Руль и гребной винт судна

На судне с правосторонним гребным винтом руль, отклоняющий струю воды от гребного винта, оказывает усилие на корму судна.

Силу от действия руля можно разложить на поперечную и продольную составляющие. Для управления кораблем нужна поперечная составляющая; продольная составляющая вызывает снижение скорости судна и является проигрышем с навигационной точки зрения, но может быть именно той силой, которую необходимо приложить при подходе к причалу (рис. 1).

Рис. 1 Эффект руля.
1 — питание на руле направления; 2 — поперечная сила; 3 — продольная сила, уменьшающая скорость судна

В случае, если необходимо затормозить без движения машины задним ходом, по возможности можно использовать полный руль за бортом.

Сила от действия руля, угол дрейфа на циркуляции и поперечное сопротивление корпуса

Чтобы понять, как работает боковая устойчивость судна — боковая сила от действия руля на судно, движущееся вперед, рассмотрим влияние применительно к ЦТ и ЦТ. Поскольку боковая сила от действия руля смещает ЦТ вместе с судном, ЦТ можно рассматривать как условную опору, а ЦТ как поднимаемый груз (Приложение Б, 1). После преодоления инерции ЦТ корабля смещается в сторону, противоположную повороту, и создает угол дрейфа, в результате чего борт корабля встречает сопротивление под водой. Положение ЦВ играет центральную роль в распределении поперечного гидродинамического сопротивления.

«Искусство управления кораблем предполагает эффективное использование сил, которыми мы можем управлять, для преодоления сил, которые нам неподвластны”.

Чарльз X. Коттер. «Капитан и его корабль”

Влияние поперечного сопротивления перед CV двоякое: оно способствует рысканью, поскольку создает то же направление вращения, что и боковая сила от движения руля направления, и, наоборот, сдвигает CV назад, тем самым укорачивая ручку управления (рис. 2).)). При возникновении бокового сопротивления момент складывается из момента руля (управления) и момента бокового сопротивления (приложение Б, 2).

Рис. 2 Влияние боковой силы на руль при движении.
1 — поперечная сила; 2 — рычаг управления

Поперечное сопротивление, возникающее в кормовой части судна от ЦВ, уменьшает угол дрейфа, что уменьшает величину самого поперечного сопротивления. Рабочий угол определяется отношением бокового сопротивления в кормовой части корабля от ЦВ и боковой силы от действия руля к сопротивлению трения корпуса корабля.

Узкое судно имеет относительно более длинную подводную зону в кормовой части CV и встречает относительно большее боковое сопротивление в кормовой части, что приводит к меньшему углу дрейфа и, следовательно, к большей циркуляции (рис. 3).

Рис. 3 Влияние ширины сосуда на CV и угол дрейфа

Широкое судно сталкивается с относительно большим подводным сопротивлением впереди CV и меньшим боковым сопротивлением позади него, что приводит к большему углу дрейфа и, следовательно, относительно меньшей циркуляции (приложение B, 3).

Центр вращения и его смещение Боковое сопротивление вызывает потерю скорости судна, пропорциональную углу дрейфа и размеру подводной поверхности. По мере установления разворота и снижения скорости минимальные изменения угла сноса и положения CV будут уравновешены боковым сопротивлением и силами руля направления.

Инерция поперечного движения

Если руль установлен прямо, корабль продолжает поворачиваться влево: помимо инерции вращения возникает вращательный момент, создаваемый инерцией поперечного движения корабля и поперечным сопротивлением перед точкой поворота (Рис. 4)). Инерция поперечного движения действует как сила, точка приложения которой находится в ЦТ корабля. Точка приложения поперечного сопротивления находится в центре центра тяжести корабля. Точка приложения бокового сопротивления находится примерно посередине между носом и центром тяжести.

Рис. 4 Поперечная инерция движения и ЦВ.
1 — направление поперечной инерции движения; 2 — боковое сопротивление

Для прекращения поворота необходимо переложить руль на другую сторону, в нашем случае на правую (рис. 5). Причина, по которой требуется больше времени и больший угол поворота руля, чтобы выровнять лодку, чем для начала поворота, заключается в том, что боковое сопротивление продолжает действовать на носовую часть корпуса в течение некоторого времени, создавая вращение, противоположное вращению, создаваемому рулем (Приложение).). Б, 5).

Рис. 5 Держите курс, когда вы переводите руль направления на другую сторону.
1 — поперечная сила от действия руля; 2 — направление поперечной инерции движения; 3 — боковое сопротивление

Если мы снова поставим руль прямо в момент остановки поворота под действием перенесенного на другой борт руля, то поворот налево возобновится, потому что мы нарушим баланс сил, существующий между боковой силой от действия руля, инерция бокового движения и боковое сопротивление.

