управление судном книга. На якоре 203 Штормовые диаграммы 184186 Штормовые условия в дрейфе

• Название: На якоре 203 Штормовые диаграммы 184186 Штормовые условия в дрейфе
• Анкор: управление судном книга.doc
• Дата: 19.12.2017
• Размер: 3.93 Mb.
• Имя файла: управление судном книга.doc
• Тип: Документы; #12203
• страница: 3 из 66

Глава 2. СВЕДЕНИЯ ОБ УПРАВЛЯЕМОСТИ 2.1. Устойчивость на курсе и поворотливость

Управляемость зависит как от свойств самого судна, определяе­мых комплексом корпус — рулевое устройство — винт и скоростью, так и от внешних условий: ветра, волнения, глубины и рельефа дна при плавании на мелководье, глубины и ширины канала при плавании в узкосшх. Следует особо остановиться на оценке влияния скорости судна на его управляемость, гак как это влияние проявляется неодно­значно. Гидродинамические силы и моменты на руле и корпусе судна пропорциональны квадрату скорости набегающего потока, поэтому при движении судна с установившейся скоростью независимо от ее ибсо- лютного значения, соотношения между указанными силами и момента­ми остаются постоянными. Следовательно, на разных установившихся скоростях траектории (при одинаковых углах перекладки руля) со­храняют свою форму и размеры. Но если в процессе маневра изме­нить частоту вращения винта, то изменится скорость потока, набегаю­щего на руль, расположенный за винтом. При этом момент, создавае­мый рулем, изменится сразу же, а гидродинамический момент на кор­пусе судна будет изменяться медленно по мере изменения скорости самого судна, поэтому прежнее соотношение между этими моментами временно нарушится, что приведет к изменению кривизны траектории. При увеличении частоты вращения винта кривизна траектории увели­чится (радиус кривизны уменьшится), и наоборот. Когда скорость судна придет в соответствие с новой частотой вращения винта, кри­визна траектории снова станет равной первоначальному значению.

Все сказанное выше справедливо для случая штилевой погоды. Ес­ли же судно подвергается воздействию ветра определенной силы, то в этом случае управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем больше влияние ветра на управляемость.

Управляемость характеризуется главным образом двумя свойст­вами судна: устойчивостью на курсе и поворотливостью.

Устойчивость. Устойчивостью на курсе называется способность суд­на сохранять направление прямолинейного движения. Различают два вида устойчивости: собственную и эксплуатационную.

Собственная устойчивость—это способность судна, получившего под влиянием какого-то возмущения некоторую угловую скорость, по­степенно снова приходить в прямолинейное движение (на новом кур­се) без помощи рулевого устройства.

Суда, не обладающие собственной устойчивостью, имеют свойство после прекращения внешнего воздействия без помощи руля вписы­ваться в самопроизвольный поворот большей или меньшей кривизны. Направление поворота определяется направлением первоначального возмущения.

Большинство судов собственной устойчивостью не обладают, т. е. являются в большей или в меньшей степени неустойчивыми.

Эксплуатационная устойчивость — это способность судна сохра­нять заданное направление движения с помощью периодических пере­кладок руля. Очевидно, что эксплуатационной устойчивостью должно обладать каждое судно, но характеристики реальных судов в этом отношении различны, кроме того, у каждого судна эксплуатационная устойчивость зависит от его осадки и дифферента.

Эксплуатационная устойчивость зависит как от степени собствен­ной устойчивости судна, так и от эффективности рулевого устройства.


Степень эксплуатационной устойчивости может характеризоваться отношением среднего значения угла отклонения судна от заданного курса к среднему значению требуемых углов перекладки руля, а также количеством требуемых перекладок в единицу времени. По таким ха­рактеристикам суда могут сравниваться между собой, однако единого критерия для оценки эксплуатационной устойчивости судов пока не установлено. '

Поворотливость. Под поворотливостью подразумевается способ­ность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны.

При отсутствии ветра и других внешних воздействий поворотли­вость определяется характеристиками средства управления и характе­ристиками корпуса судна (включая его посадку).

