ВЛИЯНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ГРЕБНОГО ВИНТА И РУЛЯ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДНА

Элемент лопасти можно рассматривать как крыло, движущееся под углом атаки . В этом случае на элементе возникает сила, перпендикулярная вектору скорости (сила ). Проекция этой силы на направление движения представляет собой упор рассматриваемого элемента , а проекция ее на плоскость вращения направлена против скорости и создает относительно оси вращения момент, преодолеваемый двигателем (сила М).

На работу движителя существенное влияние оказывают расположенные вблизи него твердые тела — корпус судна, различные направляющие устройства, а также свободная поверхность жидкости. Между частями такого комплекса возникает гидромеханическое взаимодействие.

Неравномерность поля скоростей, вызванная попутным потоком, приводит к тому, что в верхней части диска винта лопасть встречает поток, имеющий меньшие осевые скорости, чем в нижней. Вследствие этого угол атаки лопасти увеличивается и лопасть в верхнем положении испытывает большие силы сопротивления вращению, чем в нижнем. Возникает неуравновешенная сила , которая при винте правого вращения стремится переместить корму судна влево. В начале работы винта, когда судно еще не имеет движения, попутный поток отсутствует. С возрастанием скорости движения судна возрастает и скорость попутного потока.

В самом начале движения судна вперед или назад, когда действие попутного потока не сказывается, лопасти гребного винта начинают работать в невозмущенной среде. Развиваемый на лопастях упор будет больше в нижнем их положении, где подсос воздуха и влияние поверхности воды сказываются значительно слабее. В результате на нижней лопасти возникает сила реакции, значительно превосходящая реакцию на верхней. Их результирующая сила реакции D будет стремиться сместить корму судна вправо. По мере развития оборотов движителем сила реакции уменьшается и возрастает действие силы . Действие реакции больше на судах, следующих в балласте (лопасти винта частично оголены), и на судах с относительно большим диаметром винта.

Поскольку руль располагается в струе движителя, то будут изменяться его гидродинамические характеристики. Натекающий на руль поток закручен. На характер кривой распределения окружных скоростей в закрученной струе влияют попутный поток за корпусом судна и свободная поверхность. Это обуславливает асимметричный характер скоростей потока. Обычно большой скос потока наблюдается в нижней половине струи. При правом вращении винта он направлен на левый борт. Поэтому на не переложенном руле одновинтового судна возникает сила С, стремящаяся повернуть корму влево.

Таким образом, когда гребной винт вращается в правую сторону, а руль находится в диаметральной плоскости, на корпус судна действуют одновременно силы С, D и . Для случая, когда движитель и руль полностью погружены в воду, имеем С + > D. В итоге результирующая сил будет уклонять корму судна влево.

В каждом конкретном случае надо учитывать, что воздействие внешних факторов может существенно изменить ожидаемый результат от выполнения маневра. Это влияние будет зависеть от состояния загрузки судна и его положения относительно воздействующего фактора.

При работе винта на задний ход действие струи винта на кормовую часть корпуса оказывается неодинаковым вследствие изменения полноты ее обводов по высоте. Струя винта, набрасываемая на корпус в верхней половине диска винта, встречает обшивку корпуса под большим углом, чем в нижней половине. Кроме того, в нижней части ахтерштевня часть потока скользит по борту и перетекает через киль .

В результате действия значительно большей по силе струи в верхней части корпуса здесь возникает поперечная сила С (сила набрасываемой струи), которая стремится переместить корму влево, если винт правого вращения.

Сила реакции D при работе винта на задний ход также имеет место. Максимальное влияние проявляется в самом начале работы движителя, когда он только набирает обороты. В этот период наблюдается интенсивное уклонение кормы влево, так как реакция действует в одном направлении с силой С.

По мере развития оборотов движителем сила реакции D уменьшается до некоторой величины, но общая тенденция влиять на уклонение кормы одинаково с силой С сохраняется.

Сила попутного потока b будет действовать только в период, когда судно еще имеет движение вперед и уклоняет его корму влево. По мере погашения инерции эта сила уменьшается.

Силы, возникающие при отклонении руля от диаметральной плоскости. При прямолинейном движении судна с рулем, расположенным в диаметральной плоскости, его корпус испытывает действие упора движителей и сопротивления воды. С началом перекладки руля его плоскость образует с направлением набегающего потока угол . В результате косого обтекания руля и действия струи винта появляется перераспределение давлений на его поверхности; на стороне руля, обращенной к потоку, давление увеличивается, а на об- ратной стороне возникает разрежение.

Тогда . Пара сил и вызовет поворот судна вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести, Поперечная сила приведет к возникновению бокового смещения судна, продольная - к увеличению сопротивления воды движению судна. В общем случае точки приложения гидродинамических сил, действующих на руль и корпус судна, не лежат в одной горизонтальной плоскости. Поэтому одновременно с боковым смещением судна и его разворотом вокруг вертикальной оси наблюдается появление крена и дифферента.