Пока есть инерция в боковом движении, есть и боковое сопротивление; две силы образуют вращающуюся пару, которая восстанавливает поворот, если не управляется рулем направления. Так как инерция поперечного движения постепенно уменьшается, то для поддержания движения судна на постоянном курсе при изменении режимов работы движителей судна на постоянном курсе необходимо соответствующим образом отводить руль.

Влияние продольной инерции на управляемость судна

Ускорение или замедление, происходящее при увеличении или уменьшении скорости вращения винта, влияет на положение CV. Например, рассмотрим танкер с дизельной силовой установкой дедвейтом 50 тысяч тонн, следующий за ним с наименьшей скоростью, частотой вращения гребного винта 40 об/мин и скоростью 5,7 узла. Когда мы увеличиваем скорость вращения винта до 65 об/мин, кораблю требуется время, чтобы двигаться со скоростью 9,3 узла, что соответствует 65 об/мин. В этом запаздывании виновата продольная инерция. За это время сопротивление воздуха корабля возрастает еще более непропорционально силе тяги, что приводит к водоизмещению БГ.

Если на корабле, следующем с малой скоростью относительно воды, сместить руль за борт в момент увеличения оборотов двигателя, то мы будем иметь увеличенный упор винта на руле и немедленное увеличение усилия. Это улучшенное управление будет продолжаться до тех пор, пока сопротивление (в передней части) снова не будет соответствовать частоте вращения двигателя.

Если руль остается на борту, лодка не будет развивать скорость, указанную в таблице элементов маневрирования, потому что часть движущей силы преобразуется в боковую силу от руля, и, кроме того, лодка сталкивается с большим подводным сопротивлением во время поворота.

Когда по каким-то причинам нельзя допустить увеличения скорости, но необходимо снизить угловую скорость поворота, то лучше как можно быстрее снизить обороты двигателя, чем втягивать руль. Это необходимо потому, что при прямой установке руля вся тяга гребного винта будет направлена ​​на преодоление инерции продольного движения. Если это будет продолжаться достаточно долго, чтобы скорость корабля относительно воды увеличилась, по мере уменьшения оборотов двигателя мы будем иметь избыточное сопротивление, что приведет к снижению управляемости.

Влияние дифферента на управляемость

Когда корабль с дифферентом на нос движется в воде боком, он имеет относительно большую подводную площадь перед CV, которая будет сталкиваться с большим боковым сопротивлением. Большая поперечная сила в носовой части судна смещает CV дальше в корму и укорачивает рычаг управления. Кроме того, когда лодка не полностью загружена и не наклонена вперед, гребной винт не опускается так глубоко, что приводит к меньшему действию руля, что, в свою очередь, снижает крутящий момент руля (управляющий момент).

Рекомендуемая литература: Технические и эксплуатационные характеристики судов и плавучих сооружений

В плавном повороте нос имеет большую инерцию вращения, которой противодействует меньший управляющий момент. Чем больше лодка наклонена вперед, тем сложнее ею управлять. На начало поворота уходит много времени, а на его остановку еще больше. Большая сила поперечного сопротивления в носовой части судна снижает циркуляцию судна (приложение Б, 4).

Корабль с дифферентом на корму имеет относительно большую площадь подводного пространства за КВ. Когда судно под действием размещенного на борту руля движется вперед и вбок по отношению к воде, носовая часть встречает меньшее сопротивление воды; в результате CV будет оставаться далеко вперед, создавая относительно длинный рычаг управления. Кроме того, гребной винт опускается глубже в воду и создает лучшую остановку, что увеличивает мощность и управляющий момент.

Большая циркуляция дифферентованного на корму судна вызвана уменьшением влияния более слабой боковой тяги на нос и большей боковой тяги на корму, что приводит к уменьшению угла дрейфа (Приложение Б, 5).

Уменьшение скорости судна с помощью руля и гребного винта

В море предпочтительнее угол наклона руля менее 20°, так как это обеспечивает хорошую управляемость и относительно низкое снижение скорости. Но когда необходимо уменьшить скорость, можно успешно использовать эффект снижения скорости действием руля, и менять его попеременно с одного борта на другой (так называемая циклическая смена руля — Rudder Cycling). В зависимости от наличия места и возможности позволить судну отклониться от курса, необходимо удерживать руль на одном борту в течение длительного или короткого времени. Боковое сопротивление, создаваемое бортом корабля. Подготовка корабля к швартовным операциям помогает снизить скорость корабля. Танкеры большой вместимости с чрезмерной осадкой теряют значительно больше скорости при повороте на полном ходу, чем танкеры меньшего размера.