Из рассмотренного выше видно, что устойчивость судна на курсе и его поворотливость являются противоположными качествами: при улучшении устойчивости на курсе поворотливость ухудшается, и нао­борот. В.то же время оба этих качества являются полезными, поэтому при проектировании судов стремятся найти в зависимости от типа и назначения судна целесообразное сочетание этих качеств.

Процесс поворота судна с переложенным рулем называется цир­куляцией.

Траектория, описываемая судном под влиянием переложенного на определенный угол руля, характеризуется радиусом циркуляция /?_ц. Поскольку при прямолинейном движении /?_ц= оо, то очевидно, что после перекладки руля радиус R_n начинает уменьшаться. После окончания переходного процесса траектория судна по форме прибли­жается к окружности, т. е. радиус приобретает установившееся зна­чение #ц = /?_Уст, так как линейная и угловая скорости, отношением ко­торых определяется значение радиуса, становятся приблизительно постоянными.

Для сопоставимости поворотливости различных судов радиус цир­куляции выражают в безразмерном виде

(2.1)

где R — относительный радиус;

L — длина судна.

Величина, обратная радиусу, называется кривизной. Ее также удобно выражать в безразмерном виде

⁽²²⁾

• 
  у_СТ Ауст К
  

где W — относительная кривизна траектории или безразмерная угловая скорость; с*»уст — установившаяся угловая скорость, рад/с;

Ууст — установившаяся линейная скорость судна, м/с.

Диаграмма управляемости. В качестве важного критерия уп- равляемости судна на тихой воде в теории корабля используется за­висимость относительной кривизны траектории от угла перекладки руля (D=/(6_P) при установившейся циркуляции. Графическое изобра­жение этой зависимости называют обычно диаграммой управляемости.

На рис. 2.1 приведен пример диаграммы управляемости для суд­на, обладающего собственной устойчивостью на курсе. У такого судна каждому значению угла перекладки руля (на правый или на левый борт) соответствует единственное значение относительной кривизны траектории установившейся циркуляции. Если судно обладает симмет­ричной управляемостью вправо и влево, то кривая ш(6_Р) проходит через начало координат. Если же управляемость несимметрична, что нередко встречается на одновинтовых судах, то кривая о(бр) оказы­вается смещенной вправо или влево, а точка пересечения кривой с го­ризонтальной осью указывает требуемое среднее положение руля, при котором обеспечивается прямолинейное движение судна.

Рис. 2.1. Диаграмма управляемости суд­на, обладающего собственной устойчиво­стью на курсе

Рис. 2.2. Диаграмма управляемости суд­на, не обладающего собственной устой­чивостью на курсе
На рис. 2.2 показана диаграмма управляемости судна, не облада­ющего собственной устойчивостью на курсе. Такое судно имеет свой­ства вписываться в самопроизвольную циркуляцию при прямом поло­жении руля. Как показывает диаграмма (см. рис. 2.2), судно при пря­мом положении руля разворачивается вправо по траектории с кривиз­ной -fa) либо влево с кривизной —о.

Для того чтобы в этом состоянии прекратить самопроизвольную циркуляцию, например, вправо, необходимо переложить руль влево на угол — 6л, а для прекращения левой циркуляции необходима пере­кладка руля вправо на угол +6_П.

Углы перекладки руля +б_п и — б_л называются предельными угла­ми обратной поворотливости. При перекладках руля на указанные углы направление поворота меняется на обратное.

Площадь на диаграмме управляемости, ограниченная вертикаль­ными прямыми, проведенными через точки +б_п и —б_л, и участками ветвей диаграммы, называется зоной неустойчивости. В пределах этой зоны каждому углу перекладки руля соответствуют две траектории с кривизной разного знака.

По каждой из этих траекторий судно способно совершать устойчи­вое движение.

Каждому углу перекладки в пределах зоны соответствует еще од­на траектория, кривизна которой определяется штриховой линией (см. рис. 2.2). Однако движение по этой траектории не является устойчи­вым. Для его поддержания необходимо непрерывное регулирование за счет перекладок руля.

