Влияние подруливающих устройств на маневренность судна

Крупнотоннажные грузовые и пас­сажирские суда оборудуют под­руливающими устройствами (табл. 4), предназначенными для улучше­ния управляемости судна при вы­полнении маневров на малых скорос­тях.

Сила упора подруливающего уст­ройства, Н,

Л, =о(3".

где Q — плотность воды, кгIм³;

О — расход воды в трубе подруливаю­щего устройства, мУс;

v - - скорость вытекания воды из трубы подруливающего устройства, мIс.

Наибольший упор подруливаю­щее устройство создает при отсут­ствии хода судна, т. е. именно тогда, когда руль судна малоэффективен. Эффективность подруливающего устройства падает с увеличением скорости движения судна, так как выбрасываемая из тоннеля струя срывается набегающим на судно потоком воды. Влияние скорости хода на силу упора подруливающего устройства зависит от типа судна, однако действие подруливающего устройства заметно сказывается при скорости до 10 кмIч.

Используя подруливающее уст­ройство, можно ускорить или за­

медлить боковое смещение носовой или кормовой части судна, развер­нуть судно на месте, а также осуществить движение лагом.

При одновременном действии но­сового и кормового ПУ (рис. 37, а) они создают следующие поворачива­ющие моменты:

А1„=ЛЛн; M =P.

где Ру, I\ — упор соответственно носового и, кормового подруливающих устройств;

Ly L„ — расстояние от ц. т. судна до оси соответствующего подрулива­ющего устройства.

Носовое ПУ перемещает носовую часть судна в сторону его упора, а корму — в противоположную сто­рону. Кормовое ПУ действует ана­логично. Когда носовое и кормовое ПУ включены в противоположные сторо­ны, судно под действием суммарного поворачивающего момента от обоих подруливающих устройств развора­чивается на месте (см. рис. 37, а). Если же оба подруливающих устро-ства включены на один борт, то судно начинает двигаться лагом под дей­ствием суммарных сил упора Рн+Рк-

Движение судна лагом можно обеспечить посредством носового подруливающего устройства, работы гребных винтов враздрай и пере­кладки рулей. Для того чтобы судно сместилась лагом вправо, винты включают на работу враздрай, рули

Таблица 4. Характеристики подруливающих устройств

Судно	Число и тип подруливаю­щего устрой­ства	Тип движи­теля подру­ливающего устройства	Мощность электродви­гателя, кВт	Сила упора подруливаю­щего устрой­ства, Н	Удельная си, ла упора, НIкВт
«Валериан Куйбышев» «Владимир Ильич» «Максим Горький» «Родина»	2 (носовое и кормовое) 1 (носовое) 1 (носовое) 1 (носовое)	Крыльча-тый Винт Пропеллер­	140, 0 220, 0 160, 0 50, 0	19600 19600 4900	89 122 98
		ный насос
«Октябрьская революция»	1 (носовое)	Крыльча-тый	53, 0
«Волго-Дон»: проекта № 507 проекта № 507 А	1 (носовое) 1 (носовое)	Пропеллер­ный насос То же	47, 5 90, 0	7350 13200	155 147

 

Рис. 37. Схема сил и моментов сил, возникающих под воз­действием подруливающих устройств, винтов и рулей

перекладывают на левый борт, а подруливающее устройство вклю­чают вправо (рис. 37, б). Частоту вращения винтов задают такую, чтобы упоры левого Faai и правого I два винтов были равны и судно не имело хода ни вперед, ни назад, а угол перекладки рулей подбирают таким образом, чтобы судно не имело вращательного движения. Так, теп­лоход типа «Октябрьская револю­ция» движется лагом, если частота вращения винта, работающего на передний ход, составляет 142 обIмин, винта, работающего на задний ход, — 178 обIмин, рули при этом переложе­ны на 19°. Для выполнения циркуля­ции (см. рис. 37, в) гребные винты включают на работу враздрай в сто­рону поворота, носовое ПУ включают в сторону поворота, рули также перекладывают в эту сторону. В та­ком случае поворачивающие мо­менты от работы винтов, действия ПУ и рулей будут направлены в одну сторону и обеспечат вра­щательное движение судна практи­чески на одном месте. Общий поворачивающий момент при этом будет равен сумме, всех моментов:

Моб=Л1«+Л1н+Мк+Л1ру.