На танкере дедвейтом 477 000 тонн и скоростью 14,4 узла после остановки машины требуется 62 минуты для снижения скорости до 5 узлов (инерционные испытания), а для соответствующего снижения скорости с 14 требуется всего 5,5 минуты. 4-5 узлов при развороте на 150°, поставив руль на 35° на борт и удерживая машину на полном ходу! В обоих случаях корабль был загружен, имел осадку 92 фута и соотношение площадей рулей 1/60 по осадке. Отношение площади руля — отношение между смоченной поверхностью пера руля и продольной подводной площадью судна. Тот же танкер дедвейтом 477 000 тонн в балласте с коэффициентом площади рулей 1/27 имеет не только меньшую инерцию, но и относительно большую площадь рулей. Эти два фактора делают переключение руля с небольшими изменениями курса более эффективным в балласте, чем под нагрузкой.

Говоря о снижении скорости движения гребным винтом, следует учесть, что на судне, движущемся полным ходом, гребной винт, работающий на 20 % мощности, встречает большее сопротивление воды, чем заблокированный гребной винт. Самый медленный ход вперед, устанавливаемый после того, как лодка набрала полную скорость, обеспечивает несколько лучшее торможение на старте, чем немедленная остановка гребного винта. Чтобы быстрее довести судно до полной скорости вперед, гребной винт, вращающийся назад с мощностью 20%, изначально более эффективен, чем гребной винт, вращающийся назад с полной мощностью, когда большая часть мощности теряется из-за кавитации.

Циркуляция судна

Если на корабле, не движущемся по воде, положить руль на борт и идти полным ходом вперед, то полный оборот займет вдвое меньше места, чем полный оборот, начатый с полного хода вперед. Разворачиваясь сначала на месте, корабль набирает скорость вперед, а с увеличением инерции движения поворот становится все шире и шире. Инерция покоя — это то, что позволяет кораблю совершать короткий разворот с места и предотвращает продольное ускорение.

Пример. Танкер дедвейтом 477 тыс тонн с полной загрузкой, ГЭУ, L/B = 6, осадка 92 фута, угол поворота руля 35°, начальная скорость 14,4 уз, конечная скорость 3 уз. Машина работает на полных оборотах, начальная частота вращения турбины 89, конечная скорость 78 об/мин. Время полного оборота 16,5 мин.

После перемещения руля на борт корабль начинает медленно поворачиваться, и только после поворота примерно на 10° вращательное движение начинает увеличиваться. Расчет маневренности малой лодки на криволинейном курсе Скорость поворота достигает пика между 10 и 90° поворота и становится постоянной с более низким значением по мере того, как лодка достигает постоянной скорости движения вперед (см. Приложение B «Боковое сопротивление». Вращательное движение).

Теоретически диаметр циркуляции составляет AL и 3L (где: L — длина между перпендикулярами) для соотношений L/B, равных 9 и 5 соответственно (см. Длинные рукава в носу и корме, Продольное и боковое движение корабля). Однако многое зависит от ряда факторов, влияющих на угол поворота, таких как дифферент и глубина под килем.

Циркуляция при постоянной высокой скорости не намного больше, чем циркуляция при постоянной низкой скорости из-за большей инерции движения, относительно более длинного рычага управления и, следовательно, меньшего рабочего угла.

Пример. Танкер дедвейтом 50 тыс тонн, ГЭУ, L/B=8, осадка в снаряженном состоянии по ровному килю 41 фут 8 дюймов, в балласте — носом 20 и кормой 26 футов.

Для сравнения: танкер дедвейтом 477 тыс тонн в балласте, осадкой в ​​носу 33,5 и в корме 40 футов, время полной циркуляции на полном ходу 14 минут (начальная частота вращения турбины 91, конечная — 82 об/мин). Время полной циркуляции на среднем ходу составляет 22 мин (скорость вращения все время 51 об/мин), диаметр циркуляции меньше примерно на 6.

Диаметр циркуляции в грузе обычно больше, чем в балласте. Причина в том, что груженое судно имеет относительно меньшее отношение поверхности руля и большую инерцию и, кроме того, обычно имеет меньшую глубину под килем.

Однако на глубокой воде циркуляции невелики, так как груженые танкеры обычно не дифферентуются, что приводит к сильному боковому сопротивлению носовой части судна.

Ограниченная глубина под килем на мелководье препятствует потоку воды под корпус и вызывает ограниченное боковое движение кормы. Чем меньше глубина под килем, тем больше воды скапливается в области движущейся вперед кормы и тем ниже уровень воды в носовой части судна, что приводит к меньшему углу дрейфа и, следовательно, к более широкому развороту на мелководье.