Изложенное выше показывает, что диаграмма управляемости дает информацию не только о поворотливости, характеризуемой кривизной траектории, но также и об устойчивости на курсе.

Следует отметить, что иногда по вертикальной оси диаграммы от­кладывают непосредственно угловую скорость (например, град/с) и вместо кривой <о(6р) строят кривую со_уСт(бр). Однако в этом случае диаграмма не дает непосредственной информации о кривизне траекто­рии, так как угловая скорость зависит не только от угла перекладки руля, но и от линейной скорости судна.

2. 
   Движение судна под влиянием переложенного руля
   

За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными. Процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период — маневренный, продолжается в течение времени перекладки руля.

Второй период — эволюционный, начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения.

Третий период — установившийся, начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в пе­реложенном положении.

Переложенный на угол 6_Р руль, как и всякое крыло, развивает подъемную силу — боковую силу руля Яру.

Для получения наглядного представления о воздействии силы на корпус судна приложим в его ЦТ две силы, равные по модулю силе Рр_у и направленные в противоположные стороны, как это показано на рис. 2.3. Эти две силы взаимно компенсируются, т. е. не оказывают влияния на корпус судна, но их совместное рассмотрение с боковой силой руля Рру позволяет понять, что корпус судна одновременно ис­пытывает поперечную силу Р_ру, приложенную в центре тяжести G, и момент боковой силы руля М_р относительно вертикальной оси Z, про­ходящей через ЦТ.

В первый период после начала циркуляции под влиянием попереч­ной силы Рр_у ЦТ судна приобретает боковое перемещение во внеш­нюю сторону циркуляции — обратное смещение. Возникает угол дрей­фа а, а значит и поперечная гидродинамическая сила на корпусе R_Vt направленная внутрь циркуляции. Ее точка приложения в соответствии со свойствами крыла смещена в нос от ЦБС, положение которого при отсутствии большого дифферента можно считать совпадающим с ЦТ судна. Момент силы R_v—М_я в этом первоначальном периоде циркуля­ции имеет тот же знак, что и момент руля М_р, поэтому появляется и начинает быстро возрастать угловая скорость.

В дальнейшем под влиянием поперечной силы /?_у траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т. е. радиус циркуляции, который в начале стремился к бесконечности, на­чинает уменьшаться.




Рис. 2.3. Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начальной стадии цир­куляции

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом Re. каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра циркуляции О свою траекторию, радиус кривизны которой отличает­ся от Rq (рис. 2.4). При этом каждая такая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. В нос от ЦТ углы дрейфа соответственно уменьшаются.

Если из центра циркуляции О опустить перпендикуляр на ДП, то в полученной точке ПП угол дрейфа равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота (ПП).

Полюс поворота при циркуляции для большинства судов распо­лагается вблизи носовой оконечности на расстоянии примерно 0,4 дли­ны судна от ЦТ, принимаемого на мидель-шпангоуте.

Угол дрейфа ЦТ судна на циркуляции:

a = arctg-k*-, (2.3)

*чт

где Inn — расстояние ПП от центра тяжести.

Для произвольной по длине судна точки а угол дрейфа:

«о«arctg ^/ц" ^1а , (2.4)

"оп

где /« — расстояние точки а от ЦТ (в нос знак «+», в корму «—*).

На небольшом участке корпуса от ПП до носового перпендикуля­ра поток воды набегает на корпус со стороны внутреннего борта, по­этому углы дрейфа на этом участке имеют знак, противоположный уг­лам дрейфа на участке от ПП до кормового перпендикуляра, на кото­ром поток воды набегает со стороны-внешнего борта.

Под углом дрейфа на циркуляции подразумевается угол дрейфа ЦТ судна
На судах, имеющих крутую цир­куляцию, угол дрейфа может дости­гать 20° и более.




Рис. 2.5. Типичная траектория цирку­ляции с рулем на борту
Как уже отмечалось (см. 1.1), поперечная сила пропорциональна уг­лу атаки, а так как углы дрейфа воз­растают по длине корпуса в сторону кормы, то точка приложения попереч­ной гидродинамической силы /?_у, т. е. равнодействующей элементарных по­перечных сил, распределенных по кор­пусу, по мере искривления траектории смещается в сторону кормы, а момент силы Мд, постепенно уменьшаясь, в конце концов меняет знак и начинает действовать противоположно моменту руля М_р, т. е. становится демпфирую­щим.

