Особенности управляемости судов с поворотными насадками

Обновлено: 25.04.2024

Особенности управления и маневрирования судов зависят от технических средств, обеспечивающих управление судном. Основными средствами управ-ления современных водоизмещающих судов являются рули, поворотные насадки, винты регулируемого шага и средства активного управления. На управляемость судна влияет и количество винтов,
Винты, устанавливаемые на судне, могут быть с неподвижными лопастя-ми — винты фиксированного шага (ВФШ), винты с поворотными лопастями (ВРШ), при этом как те, так и другие могут быть левого или правого вращения (шага).
Винтом правого вращения называется винт, который при работе на пе-редний ход вращается по направлению часовой стрелки, если смотреть с кормы на удаляющееся от нас судно. Винтом левого вращения называется винт, кото-рый при работе на передний ход вращается против часовой стрелки.
Выполненный в предыдущих разделах анализ воздействия сил и момен-тов, обусловленных работой винта и перекладкой руля на корпус движущегося судна, позволяет сделать определенные выводы.
9.1. Особенности маневрирования одновинтового судна.

Эффективность руля и его влияние на управляемость возрастает с увели-чением скорости движения судна. Однако для разворота судна на большой 68
скорости требуется и большой угол перекладки руля. В режиме пассивного торможения эффективность руля падает, но достаточна для изменения направ-ления движения судна или удержания его на курсе, в то время как при активном торможении «судно не слушает руля» т.е. наблюдается потеря управ-ляемости.
Силы, возникающие на винте, наиболее ощутимо влияют на поворотли-вость при отсутствии хода. Тем не менее, судно, движущееся передним ходом с рулем, установленным в ДП, стремится уклониться в сторону направления вращения винта. Поэтому, как на переднем, так и на заднем ходу, поворот суд-на в сторону вращения винта, осуществляется быстрее и с меньшим радиусом. Это положение справедливо для судов, движущихся с дифферентом на корму и не имеющих крена. При наличии крена диаметр циркуляции в сторону повы-шенного борта уменьшается из-за перераспределения гидродинамических сил, действующих на корпус судна.
Влияние ветра на движущееся судно проявляется через изменение скоро-сти движения и появление угла дрейфа. Поскольку центр давления и центр парусности в общем случае не совпадают, то судно может либо уваливаться, либо приводиться к ветру. Чаще всего поведение судна зависит от архитектуры надводного корпуса и особенно сильно проявляется у судов, дрейфующих без хода. Такое положение требует от судоводителей постоянного изучения по ведения своего судна при различных скоростях движения и разными курсами относительно ветра.
При маневрировании судна, особенно в стесненных условиях (в узкостях, каналах и при швартовных операциях) судоводитель должен учитывать сле-дующие положения:
на одновинтовом судне среднего тоннажа поворот предпочтительнее вы-полнять в сторону вращения винта;
маневрируя на малых скоростях (при швартовых операциях), для измене-ния направления движения судна следует использовать так называемые «сильные маневры»: реверс двигателей осуществлять на полных маневренных оборотах; руль перекладывать срезу на большой угол; не допускать значитель-ного разгона судна, т. к. эффективность поперечных сил, возникающих на винте, падает с увеличением скорости движения судна; стабилизации судна на курсе или изменения направления движения без разгона использовать им-пульсное воздействие движителя на перо руля — толчок.
Следует особо выделить управление крупнотоннажными судами. Обладая большой массой, эти суда обладают и большой инерционностью, при этом неустойчивы на курсе (как было показано см. раздел 5.1). Для изменения на-правления движения требуется более длительное воздействие возмущающих сил, но если судно пробрело достаточную угловую скорость вращения, потре-буется значительное время для возвращения его к первоначальному курсу. Аналогичное явление наблюдается и при разгоне и торможении судна. Крупно-тоннажные танкеры и балкеры под воздействием ветра проводятся — стремятся выйти носом против ветра, особенно при движения по инерции. На управляе-
69
мость крупнотоннажных судов более заметное влияние оказывают малые глу-бины и ограничения фарватера.

Поворотные насадки, как и рули, предназначены для обеспечения управляемости судна. Самыми эффективными являются поворотные насадки одиночные, устанавливаемые на одновинтовых судах, и с раздельным управлением, или иначе раздельные, перекладываемые независимо одна от другой, используемые на двухвинтовых судах.