8. Маневренные качества судов водометных и с динамическими принципами поддержания

Водометный движитель, являясь гидрореактивным, создает силу упора вследствие реакции потока воды,

выбрасываемого из выходного отвер­стия — сопла. Транспортные суда с водометными движителями стро­ятся. с осадкой от 0, 25 до 0, 8 м, а технические — с осадкой до 1, 6 м.

В большинстве случаев водо­метные движители устанавливают в сочетании с рулевым комплексом, который обеспечивает управление и реверс вследствие изменения направления выброса воды. Суда с водометными движителями имеют намного меньшую осадку, чем винто­вые. Они обладают хорошими ма­невренными качествами. У всех судов с водометными движителями, имею­щих различные типы рулей и засло­нок, время гашения инерции с «Пол­ного вперед» до «Полного назад» составляет 9—12 с, длина пути, проходимого за "это время, 13— 20 м. Большинство водометных движителей имеет более низкий к. п. д. гребных винтов. На заднем ходу управляемость водометных судов лучше, чем винтовых. Плохая управ­ляемость у судов с коробчатыми рулями и дефлекторами.

Маневренные качества судов с ди­намическими принципами поддержа­ния значительно отличаются от маневренных качеств водоизмещаю-щих судов. На речном флоте к судам с динамическим принципом поддер­жания относятся суда на подводных крыльях (СПК), глиссирующие суда (ГС) и суда на воздушной подушке (СВП). По своим ходовым качествам суда этого типа значительно превос-

Рис. 38. Схема сил, возникающих под воз­действием подводного крыла судна

»

ходят водоизмещающие суда, поэто­му их принято относить к категории скоростных.

Подводное крыло судов на под­водных крыльях, имеющее обычно сечение аэродинамического профиля, располагается относительно горизон­тальной плоскости под определенным углом атаки а (рис.. 38). При движении крыла на него действует встречный поток воды со скоростью uo, образуя гидродинамическую силу R, которая раскладывается на верти­кальную составляющую Y, называе­мую подъемной силой, и горизонталь­ную составляющую Х — силу лобово­го сопротивления. Выпуклость верх­ней части крыла вызывает увеличе­ние скоростей обтекания, образова­ние зоны пониженного давления над крылом и увеличение давления на нижнюю. плоскость крыла. Таким образом, общая подъемная сила крыла будет зависеть от следующих факторов: угла атаки а, скорости встречного потока воды Uo (скорости судна) и разИости скоростей потока, обтекающего крыло сверху и снизу, и\—уч. Поэтому при эксплуатации СПК надо соблюдать следующие основные правила: не допускать загрузки судна с дифферентом на нос, уменьшающим угол атаки крыла, и обеспечивать скорость судна, необходимую для образования достаточной скорости встречного потока.

При нормальных эксплуатаци­онных условиях СПК общая подъ­емная сила крыла, Н,

У=Су(с I2)5;

лобовое сопротивление, Н, =c (e I2)S,

где Су, Сд. — опытные гидродинамические коэффициенты (определяются в аэродинамической трубе или опытовом бассейне);

О — плотность воды, кгIм³;

v — скорость потока, мIс;

S — площадь крыла, м².

При установившемся движении СПК подъемные силы носового и кормового крыльев уравновешива­ют вес судна, и оно движется в режиме «на крыльях».

Различают три режима движения СПК: на корпусе, переходный, на крыльях. Движение СПК на корпусе осуществляется при небольшой ча­стоте вращения винтов (700— 1000 обIмин). При дальнейшем повышении частоты вращения увели­чивается подъемная сила крыльев, корпус судна начинает глиссировать и постепенно выходит из воды. Период перехода из водоизменяюще-го положения в положение на крыльях называется переходным ре­жимом. Время выхода СПК на крылья зависит от типа судна, его загрузки, крена и дифферента, состояния водной поверхности, нали­чия течения и ветра. Выход на крылья ускорять или затягивать нельзя, так как это ведет к перегрузке двигателя и быстрому его изнашиванию. Для СПК типа «Ракета» рекомендуется ступенчатый режим выхода на крыль­ях, когда после каждого увеличения частоты вращения движителя не­обходимо давать определенную вы­держку по времени (табл. 5).