Рост угловой скорости при этом замедляется, а когда моменты M_v и

M_R становятся равными по абсолютной величине, угловая скорость стре­мится к установившемуся значению со_уСт.

При движении по криволинейной траектории возникает центро­бежная сила Р_ц, приложенная к ЦТ судна и направленная по радиу­су циркуляции во внешнюю сторону. Благодаря наличию угла дрейфа эта сила имеет продольную Р_пх и поперечную Р_цу составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила Р?_х) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к не­которому установившемуся значению V_ycT.

Чем лучше поворотливость судна, т. е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем на крупнотоннажных морских судах во время циркуляции с рулем на борту при повороте на 90° скорость снижается приблизи­тельно на Vs, а при повороте на 180°— вдвое.

При небольших углах перекладки руля снижение скорости на цир­куляции невелико.

Наиболее типичная траектория судна на циркуляции с рулем, пе­реложенным на борт, показана на рис. 2.5.

Геометрически траектория характеризуется следующими элемен­тами циркуляции:

выдвиг /| — расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направ­лении первоначального курса от начальной точки Циркуляции до точ­ки, соответствующей изменению курса на 90°;

прямое смещение /₂ — расстояние от линии первоначального курса по нормали до ЦТ судна к моменту изменения курса на 90°;

обратное смещение /₃ — максимальное смещение ЦТ судна от ли­нии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворо­та, происходящее в начале циркуляции под влиянием боковой силы ру­ля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно пе превы­шает ширину судна, а на некоторы судау не наблюдается вовсе);
диаметр установившейся циркуляции D_уст — расстояние между по­ложениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающих­ся на 180° при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180° от начального курса движение приобретает установившийся характер, а траектория принимает форму, близкую к окружности.

Поскольку при выполнении практических маневров обычно не приходится изменять курс более чем на 180°, можно считать, что все маневры выполняются при неустановившемся движении, т. е. в манев­ренном и эволюционном периодах.

2. 
   Влияние параметров корпуса и руля на управляемость
   

На управляемость судна оказывают влияние параметры корпуса, к которым в первую очередь относятся: отношение длины к ^иирине LIB, коэффициент общей полноты б, дифферент, а также форма кор­мовой оконечности, характеризуемая площадью кормового подзора (площадь подреза кормы) /_к.

Площадь f_K (рис. 2.6) ограничивается кормовым перпендикуля­ром, линией киля (базовой линией) и контуром кормы (на рис. 2.6 за­штрихована). В качестве критерия подреза кормы можно использовать коэффициент Ок:


(2.5)
СТц^1 —

Ld

где d — средняя осадка, м.

Параметр о_к является коэффициентом полноты площади ДГ1.

К параметрам руля, существенно влияющим на управляемость, относятся его площадь, форма и размещение.

Форма руля характеризуется его относительным удлинением, оп­ределяемым по формуле,

И*

S_D
(2.6)

где h — высота руля по баллеру, м;

5_Р — площадь пера руля, м*.

Рассмотрим отдельно влияние каждого из перечисленных пара­метров на управляемость.

Отношение LIB. Увеличение отношения L/B приводит к росту со­противления поперечному перемещению (росту поперечной гидроди­намической силы R_v), что приводит к уменьшению угла дрейфа на цир­куляции и, следовательно, к сохра­нению высокой линейной скорости, так как лобовое сопротивление при малых углах дрейфа возрастает не­значительно. Кроме того, возраста­ет демпфирующее влияние гидроди­намического момента Мд, входяще­го в третье уравнение системы (1.1) , Рис. 2.6. К определению площади кормо- что приводит К уменьшению угло­вого подреза: _В0А _СКОрости о (скорости изменения рулем°^б³— °корма*'рулем*зa pSESKS"“ «УР™)- ТаКИМ сбрЗЗОМ, С_УДа С ОТ-

носителыю большим отношением L/B обладают худшей поворотливо­стью и лучшей устойчивостью на курсе.