По конструктивному признаку различают насадки: без стабилизатора, с неподвижным стабилизатором и с управляемым стабилизатором; по числу опор — с одной опорой в пятке ахтерштевня и подвесные.

Поворотная направляющая насадка (рис. 12) имеет в продольных сечениях форму аэродинамического профиля и охватывает с минимальным зазором лопасти гребного винта. Продольный профиль насадки обращен к гребному винту выпуклой поверхностью, которая образует кольцо диаметром Dн. Передняя закругленная кромка направлена в сторону движения судна так, что площадь Fвх входного сечения насадки превышает площадь Fвых выходного сечения насадки. В свою очередь площадь выходного сечения насадки обычно несколько больше, чем площадь ее наиболее узкого сечения, в котором размещен диск гребного винта. На рис. 12 условно показаны Fвх и Fвых по носкам профиля насадки.

Рис. 12. Элементы поворотных насадок.

1 — насадка; 2—стабилизатор; 3 — пропульсивная наделка.

Поворотная направляющая насадка является не только рулевым органом, но и частью движительного комплекса судна. Ее применение улучшает условия работы движителя.

Особенность действия насадки по сравнению с рулем заключается в возникновении гидродинамических сил, постоянно стремящихся повернуть насадку на угол, больший по отношению к обтекающему ее потоку. Для компенсации вращающего момента этих сил в диаметральной плоскости хвостовой части насадки за винтом устанавливают стабилизатор в виде вертикального крыла высотой hc, шириной bс и площадью fс с симметричным аэродинамическим профилем и размахом, равным диаметру выходного сечения насадки.

Функции поворотной насадки как рулевого органа осуществляются путем ее поворота на оси баллера, в результате чего нарушается симметрия обтекания насадки потоком воды. На насадку начинает действовать боковая сила, величина которой в основном зависит от угла поворота насадки и действия гребного винта, работающего в ней. Поворотная насадка с гребным винтом является единым движительно-рулевым комплексом, и поэтому расчет ее действия как рулевого органа должен основываться на расчете действия гребного винта с насадкой как движителя.

У гребного винта без насадки площадь сечения струи значительно меньше диска винта и уменьшается при возрастании нагрузки на винт. Установка направляющей насадки увеличивает площадь сечения струи; вследствие этого значительно повышается к. п. д. движительно-рулевого комплекса винт — поворотная насадка.

Правильно спроектированная насадка повышает тягу на гаке буксирного судна на 50% на швартовном режиме и до 30—20% — при ходе с буксирным составом.

Последовательность расчета гидродинамических сил, действующих на поворотную насадку со стабилизатором, рассмотрена в работах [3, 8, 11].

Поворотная направляющая насадка (рис. 13) представляет собой кольцевое крыло обтекаемой формы с осью вращения, расположенной на расстоянии хв, равном примерно 1/3 длины насадки от ее входной кромки.

Рис. 13. Поворотная направляющая насадка. 1 — насадка; 3 — ступица; 3 — кольцо внутреннее; 4 — стабилизатор; 5 — пропульсивная наделка; 6 — шпангоут; 7 —стрингер; 8 — наружный стабилизатор.

По конструкции насадки делятся на литые и лито-сварные. Поворотные насадки, литые из стали или цветных сплавов, имеют Dн < 1000 мм. Насадки диаметром больше 1000 мм изготовляют сварными или лито-сварными.

Поворотная направляющая насадка состоит из следующих основных деталей: собственно насадки, ступицы, кольца, стабилизатора с пропульсивной наделкой.

Насадка пустотелая состоит из каркаса, имеющего шпангоуты и стрингеры, внутренней и наружной обшивки. С внутренней стороны насадки, в районе диска гребного винта, в обшивку вварено утолщенное цилиндрическое кольцо, которое на некоторых морских судах изготовляют из нержавеющей стали.

Насадку снабжают стабилизатором, который представляет собой крыло обтекаемой формы малого удлинения; его выполняют сварным пустотелым, состоящим из поперечных ребер, вертикальных диафрагм и обшивки, подобно перу руля. Стабилизатор крепят к внутренней обшивке насадки.

Соединение насадки с баллером осуществляется при помощи горизонтальных фланцев и болтов или конуса, шпонок и гайки.