Увеличить частоту вращения дви­гателя можно и плавным перемещени­ем рукоятки подачи топлива, но при любом способе время выхода на крылья у СПК типа «ракета» не должно превышать 2 мин, типа «Метеор» — 2, 5 мин. Выход на крылья осуществляют на прямом курсе, избегая чрезмерных перекла­док руля, при отсутствии крена и дифферента. Перед выходом не­обходимо убедиться в том, что на

Та б л и ц а 5. Режимы движения СПК типа «Ракета»

Характеристика движения	Частота вращения двигателя, обIмин	Скорость судна, WfIч	Выдержка времени, с
начальная	конечная
Устойчивый ход на корпусе с образованием волн от форштевня Ход на корпусе, возникает диф­ферент на корму (до 2°), точка образования носовых волн смеща­	700 1100	1100 1200	18—25 25—35	20—25 20—25
ется к середине судна, закрылки
выходят из воды
Глиссирование, выход на носо­вое крыло, дифферент увеличива­ется до 4°			35—45	25—30
Вы ход на крылья, дифферент исчезает			45—50	15—20
Устойчивое движение на кры­льях	. 1450		50—60	15—20

 

крыльях и закрылках отсутствуют посторонние предметы.

Управляемость СПК при движе- нии на крыльях характеризуется повышенной чувствительностью суд­на к перекладке руля. Диаметр циркуляции СПК по сравнению с диаметром циркуляции водоизме-щающих судов резко увеличивается (в 2—3 раза) с увеличением скорости (табл. 6). При ходе на крыльях угловая скорость судов после пере­кладки руля очень быстро достигает значения установившейся скорости,

т. е. повороты выполняются практи­чески с постоянной угловой скоро­стью.

При выполнении циркуляции с пе­рекладкой руля на угол более 20° кормовая часть корпуса судна начи­нает касаться воды, резко возрастает сопротивление воды движению, дви­гатель испытывает перегрузку, сни­жается частота его вращения, и теп­лоход переходит в режим движения на корпусе. Чтобы избежать этого, руль нужно перекладывать плавно на 10—12° у теплоходов типа «Ракета»

Таблица 6. Маневренные характеристики СПК, СВП и ГС (по данным натурных испытаний)

	Диаметр циркуляции, м, при режиме движения	Разгон	Выбег	Торможение
Тип судна			Дли­		Дли­		Дли­
	на корпусе	на крыльях	на пути,	Вре­мя, с	на пути,	Вре­мя, с	на пути,	Вре­мя, с
			м		м		м
«Ракета»	50—80	160—190	Нет
(СПК)			свел.
«Беларусь»	40—90	250—300	Го же	Нет		Нет		-Нет
(СПК)				свед.		свед.		свед.
«Метеор»	140—175	525—600		. 120
(СПК)
«Комета»
(СПК)
«Зарница»	100—110	180—200
(СВП)
«Орион»	—	150—180		. 80
(СВП)

 

Рис. 39. Схема подъемного аппарата СВП:

1 — сопла горизонтального движения; 3 — етаби-лиэаторы; 3 — двигатель; 4 — горизонтальные рулн:

5—кольцевое сопло

и 20—25° у судов типа «Метеор». Если необходимо выполнить крутой поворот и резко переложить руль, следует уменьшить частоту вращения движителя.

Несмотря на большую скорость движения у судов на подводных крыльях быстро гасится инерция, как только корпус начинает касаться воды (см. табл. 6). Возможность быстрого гашения инерции позволяет выполнять маневры, заканчивающие­ся остановкой судна (привалы, шлюзование и др.), на более высоких скоростях, чем у водоизмещающих судов.

При ходе на крыльях суводи, майданы, прижимные и свальные течения практически не оказывают влияния на управляемость теплохо­дов. При движении по взволнованной поверхности судно испытывает толч­ки, удары, ухудшается и его устойчи­вость на курсе. Для ослабления силы этих ударов необходимо снижать скорость.

Сфера применения судов на воздушной подушке определяется экономическими показателями их работы. При этом надо учитывать

Рис. 40. Схемы судов на воздушной подушке

возможность их круглогодовой эксп­луатации, а также работы на недоступных для СПК мелководных и извилистых реках. Суда со статической воздушной подушкой поднимаются и удерживаются над водой слоем сжатого воздуха, нагне­таемого под корпус вентиляторами или другими нагнетателями (рис. 39). При этом вес судна уравновеши­вается равнодействующей сил давле­ния сжатого воздуха под корпусом.