Коэффициент б. Увеличение 6 приводит к уменьшению силы R_y и уменьшению демпфирующего момента M_Ry а следовательно, к улуч­шению поворотливости и ухудшению устойчивости на курсе.

Дифферент. Увеличение дифферента на корму приводит к смеще­нию ЦБС от миделя в сторону кормы, поэтому возрастает устойчи­вость на курсе и ухудшается поворотливость. С другой стороны, диф­ферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе — судно стано­вится рыскливым, что усложняет маневрирование в стесненных ус­ловиях.

Коэффициент а_К. Суда с большим а_к (малая площадь кормового подреза f_K) обладают худшей поворотливостью и лучшей устойчиво­стью на курсе.

Площадь руля 5_Р. Увеличение S_p увеличивает поперечную силу ру­ля Рру, но в то же время возрастает и демпфирующее действие руля. Практически получается, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки.

Относительное удлинение руля Х_р. Увеличение Х_р при неизменной его площади S_p приводит к возрастанию поперечной силы руля, что приводит к некоторому улучшению поворотливости.

Расположение руля. Если руль расположен в винтовой струе, то скорость натекания воды на руль возрастает за счет дополнительной скорости потока, вызванной винтом, что обеспечивает значительное улучшение поворотливости. Этот эффект особенно проявляется на од­новинтовых судах в режиме разгона, а по мере приближения скорости к установившемуся значению уменьшается.

На двухвинтовых судах руль, расположенный в ДП, обладает от­носительно малой эффективностью. Если же на таких судах установ­лены два пера руля за каждым из винтов, то поворотливость резко возрастает.

2. 
   Влияние боковых сил, обусловленных работой гребного винта
   

Вращающийся гребной винт на движущемся судне совершает од­новременно поступательное движение со скоростью судна относитель­но невозмущенной воды V* и вращательное движение с угловой скоро­стью <d=2ял (п — частота вращения винта, об/с).

В процессе вращения винта условия работы каждой лопасти пе­риодически изменяются. Это связано с близостью поверхности воды при прохождении лопастью верхнего положения, а также с попутным потоком воды, увлекаемым корпусом. Так как кормовая часть корпуса в верхней части имеет более полные обводы, то и скорость попутного потока в верхней части больше, чем в нижней. Кроме того, струя, отбрасываемая винтом, за счет его вращения закручивается. При этом тангенциальные скорости закрученной струи в верхней части меньше, чем в нижней. При вращении винта вперед такая струя взаимодейству­ет с пером руля, а при вращении назад — с кормовой частью корпуса.

Перечисленные условия приводят к тому, что при работе винта, помимо полезной силы упора, возникают нескомпенсированные попе­речные силы, влияющие на, управляемость одновинтового судна (на двухвинтовом судне винты, как правило, вращаются в разные стороны, поэтому возникающие поперечные силы при синхронной работе вин­тов взаимно компенсируются).
Поперечные силы, обусловленные работой винта, разделяются на: силы, связанные с попутным потоком воды; силы реакции воды на винт; силы струи от винта, набрасываемой на руль или на корпус.

Основные закономерности работы гребного винта можно объяс­нить, если рассмотреть движение элемента лопасти, показанного на рис. 2.7 (площадь сечения заштрихована). Этот элемент расположен на радиусе г от оси вращения.

Скорость поступательного движения элемента — аксиальная ско­рость равна скорости судна относительно невозмущенной воды V*, а окружная (тангенциальная) скорость элемента о)г=2ллг. Абсолютная скорость элемента относительно невозмущенной воды равна геометри­ческой сумме аксиальной и окружной скоростей. Элемент лопасти можно рассматривать как крыло, движущееся в воде с углом ата­ки ао. При этом на элементе возникает элементарная гидродинамиче­ская сила dP, пропорциональная углу атаки.

Аксиальная составляющая этой силы dP_x является силой упора рассматриваемого элемента лопасти, а поперечная составляющая dP_y — лобовым сопротивлением этого элемента. Произведение лобо­вого сопротивления на радиус дает момент dM относительно оси вра­щения винта, возникающий на данном элементе.