Руль или поворотная насадка (в дальнейшем будем называть «рулевой орган») должен обеспечивать управляемость судна в любых условиях эксплуатации. Под управляемостью понимают способность судна быть поворотливым и устойчивым на курсе. Поворотливостью называется способность судна изменять направление движения при перекладке руля, а устойчивостью на курсе — способность судна сохранять избранное (заданное) направление движения при неизменном положении руля. Эти два противоположных качества характеризуют степень управляемости судна.

Схема действия сил во время работы руля показана на рис. 2. При установившемся прямолинейном движении судна и отсутствии бокового ветра, волнения, течения и тому подобных факторов корпус судна и руль симметрично обтекаются встречным потоком воды. В этих условиях на них действуют две взаимно уравновешиваемые силы — упор движителя Рв и сопротивление воды R (рис. 2, а). При отклонении руля от диаметральной плоскости на какой-либо борт характер обтекания будет нарушен (рис. 2,6). Поток воды встретит препятствие — руль. В результате этого возникнет сила Р гидродинамического давления: точка приложения этой силы называется центром давления воды на руль. Под действием силы Р судно начнет отклоняться от прямолинейного курса.

Рис. 2. Схема действия сил во время работы руля.

При движении судна по криволинейной траектории (рис. 2, в) появляется центробежная сила, при этом результирующий вектор v является касательным к траектории.

На рис. 3 изображено судно, движущееся прямолинейно до того момента, когда для изменения его курса руль от положения, совпадающего с диаметральной плоскостью, начнет совершать принудительное отклонение в правую сторону. Траектория движения центра тяжести судна и оконечностей корпуса характеризует движение судна в случае, если руль при начавшемся повороте вправо будет переложен на угол αp и останется в этом положении во все время дальнейшего движения судна.

Как видно из рисунка, центр тяжести судна в начале маневра перемещается несколько влево, т.е. в сторону, противоположную отклонению руля, а затем вправо по кривой с уменьшающимся до известного предела радиусом кривизны. Одновременно диаметральная плоскость судна, совпадающая первоначально с направлением скорости поступательного движения судна, сразу начнет отклоняться по направлению к центру кривизны траектории, описываемой центром тяжести судна.

Это отклонение, измеряемое углом β, составленным направлением вектора скорости и центра тяжести судна и его диаметральной плоскостью, будет увеличиваться до тех пор, пока движение судна не станет установившимся, при котором угол β и радиус кривизны Rц постоянны. Угол β носит название угла дрейфа судна. Угол дрейфа считается положительным, если вектор скорости направлен наружу от центра циркуляции, и отрицательным, если вектор скорости направлен внутрь центра циркуляции. Траектория движения центра тяжести судна называется циркуляцией. Этим же термином часто обозначают процесс поворота судна.

Процесс движения судна во время циркуляции может быть разделен на три периода:
маневренный (участок кривой I—II), по времени совпадающий с продолжительностью перекладки руля, т. е. от начала перекладки руля до отклонения его на заданный угол; как указывалось выше, этот период характеризуется смещением судна в сторону, противоположную направлению перекладки руля;
эволюционный (участок II—III), или период неустановившегося движения на циркуляции, который начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда угол дрейфа β станет максимальным, а радиус циркуляции Rц минимальным. В конце этого периода наступает равновесие всех сил, действующих на судно, скорость перемещения центра тяжести судна по траектории становится постоянной, а сама траектория превращается в окружность;
установившаяся циркуляция — период, который начинается с момента окончания второго периода и продолжается все время, пока руль находится в заданном положении. Судно совершает движение по кругу, причем оно имеет собственное вращательное движение вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести (рис. 3). Вследствие этого точки, образующие носовую оконечность корпуса, описывают окружности меньшего радиуса кривизны, чем точки, образующие кормовую оконечность. Траекторию движения судна в третий период принято называть установившейся циркуляцией; угол дрейфа β и радиус кривизны Rц представляют собой постоянные величины.

Рассмотрим действие основных сил, возникающих при работе руля.

В начальный момент, когда судно движется еще по прямой, схема действия сил очень проста, поскольку сила упора Рв, развиваемая движителями, уравновешивается сопротивлением воды движению судна R (см. рис. 2, а). При перекладке руля к указанным силам добавляется сила Р давления воды на руль, изменяющая характер движения судна и вызывающая появление ряда других сил.