Для умейьшения подачи воздуха, нагнетаемого под корпус судна, у судов с полным отрывом от воды (рис. 40, а) (амфибийного типа) по периметру устанавливают гибкое ограждение — «юбку» из прочных синтетических материалов. У судов с неполным отрывом отводы (рис. 40, б) и без отрыва от воды (снегового типа) «юбки» устанавливают в пе­редней части корпусов судов, а по бортам — продольные кили — скеги. К СВП амфибийного типа относятся «Нева», «Сормович», а скегового типа — «Зарница», «Орион».

9. Влияние внешних факторов на движущееся судно

Влияние ветра. Ветер оказывает наиболее неблагоприятное воздей­ствие на движение и маневрирование судов, особенно тех, которые имеют большую высоту надводного борта и высокие надстройки. Степень и характер воздействия ветра на судно зависят от многих факторов, основными из которых являются:

площадь парусности судна и распо­ложение его центра, отношение высоты надводного борта к осадке судна, сила ветра и его направление относительно ДП судна, курс судна относительно направления ветра и его скорость.

Чем сильнее влияние ветра, тем больше дрейф (перемещение) судна и тем большую ширину ходовой поло­сы В оно занимает в процессе движе­ния (рис. 41). Это необходимо учиты­вать при расхождении судов, особен­но в стесненных путевых условиях.

Течение

Рис. 46. Схема образования поворачивающе­го момента от воздействия течения

При прохождении по участкам с сильным свальным течением реко­мендуется удерживать судно с боль­шой поправкой на течение (в сторону течения) или же значительно увели­чивать его скорость.

Кроме общего сноса судна с курса и изменения его скорости, течение вызывает вращательное движение судна. Это особенно важно учиты­вать при выполнении циркуляции, привалов и других маневров.

Рассмотрим случай образования поворачивающего момента от воздей­ствия течения, направленного под встречным курсовым углом к движу­щемуся судну (рис. 46). Сила течения Рт, приложенная в ц. д. подводной части корпуса судна, раскладывается на две составляю­щие силы: боковую Рту и продольную Ртх. Приложим в ц. т. судна две равные и направленные противопо­ложно силе Рту силы рт) и Рту Пос­ледние образуют с плечом Iт пару сил, под действием которых возникает поворачивающий момент Мт==Рту1-г. Во избежание вращательного движе­ния судна необходимо переложить руль, создав момент Мру противопо­ложного направления.

В практике маневрирования при одновременном воздействии ветра

и течения судоводители используют принцип удержания судна на линии равнодействующей этих сил или с небольшим отклонением его в сто­рону желаемого смещения. Равно­действующую судоводитель опреде­ляет визуально и весьма прибли­женно. Успех маневрирования при таких обстоятельствах, как правило, зависит от профессионального ма­стерства судоводителя.

Влияние мелководья и близости берега. При движении судна по мелководью наблюдается увеличе­ние его осадки, что создает опасность удара корпуса о грунт. Явление приращения осадки судна при его движении называется просадкой, или динамической посадкой.

Основная причина возникновения просадки — уменьшение гидродина­мических сил поддержания корпуса судна на мелководье вследствие увеличения скорости протекания потока воды между днищем судна и грунтом. Чем меньше расстояние от днища судна до дна и чем больше скорость судна, тем больше скорость протекания воды под корпусом и просадка (рис. 47). При малом запасе воды под днищем, т. е. когда (ЯIТ)<(1, 2—1, 5), и движении суд-^на с_критической скоростью (v= = gff) возможно не только каса­ние грунта, но и кратковременное присасывание небольших судов ко дну.

Предположим, что при движении судна по глубокой воде (на рис. 47 положение I) поток встречной воды протекает под днищем корпуса со скоростью vq. При этом гидродина­мическая сила поддержания судна Ро равномерно действует по всей площади днища и обеспечивает плавучесть судна с одинаковой

Рис. 47. Схема образования просадки судна

осадкой носовой части и кормы (Тко==Т„д). Когда судно начинает входить на мелководье (положение II), сопротивление воды в носовой части возрастает, а скорость протека­ния встречного потока под днищем и\ увеличивается (u\ Vo}. Вследствие этого гидродинамическая сила под­держания корпуса Р\ уменьшается и вызывает образование дифферента судна на корму (Тк1 Гн,). При дальнейшем уменьшении запаса во­ды под корпусом движение судна (воложение III) сопровождается увеличением скорости протекания воды под днищем (v<i v\) и умень­шением сил поддержания (P2<Pi). При этом дифферент судна на корму увеличивается (Ткз Тк,) и судно получает некоторое общее прираще­ние осадки.