Если проинтегрировать dP_x и dM по длине лопасти и умножить на число лопастей, то получится соответственно сила упора Р, обес­печивающая поступательное движение судна, и момент на валу М, преодолеваемый двигателем. В реальных условиях за корпусом судна, движущегося со скоростью V_s, возникает попутный поток, средняя скорость которого Av. Благодаря попутному потоку фактическая ак­сиальная скорость винта и_р относительно воды оказывается меньше V« на величину Av, т. е.

(2.7)


/

\

Рис. 2.7. Работа элемента лопасти вращающегося вперед гребного винта при движении судна передним ходом
При этом очевидно (см. рис. 2.7), что действительный угол атаки а_д больше, чем угол атаки относительно невозмущенной воды ао. При возрастании угла атаки от ао до а_д сила dP также увеличивается, а это приводит к увеличению силы лобового сопротивления dP_y.

Рис. 2.8. Работа элемента лопастн вращающегося назад гребного винта при движении судна передним ходом

Напомним, что попутный поток, увлекаемый корпусом судна, име­ет в верхней части ббльшую скорость, чем в нижней, поэтому и углы атаки будут иметь наибольшее значение при прохождении лопастями верхнего положения. Лопасти при этом будут испытывать максималь ное лобовое сопротивление. Поскольку силы лобового сопротивления для лопасти в верхнем и нижнем положениях направлены противопо­ложно, то результирующая этих сил для винта правого вращения стре­мится сместить корму в сторону действий большей силы, т. е. влево.

Если же на движущемся вперед судне винт работает назад, то угол атаки уменьшается (рис. 2.8), а следовательно, уменьшается и сила лобового сопротивления dP_y на каждом элементе лопасти, при­чем в верхнем положении лопастей такое уменьшение выражено силь­нее, чем в нижнем, так как в нижней части скорость попутного потока меньше. Из сказанного следует, что при работе винта назад результи­рующая горизонтальная сила лобового сопротивления лопастей будет направлена в сторону левого борта, т. е. так же, как и при работе вин­та вперед.

Отметим, что при отсутствии хода вперед или при движении судна задним ходом попутный поток отсутствует, поэтому рассмотренная бо­ковая сила в этих условиях не возникает.

Таким образом, на судно с одним винтом правого вращения боко­вая сила, возникающая благодаря влиянию попутного потока, действу­ет только при движении судна вперед и независимо от направления вращения винта стремится сместить корму в сторону левого борта

Кроме попутного потока, на работу винта оказывает влияние и близость поверхности воды, в связи с чем имеет место подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта независимо от направле­ния его вращения. При этом лопасти в верхнем положении при враще­нии испытывают меньшую силу реакции воды, чем к нижнем. Вслед­ствие этого возникает результирующая сила реакции воды, всегда на­правленная в сторону вращения винта. На судно с винтом правого вращения сила реакции воды при работе винта вперед стремится смес­тить корму вправо, а при работе назад—влево. С уменьшением осад­ки кормой и особенно при частичном оголении винта боковая сила ре­акции возрастает.

Для более полной оценки влияния боковых сил на поведение судна нужно еще учитывать взаимодействие винтовой струи с рулем и кор­

пусом судна. Гребной винт при вращении вперед или назад не только отбрасывает поток воды в противоположную сторону, но также и закручивает его, т. е. при­дает потоку не только аксиаль­ную, но и тангенциальную ско­рость. При этом независимо от направления вращения винта в верхней части диска за счет влия­ния близкой поверхности танген­циальная скорость потока мень­ше, чем в нижней.