Пользуясь приемами теоретической механики, приложим к центру тяжести судна две взаимно противоположные силы, равные и параллельные силе Р. Одна из них (на рис. 2, б отмечена двумя штрихами) образует с силой давления на руль пару сил, вращающих судно. Другую разложим на две составляющие Р1 и Р2, первая из которых тормозит поступательное движение, а вторая вызывает боковой снос. При этом увеличивается лобовое сопротивление воды R.

Момент вызывает поворот судна вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести G. Благодаря этому судно изменяет курс, переходя с прямолинейного на криволинейный путь, и затем совершает круговое движение с вращением относительно своей вертикальной оси.

В начальный момент перекладки руля действие момента проявляется сравнительно слабо, так как значительное сопротивление повороту оказывает инерция судна и самый момент M1 не сразу достигает достаточно ощутимой величины. Поэтому несмотря на наличие вращающего момента судно в начале маневренного периода смещается под действием силы Р2 в сторону, противоположную направлению перекладки руля.

В процессе неустановившегося движения на циркуляции сила Р и момент М1 большого изменения не претерпевают, так как руль удерживается в заданном положении. Действие составляющей силы P2 компенсируется возросшей угловой скоростью со судна вокруг собственной вертикальной оси; благодаря скорости со судно постепенно начинает получать смещение в нужном направлении.

Между силами, действующими на судно в этот период движения, равновесие не достигается. Угол дрейфа β и угловая скорость со продолжают возрастать, причем увеличение последней обусловливается тем, что момент т сопротивления воды повороту корпуса судна еще не достигает величины, равной M1.

Собственное вращательное движение судна определяется равенством
М1 = Iω' + m,
где I — полярный момент инерции массы судна; ω' —угловое ускорение, приобретаемое судном вследствие того, что М1 > m.

При переходе к установившемуся движению на циркуляции силы, действующие на судно, уравновешиваются (включая и центробежную силу); моменты M1 и m уравниваются; угловая скорость достигает постоянной величины и остается в дальнейшем неизменной гак же, как и угол дрейфа β.

Произведенный анализ движения судна и сил, возникающих в процессе работы руля, позволяет сделать следующие выводы.

Точный математический учет всех факторов, влияющих на управляемость судна, очень труден. Отклонение руля сопровождается изменением основного сопротивления R и появлением ряда дополнительных сопротивлений R0 и т (см. рис. 2,6), которые тоже, изменяются, поскольку установившийся режим наступает лишь в последующий период движения, т. е. при установившейся циркуляции.

Существуют критерии управляемости: диаметр Dц круга, по которому перемещается центр тяжести судна при установившемся движении, называемый диаметром установившейся циркуляции, или расстояние Dт, измеряемое между двумя положениями центра тяжести, которые отмечены за время поворота судна на 180° (см. рис. 3), и называемое тактическим диаметром циркуляции. Чем меньше размеры Dц и Dт, тем лучше поворотливость судна.

Поворотливость судна считается удовлетворительной, если для морских и смешанного плавания транспортных судов Dц ≈(2 — 4)L, а для судов, оборудованных поворотными насадками, Dц ≈ (1,2 — 2,0)L (L —длина судна).

Основная величина, влияющая на все критерии управляемости судна, — момент М\, возникающий при отклонении руля и определяемый равенством
М1 = Рl (2)
где Р — сила давления потока, набегающего на руль; l — плечо, представляющее собой длину перпендикуляра, опущенного из центра тяжести судна на направление силы Р (см. рис. 2,6).

Если с известным приближением считать, что центр тяжести делит длину судна пополам, то
l = 0,5L cos αр + г0, (3)
где г0 — расстояние от оси вращения руля до центра давления воды на руль (см. рис. 2,6).

Так как г0 по отношению L/2 составляет малую величину, им пренебрегают. Тогда
M1 = Pl ≈ 0,5PL cos αр. (4)
Из выражения (4) следует, что момент М1, вращающий судно, зависит от угла отклонения руля αр и от силы Р, которая, в свою очередь, является функцией угла αр.

Назначение рулевого устройства. Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна и безопасности его плавания при воздействии ветра, течения и волн, а также для маневрирования в узких фарватерах, портах и при расхождении судов в море.