Таким образом, при отклонении руля от прямого положения на угол судно будет двигаться по некоторой криволинейной траектории, называемой циркуляцией. При этом угол между вектором скорости и диаметральной плоскостью судна называется углом дрейфа _д. Обозначим через _ц радиус кривизны циркуляционной кривой в точке G (центр тяжести судна), через _ц — мгновенную угловую скорость вращения вокруг центра кривизны O₁( а Х₀ — абсциссу точки 0.

Гидродинамическая реакция зависит величины угла перекладки руля и его площади, от скорости судна и воздействия на руль сил набрасываемой струи от винта (рассматривается винт правого вращения).

При разгоне судна потоки воды от винта окажут давление на руль с силой С, воздействие которой будет увеличиваться по мере повышения оборотов движителя. При руле, положенном вправо, эта сила будет постепенно увеличивать общую составляющую сил на руле и противодействовать силе реакции винта и, если же руль положить влево, то действие сил С и D совпадает. Поэтому для удержания судна на курсе в момент дачи переднего хода необходимо положить руль вправо.

Вид маневра	Схема маневра	Поведение судна
Руль лево	Руль прямо	Руль право
Установившееся движение Судно движется по инерции с застопоренным винтом Судно движется вперед, винт работает назад Судно не имеет хода, винт работает назад Судно движется назад, винт работает назад Судно движется назад по инерции с застопоренным винтом Судно движется назад, винт работает вперед Судно не имеет хода, винт работает вперед (начальный период)

Примечание.

- стрелкой показано направление движения носовой части судна;

- возможное уклонение носа судна.

Когда судно имеет ход вперед, то встречный поток увеличивает силу руля и совместно с силой С оказывает наибольшее влияние на поворотливость судна. Сила С на переднем ходу может составлять от 30 до 40% силы встречного потока. Эффективность руля, положенного вправо, при этом будет несколько выше, чем при его положении на противоположный борт.

Это объясняется тем обстоятельством, что сила от струи работающего движителя будет более мощно воздействовать на правую сторону пера руля.

При работе гребного винта на задний ход благодаря засасывающему действию винта образуется поток, направленный к кормовому подзору. Сила этого потока — сила всасываемой струи — не влияет на руль, находящийся в прямом положении. При руле, положенном, например, вправо, струя всасываемого потока будет оказывать давление на левую сторону пера руля и вызовет понижение давления с его правой стороны — корма будет стремиться идти вправо. При левом положении руля 'корма судна будет уклоняться в сторону положенного руля.

Когда судно приобретает движение назад, то появляется дополнительная сила от набегающего потока жидкости, направление которой совпадает с силой всасываемой струи, а величина ее зависит от скорости смещения судна назад.

Управляемость судна на заднем ходу. Под управляемостью судна на заднем ходу понимается способность удерживать или изменять направление при движении назад. Необходимость рассмотрения данного движения судна объясняется тем, что часто встречаются случаи маневрирования на ограниченной акватории, при отходе от причала, при разворотах в узкостях и т. п. На практике установлено, что управляемость судна на заднем' ходу значительно хуже, чем на переднем. Известно, что расположение руля в передней части объекта по ходу его движения всегда менее эффективно.

Рассмотрим два судна (а, б), из которых одно А движется передним ходом, а другое В — задним, судна перемещаются прямым курсом, на обоих рули перекладываются в одну сторону относительно общего направления движения.

Поперечная гидродинамическая сила , возникающая при этом на рулях, образует у судна А момент (пара сил в центре тяжести судна и ), направленный в сторону переложенного руля; у судна В — момент (пара сил в ц. т. судна и ), направленный также в сторону переложенного руля.

В результате дрейфа судна появится поперечная гидродинамическая сила корпуса Y_Г, момент которой М_Г будет направлен у судна А в сторону момента , у судна В — в сторону, противоположную моменту .

На переднем ходу (у судна А) направление моментов, возникающих на руле и корпусе, одинаково и судно поворачивается под действием суммарного момента (М_Г+ ). Момент М_Г на судне В направлен в сторону, противоположную начальному моменту от руля, и стре-мится развернуть судно влево. Следовательно, на заднем ходу в момент после отклонения руля направление отворота кормы судна оказывается неопределенным. Поворот в итоге осуществится под действием разности моментов, возникающих на корпусе и руле (М_Г- ).

Суда на заднем ходу так же, как на переднем, отклоняются с прямого курса только в ту сторону, в которую перекладывается руль. Случаи обратной управляемости (поворот в обратном направлении от перекладки руля) встречаются крайне редко.

Ухудшение управляемости судна на заднем ходу вызвано также уменьшением эффективности руля при значительных углах его перекладки. При обтекании пера руля со стороны острой задней кромки на перекладках более 15—20° образуется отрыв пограничного слоя в местах максимальной толщины профиля, что приводит к резкому уменьшению поперечной силы. Напротив, когда руль обтекается со стороны закругленной кромки (при следовании передним ходом), величина поперечной силы остается постоянной вплоть до углов перекладки 35—40°. Кроме того, в этом случае повышается роль корпуса в создании поворачивающего момента; на заднем ходу это взаимодействие будет значительно меньше.