Рис. 2.9. Действие боковых сил, связанных с работой винта:

а — судно движется вперед, винт вращается впе­ред; б — судно движется вперед, винт вращается назад; в — судно движется назад, винт вращается назад
При работе винта правого вращения на передний ход закру­чивание потока приводит к косо­му натеканию воды на руль. Скос потока в верхней половине струи направлен вправо, а в нижней — влево. При этом скос потока в нижней части благодаря повы­шенной тангенциальной скорости больше, чем в верхней. Следова­тельно, и сила воздействия струи на единицу площади руля внизу боль­ше. Если площадь пера руля, попадающая в струю, распределяется по­ровну между верхней и нижней половинами струи, то на переложенный руль будет воздействовать результирующая сила набрасывания воды, стремящаяся сместить корму влево. Часто на современных судах рули имеют клиновидную форму и располагаются так, что в верхнюю поло­вину струи попадает большая часть площади руля. В этом случае резуль­тирующая сила набрасывания струи на переложенный руль может ча­стично или полностью компенсироваться.

При вращении винта назад закрученный поток воды набрасыва­ется на кормовую часть судна. При этом благодаря закручиванию по­тока против часовой стрелки с правого борта под кормовым подзором создается повышенное давление воды, а с левого борта — пониженное. В связи с перепадом давления результирующая сила — сила набра­сывания струи на корпус всегда направлена влево, т. е. стремится развернуть корму в сторону левого борта.

На рис. 2.9 показаны направления боковых сил, приложенных к кормовой части при различных сочетаниях направлений движения судна и вращения гребного винта, с использованием следующих обо­значений: F_nn — сила, связанная с действием попутного потока; F_pu — сила реакции воды; F_Cp— сила винтовой струи, набрасываемой на руль; F_CK — сила винтовой струи, набрасываемой на корпус.

Для каждого из приведенных на рисунке случаев стрелками по­казаны направление и степень тенденции разворота кормы (прерывно'' тая стрелка — слабая или неустойчивая, тонкая стрелка — четко вы­раженная, жирная стрелка—сильно выраженная тенденция).

Поведение одновинтового судна в каждый момент при выполне­нии различных маневров в штилевую погоду определяется совместным влиянием момента переложенного руля, моментов сил F„_п, F_рц и од­ной из двух сил /*\_Р или F_CK» а также моментом гидродинамической силы на корпусе, обусловленной углом дрейфа.
Отметим некоторые особенности поведения такого судна с винтом правого вращения.

При движении вперед после дачи заднего хода судно обычно на­чинает разворачиваться вправо, постепенно ускоряя поворот. Это про­исходит под действием сил F_nn, F_pil и F_CK, приложенных к кормовой части и направленных в сторону левого борта, т. е. создающих момент вокруг вертикальной оси. При этом даже при значительной скорости переднего хода судно практически не слушается руля.

Если дать задний ход на остановленном относительно воды судне, то корма независимо от положения руля обычно начинает уклоняться влево под влиянием сил F_рц и F_CK. После приобретения скорости зад­него хода некоторые суда начинают реагировать, хотя и слабо, на пе­реложенный руль. Эффективность руля, как правило, возрастает, если при наличии скорости заднего хода застопорить винт, что можно объ­яснить прекращением действия силы набрасывания винтовой струи на корпус Fck

Если на остановленном или движущемся назад судне дать перед­ний ход, то судно обычно хорошо разворачивается в любую сторону после соответствующей перекладки руля.

Отмеченные особенности поведения одновинтовых судов следует рассматривать как наиболее типичные. В то же время встречаются суда, поведение которых может существенно отличаться от рассмот­ренных закономерностей. Значительную роль могут играть и началь­ные условия при выполнении того или иного маневра.

Так, например, при торможении реверсированием двигателя на задний ход судно, не обладающее собственной устойчивостью (см. п. 2.1), может вместо разворота вправо остаться на прежнем курсе или даже начать разворачиваться влево, если непосредственно перед реверсированием имело место зарыскивание в сторону левого борта.

Следует учитывать, что поведение судна может резко измениться под влиянием ветра.

2.S. Управляемость одновинтового судна на заднем ходу

Управляемость судна на заднем ходу, как уже отмечалось в пре­дыдущем параграфе, значительно хуже,^#чем на переднем. Основными причинами этого являются особенности условий работы руля и кор­пуса при движении задним ходом.

Рассмотрим эти особенности.

При движении судна назад с переложенным рулем набегающий поток воды создает поперечную силу на руле Р_ру, направленную в сторону того борта, на какой переложен руль. На рис. 2.10 показано направление этой силы при руле, переложенном влево.