Действие ветра изменяет циркуляцию. В нормальном дифференте, носом против ветра и кормой против ветра, лодка поворачивает быстрее. Наоборот, при повороте корабля носом против ветра, особенно при высокой кормовой надстройке и сравнительно слабом двигателе, поворот происходит медленнее.

Напряжение и набухание оказывают противоположное влияние на развороты. Когда судно поворачивает носом на волне, при повороте действует боковое сопротивление, которое помогает волне на передней шкаторине предотвратить поворот (см. Поворот со сдвигом в Приложении B. Вращательное движение). Когда судно поворачивает в сторону волны и зыби, их действие необходимо преодолевать кормой. И только когда скорость постоянна и на корабль не действуют внешние силы, он описывает реальную окружность при движении на циркуляции.

Сила на пере руля и поперечный упор гребного винта

При движении задним ходом усилие на руле играет незначительную роль. Поскольку лодка редко имеет значительную корму, сила, создаваемая давлением воды на перо руля при движении задним ходом, невелика.

Кроме того, поскольку CV при движении задним ходом находится ближе к корме, сила движения руля оказывает небольшое влияние.

Более мощной силой, чем сила от действия руля на судно, идущее задним ходом, является поперечный упор работающего назад гребного винта. Когда лодка все еще движется вперед по воде, а двигатель работает на корму, вся балка гребного винта не достигает кормы. Но пока CV еще впереди, результирующая мощность имеет длительное влияние. Будем считать величину транца, когда лодка еще движется вперед по воде, равной в среднем 5% на корму. При прекращении движения вперед и установлении движения назад это значение увеличивается в среднем до 10% (рис. 6).

Рис. 6 Перерезывающая сила и CV.
1 — движение судна; 2 — машина работает задом наперёд

Однако если центр бокового сопротивления смещается назад и устанавливается близко к точке приложения поперечного стопора, то вращательное движение становится незначительным.

Когда возникает необходимость, чтобы судно с винтом правого шага не повернуло вправо, перед задним ходом следует дать машине толчок вперед и перевести руль на левый борт. Когда реверс установлен, боковой упор будет придавать лодке небольшое вращательное движение. С другой стороны, чтобы повернуть лодку на правый борт, переместите руль вперед на правый борт перед тем, как повернуть назад. При этом корабль получит вращательное движение, и CV будет двигаться вперед. Продольная инерция в основном задерживает развитие реверса, при этом максимальный поперечный упор оказывает оптимальное влияние.

Механическое натяжение дизельного двигателя внутреннего сгорания Суда с дизельными движителями, имеющие большую мощность на корме и вследствие этого более сильную поперечную остановку и более быструю реакцию машины, чем суда с турбинными установками, легче спускать на воду почти на месте через правый борт. Поперечная сила сильнее на лодках с большими медленно вращающимися гребными винтами, чем на лодках с маленькими быстро вращающимися гребными винтами.

Угол перекладки руля

увеличение оборотов двигателя для лучшего контроля дает лишь временный эффект и увеличивает скорость лодки. Поэтому в тех случаях, когда мы не можем позволить себе большую скорость, лучше не увеличивать обороты двигателя при смене руля, например на 20°, а преимущественно пользоваться сменой руля на борту.

Наоборот, когда гребной винт остановлен, возникает некоторый вращательный эффект, когда руль находится на борту. Но так как и величина, и влияние силы руля пренебрежимо малы, то это влияние легко может быть нейтрализовано легким ветром против противоположного днища.

Пока судно движется вперед по воде, даже если машина движется полностью задним ходом, лучше всего оставить руль направления на той стороне, которой должно управляться судно. Только когда судно начинает двигаться по воде назад, имеет смысл перекладывать руль на другой борт (пилоту часто напоминают, что руль остается на борту, когда корабль движется вперед, а двигатель работает назад).

Поскольку руль, поставленный на борт, частично перекрывает поток воды к гребному винту с одной стороны при движении корабля назад, происходит потеря КПД гребного винта. Угол руля 15-20° обеспечивает лучший расход воды по сравнению с изменением руля на борту. Следует помнить, что корабль спроектирован и построен в первую очередь для движения вперед, так же как двигатель/корпус и гребной винт предназначены для движения вперед. Стоит ли ухудшать и без того плохие ходовые качества большинства заправщиков задним ходом, чтобы получить теоретическое и в лучшем случае на практике небольшое улучшение управляемости? В любом случае, поскольку некоторые капитаны, кажется, возражают против того, чтобы руль находился на борту до конца, в этом случае пилот может поддерживать капитана, используя только 20° руля направления°.