Основное назначение рулевого устройства — обеспечение управляемости судна. Для этого необходимо создать вращающий момент, заставляющий судно повернуться (в зависимости от направления момента) в ту или иную сторону вокруг вертикальной оси, проходящей через его собственный центр тяжести. Это осуществляется самостоятельным или совместным действием руля, поворотной направляющей насадки, гребных винтов, водометных движителей, крыльчатых движителей, винтовых поворотных колонок, подруливающего устройства и т. п.

Элементы рулевого устройства. Рулевое устройство состоит из следующих основных элементов:
— пера руля или поворотной насадки, т. е. рулевого органа, непосредственно обеспечивающего управляемость судна;
— петель, крепящих перо руля к корпусу судна;
— баллера—вала для поворота руля (насадки);
— замка, соединяющего перо руля (насадку) с баллером;
— подшипников баллера, служащих его опорами;
— румпеля (или сектора), т. е. рычага, закрепленного на баллере руля (румпель входит в состав рулевой машины);
— рулевой машины-механизма, включающей комплекс передач и двигатель, которые обеспечивают создание момента на баллере руля (насадки) для его вращения;
— системы управления рулевой машиной (для связи поста управления судна с механизмом рулевой машины); система управления может быть простой, следящей и автоматической;
— аварийного и запасного рулевых приводов, используемых при выходе из строя основного рулевого привода;
— указателя положения руля — аксиометра, показывающего угол перекладки руля;
— ограничителя перекладки руля.

На рис. 1 показана схема рулевого устройства с двумя рулями и электрогидравлической рулевой машиной.

Рис. 1. Рулевое устройство (продольный разрез).

1 — перо руля; 2 — штырь; 3 — рудерпис; 4 — конусное соединение пера с баллером; 5 — баллер; 6 — электрогидравлическая рулевая машина; 7 — румпель; 8 — верхние подшипник; 9 — цинний подшипник; 10 — настил румпельного помещения.

ПВК представляют собой гребной винт, направление тяги которого может изменяться на 360° за счет поворота относительно вертикальной оси. Применяются в качестве главных движителей на судах, к управляемости которых предъявляются особенно высокие требования, но скорость которых невелика (плавкраны, портовые буксиры, пожарные суда). Как вспомогательное движительно-рулевое устройство ПВК используются на судах, на которых по условиям работы необходимо длительное время удерживаться на месте в открытом море (кабелеукладчики, океанографические суда, плавучие буровые установки и др.). В этом случае ПВК являются подруливающими устройствами навесного типа.

Улучшение маневренных характеристик судна, оснащенного ПВК, достигается за счет возможности изменения силы тяги по направлению и величине.

Раздельные поворотные насадки (РПН).

Поворотная насадка - это стальное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше чем выходного. Гребной винт располагается в наиболее узком ее сечении. Поэтому увеличивается скорость протекания жидкости через сечение винта и, следовательно, повышается его КПД. Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль, причем в этом качестве насадка имеет большую эффективность, чем обычный руль, поскольку боковая сила, разворачивающая судно, создается за счет изменения направления силы тяги винта, которая существенно больше боковой силы руля.

РПН устанавливаются на двухвинтовых судах и имеют конструкцию привода, позволяющую выполнять раздельную их перекладку. РПН установлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Разворотом поворотных насадок и изменением силы тяги винтов можно приложить боковую силу к любой точке ДП в пределах корпуса судна и вне его:

*
винты работают враздрай, РПН переложены внутрь:

В этом случае боковая сила Ру приложена к ДП вне корпуса судна и создает значительный разворачивающий момент за счет увеличения плеча ее действия; судно быстро разворачивается влево совместно с перемещением ЦТ судна вправо;

* винты работают враздрай, РПН переложены наружу:

В этом случае боковая сила приложена к ДП внутри корпуса и вызывает боковое перемещение судна влево совместно с разворотом вправо. Если точку приложения силы совместить с ЦТ, то будет наблюдаться чистое боковое перемещение без разворота.

Из новых средств управления следует выделить двойные рули Шиллинга, позволяющие изменить направление тяги винтов на 360˚, движительно-рулевые комплексы типа «Азипод» и «Трипод», рули Беккера-Ястрема.

Способы улучшения маневренных характеристик судна при использовании якорного устройства.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: