от интенсивности работы движителей судна. Такие рулевые системы (распространена система Энкеля) позволяют при работе движителей (даже одного среднего) на передний ход выполнять циркуляцию практически на месте, и оперативно перекладкой рулей на борт получать эффект кормовогоподруливающего устройства с большим упором. Для улучшения управляемости на заднем ходу используют рули заднего хода – фланкирующие рули, которые устанавливают впереди гребных винтов. Движительно- рулевой комплекс может включать рулевую систему Энкеля и фланкирующие рули, что обеспечит судну хорошие маневренные качества.

1. Силы и моменты действующие на судно при работе подруливающих устройств, активных рулей и рулей Энкеля.

Сила подруливающего устройства создается за счет реакции струи воды, отбрасываемой движителем (насосом, винтом и т.п.). Если струя отбрасывается на правый борт – сила упора Р_П направлена на левый борт, и наоборот. Величина упора определяется выражением: Р_П = ρ Q υ где: ρ –массовая плотность воды; Q-производительность движителя; υ-скорость выхода воды из трубы ПУ. Поскольку тяга ПУ, как правило, направлена перпендикулярно к ДП судна, движение судна (при отсутствии ветра и течения) под действием только ПУ, сводится к вращению судна. Однако это вращение неизбежно сопровождается перемещением судна в сторону оконечности, на которой находится ПУ, т.е. вращение на месте невозможно. Сила упора ПУ приложена в оконечности судна, тогда центр поворота располагается между ц.т. G и противоположной оконечностью судна. При этом ц.т. G будет иметь окружную скорость и, следовательно, на судно будет действовать центробежная сила с, направленная в сторону ПУ и вызывающая смещение судна, которое может быть нейтрализовано работой движителей судна.

Если на судне двигающемся вперед включить носовое ПУ, то под действием силы Р_П возникает дрейф носа судна в сторону поворота.

Наличие дрейфа приводит к появлению угла дрейфа, поток воды, первоначально набегавший параллельно ДП, начинает набегать на внутренний (относительно поворота) борт, от чего возникает сила бокового сопротивления R_у, приложенная ближе к носу от ц.т. судна и направленная противоположно дрейфу. Общий поворачивающий момент будет состоять их 3-х моментов М_об = Мр_п – МR_у – М_Д где: Мр_п – момент упора ПУ; МR_у – позиционный момент сопротивления движению; М_Д –демпфирующий момент сопротивления вращению.

Если на том же судне имеется кормовое подруливающее ПУ, то приего включении возникает дрейф кормы судна в сторону противоположную повороту судна, поток воды начинает набегать на борт, внешний относительно поворота, а схема сил и моментов будет анологична возникающей при перекладке руля. М¹_об = Мр_к + Мр_у - М_Д где Мр_к – момент упора кормового ПУ.

Сравнивая вышеприведенные уравнения видим, что при условии равенства поворачивающих моментов носового и кормового ПУ М¹_об > М_об , т.к. позиционный момент при работе кормового ПУ способствует повороту, а при носового ПУ – препятствует ему. Поэтому при движении передним ходом целесообразно применять при маневрировании кормовое ПУ, а на заднем ходу - носовое ПУ.