У

Рру Lr | я у



Рис. 2.10. Управляемость на заднем ходу




Для объяснения возникающих при этом явлений приложим в цент­ре тяжести G (см. рис. 2.10) две силы, равные по величине силе Р_ру и направленные в противоположные стороны (такие силы ничего не из­меняют, так как взаимно компенсируют друг друга). Одна из этих сил вместе с силой на руле Р_ру образует пару сил с моментом Р_ру/_р, стремящимся повернуть судно вокруг вертикальной оси, а другая сила, оставаясь нескомпенсированной, вызывает поперечное смещение суд­на. При таком смещении возникает угол дрейфа а, благодаря которо­му на корпусе возникает поперечная гидродинамическая сила R_yt точ­ка приложения которой смещена от центра тяжести в сторогу кормы на величину /_д. Момент этой силы R_yl_H препятствует повороту судна в сторону перекладки руля. Если на переднем ходу момент попереч­ной гидродинамической силы в начале поворота имеет одинаковый знак с моментом руля и, следовательно, способствует повороту (см. рис. 2.3), то на заднем ходу этот момент препятствует повороту.

Кроме указанной причины, отрицательное влияние на поворотли­вость оказывает косое натекание воды на руль, за счет чего эффек­тивный угол перекладки руля б_э оказывается уменьшенным на угол дрейфа а_Р по сравнению с геометрическим углом перекладки 6_Р. На переднем ходу этот эффект сказывается гораздо меньше за счет спрям­ляющего влияния па поток со стороны корпуса, в то время как на зад­нем ходу руль находится по движению впереди, поэтому корпус не оказывает влияния на направление потока в месте расположения руля.

Перечисленными причинами и объясняется в первую очередь пло­хая управляемость судов на заднем ходу.

6. 
   Управление многовинтовым судном
   

Одновинтовые суда по сравнению с многовинтовыми в общем слу­чае имеют более высокий пропульсивный КПД. Однако управление та­кими судами в стесненных условиях (например, в узкостях, при выпол­нении швартовных операций, во льдах и т. п.) намного сложнее. Кроме того, на крупнотоннажных судах с повышенными скоростями техни­чески затруднительно сосредоточить требуемую большую мощность на одном валу. С учетом указанных и некоторых других обстоятельств на крупных пассажирских судах обычно применяются двухвальные силовые установки. Трех- и четырехвальные установки находят приме­нение на быстроходных судах большого водоизмещения и на ледо­колах.

Для обеспечения симметричной управляемости винты двухвинто­вых, а также бортовые винты у трехвинтовых судов имеют противопо­ложное направление вращения. На некоторых двухвинтовых судах для повышения поворотливости устанавливают два пера руля за винтами.

Двухвинтовое судно при выходе из строя одной машины или по­вреждении одного винта может двигаться и управляться с помощью второго винта и руля, а при выходе из строя рулевого устройства со­храняет управляемость с помощью раздельной работы двух винтов.

Двухвинтовое судно может разворачиваться практически на месте за счет работы винтов враздрай. Разворачивающий момент при этом создается не только за счет расположения винтов по разные стороны от ДП, т. е. наличия плеча, но и за счет разности давлений воды у бор­тов кормового подзора, создаваемой противоположно направленными струями от винтов.

К недостаткам двухвиитовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в ДП руля, особенно в случае винтов наружного направления вращения, а также повышенную опасность повреждения винтов, например, о причал во время швартовных опе­раций.

Трехвинтовые суда объединяют в себе маневренные свойства од­но- и двухвинтовых судов.

Контрольные вопросы. I. Какими двумя основными свойствами характеризуется управляемость судна? 2. Какими особенностями характеризуется поведение судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе? 3. Какими периодами характери­зуется процесс циркуляции судна? 4. Как влияет на поворот судна момент попереч­ной гидродинамической силы, приложенной к корпусу? 5. Зависят ли элементы цир­куляции судна от значения исходной установившейся скорости? 6. Что называют пре­дельным углом обратной поворотливости?