Дальнейшее движение судна в условиях минимальных глубин (по­ложение IV) и с высокой скоростью характеризуется увеличением общего сопротивления воды движению судна R, образованием большой придонной волны у его кормы и максимальной общей просадкой судна. В этом случае общая осадка судна по миделю Тсрз значительно превышает осадку судна при движении по глубокой воде Терц.

Просадка Д Т зависит от соотно­шения скорости и, осадки Т судна и глубины судового хода Н, а также от обводов корпуса судна. Она может быть определена методом натур­ных испытаний или расчетом.

Приращение осадки кормы судна ДТк, м, при движении на мелководье определяют по формуле П. Н. Шанчу-рова:

для (ЯIГ)<1, 6, ____ Д Гк=0. 00135feu²Ig [ 16, 43- (Ll В) ] - fTIJT;

для (НIТ) \, 6 ____ T =0, 00\\2kv²Ig[\6AЗ-(LIB)] TTH,

где k — коэффициент [принимаемый при 5<(LIB)<7 для винтовых судов равным 1, 15, для колесных— 1, 1;

при 7<(LIB)<. 9 для винтовых судов — 1, 1, для колесных — 1, 05];

v — скорость судна относительно бере­га, мIс;

g — ускорение свободного падения, мIс²;

Т — осадка, м;

Н — глубина судового хода, м.

При отношении (НIТ)- \, 4 общее приращение осадки, м, удобно опре­делять по формуле Г. И. Сухо-мела и В. М. Засса:

T==mv\

где m — коэффициент, зависящий от отно­шения длины судна L к ширине его корпуса В;

v — скорость судна, кмIч.

Значения отношения LIB и соот­ветствующие им значения коэффици­ента m следующие: 3, 5 и 0, 0038;

4 и 0, 0029; 5 и 0, 0023; 6 и 0, 0020;

7 и 0, 0016; 8 и 0, 00145; 9 и 0, 00126.

Мелководье, неровности дна, бли­зость берега или откоса канала значительно ухудшают устойчивость судна на курсе, вызывают рыскли­вость и потерю скорости. Рыскли­вость судна на мелководье возникает из-за неравномерности давления гидродинамических сил на подвод­ную часть корпуса. Вследствие разности давлений со стороны левого и правого бортов судно произвольно отклоняется (отрыскивает) носовой частью в сторону меньшего сопро­тивления воды, т. е. в сторону глубокого места. Кроме того, движе­ние но мелководью происходит при малом запасе воды под днищем судна и сопровождается возникновением так называемой придонной волны, которая увеличивает скорость попут­ного потока и снижает действие руля.

При движении судна вблизи «обрезных песков», берега или откоса канала (рис. 48), помимо гидроди­намических сил Pi в зоне повышенно­го давления, вызывающих отталкива­ние носовой части, могут возникнуть силы присасывания кормы Рч в зоне пониженного давления. Это происхо­дит вследствие разности гидродина­мических давлений на подводную часть кормы судна. В таком случае скорости потока, обтекающего кор­пус со стороны берега или откоса, больше, чем со стороны стрежневого борта. Вследствие этого между корпусом судна и берегом создается зона пониженного гидродинамиче­ского давления и кормовая часть

Рис. 48. Схема сил, действующих на судно при движении вблизи отмели или берега

устремляется в эту сторону. Возника­ет опасность удара кормой о берег и повреждения винторулевого комп­лекса.

Под действием пары сил Р\ и Pa с плечом а на корпусе судна возникает большой поворачивающий момент Мл. В отдельных случаях значение поворачивающего момента Мц может оказаться намного боль­ше, чем поворачивающего момента рулевого устройства. В этом случае судно перестает слушаться руля и может потерять управляемость.

Степень воздействия гидродина­мических сил на устойчивость судна на курсе в условиях ограниченной глубины и ширины судового Хода зависит прежде всего от скорости судна и от расстояния между подводной частью корпуса и бровкой берега (откоса), а также от рельефа дна и берегов. Чем больше скорость судна и разность глубин по левому и правому бортам, тем сильнее проявляется рыскливость. Чем мень­ше расстояние между подводной частью корпуса и берегом (откосом) и чем круче их рельеф, тем сильнее присасывание к Иим кормы. В связи с этим для обеспечения хорошей устойчивости судна на курсе при

движении по мелководью или вблизи берега (откоса) необходимо заблаго­временно уменьшать его скорость и не подходить слишком близко к берегу и кромкам судового хода.