Руль за корпусом судна

Гидродинамические характеристики изолированных рулей.

Понятия об управляемости.

Судовой руль, являющийся наиболее распространенным средством управления, относится к пассивным средствам.

Средства управления должны обеспечивать как устойчивость судна на курсе, так и его поворотливость.

Устойчивость на курсе – это способность судна двигаться прямолинейно в заданном направлении. Поворотливость – способность судна производить нужные изменения в направлении своего движения. Эти свойства противоре­чивы – чем более устойчиво судно на курсе, тем сложнее изменить направ­ление его движения. Если судно может удерживаться на прямом курсе без использования средств управления, то его устойчивость на курсе называется автоматической, в противном случае устойчивость называется эксплуатаци­онной. Устойчивость на курсе зависит в основном от особенностей судо­вого корпуса: отношения длины судна к его ширине, полноты его диамет­рального сечения и т. д.

Поворотливость судна обеспечивается только при использовании средств управления. Рассмотрим традиционное рулевое устройство. При перекладке руля, т. е. при его повороте на определенный угол, обтекание руля стано­вится несимметричным. На поверхности руля, обращенной к потоку, давле­ние возрастает, на обратной стороне руля появляется разряжение. В резуль­тате возникает значительная боковая сила, которая и используется для управления судном. Силы, действующие на руль и судно, схематически по­казаны на рис. 3.3. Гидродинамические нагрузки, действующие на руль, имеют большую интенсивность в передней его части, поэтому центр прило­жения их равнодействующей F расположен в передней части руля. Проекция F образует относительно центра тяжести судна вращающий момент и вызы­вает боковое смещение, т. е. дрейф судна, который характеризуется углом дрейфа β.

Поворот судна и его дрейф вызывают несимметричное обтекание подвод­ной части корпуса и существенное перераспределение гидродинамических сил, которое должно уравновесить силы инерции и боковую силу, возника­ющую на руле.

В зависимости от соотношения всех силовых воздействий перемещение цен­тра тяжести судна, отсчитываемое от момента начала перекладки руля, мо­жет быть разделено на три периода:

- маневренный, совпадающий с продолжительностью перекладки руля и ха­рактеризующийся резким возрастанием силы, действующей на руль, появле­нием неустановившихся инерционных и гидродинамических сил;

- эволюционный, характеризующийся возрастанием гидродинамических и

инерционных сил и некоторым уменьшением силы на руле из-за изменения характера его обтекания;

- - установившийся, возникающий, когда все действующие на корпус судна и его руль силы уравновешиваются, отличающийся неизмененным значением угловой скорости судна (центр тяжести судна при этом движется по окруж­ности).

На рис. 3.4 показаны геометрические характеристики циркуляции, т. е. тра­ектории движения центра тяжести судна от момента, соответствующего началу перекладки руля на некоторый угол, который далее остается неизмен­ным.

Основные из них следующие:

- - выдвиг В_с – перемещение центра тяжести судна в направлении исходного курса до того момента, когда диаметральная плоскость судна завершает по­ворот на 90°;

- прямое смещение С_п – расстояние от исходного курса до центра тяжести судна в тот момент, когда его диаметральная плоскость совершит поворот на 90°;

-обратное смещение С_о – максимальное перемещение судна в сторону, проти­воположную направлению поворота;

- диаметр тактической циркуляции D_т – расстояние от исходного курса до центра тяжести судна в тот момент, когда его диаметральная плоскость со­вершит поворот на 180°;

- диаметр установившейся циркуляции D_уст – диаметр окружности, соот­ветствующей траектории центра тяжести судна в установившемся периоде циркуляции.

Теория управляемости является основой для проектирования рулевого устройства. Она используется при определении необходимой эффективно­сти средств управления судном, при выборе лучших типов этих средств и их геометрических характеристик с учетом назначения и размеров судна.

Теория управляемости используется также при анализе сил, действующих на конструктивные элементы рулевого устройства. Этот анализ дает воз-мож­ность выполнить необходимые расчеты прочности, оценить надежность как отдельных элементов, так и рулевого устройства в целом.

Судовые рули. Классификация и геометрические характеристики.

Основные элементы руля – корпус, называемый пером руля, опоры и узел, обеспечивающий со­единение пера руля с баллером. Форма руля определяется его профилем, т. е. фигурой, образующейся при сечении руля плоскостью, перпендикулярной к оси его вращения, и контуром, т. е. линией, ограни­чивающей сечение руля вертикальной плоскостью его симметрии (рис. 3.8). Контур руля позволяет определить высоту руля h_р и ширину руля b_p, а профиль – толщину руля t_p. Отрезок, соединяющий переднюю и заднюю точки профиля, называется хордой.

Площадь руля А – основная геометрическая характеристика руля, представ­ляющая собой площадь плоской фигуры, ограниченной контуром руля. У всех рулей ось вращения отстоит от передней кромки на определенное рас­стояние. Часть руля, расположенная в нос от оси вращения, называется ба­лансирной.

Для сравнения формы рулей рекомендуются следующие безразмерные ха­рактеристики:

- относительное удлинение руля λ – отношение высоты руля к его ширине, λ= h_p/b_p ≈h_p/b_р.ср ≈ h_р² /А;

- относительная толщина руля (профиля) t_p = t_Р/b_Р;

- коэффициент компенсации руля – отношение площади балансирной части руля А₁ к плошади всего руля x_б = A₁/A.

Судовые рули классифицируют по следующим признакам: расположению оси вращения руля, размещению руля относительно элементов конструкции кормовой оконечности и по типу крепления руля (рис. 3.9).

Профиль руля в значительной степени определяет его эффективность. Для морских судов используются симметричные профили, отличающиеся друг от друга (рис. 3.11) положением по хорде точки, соответствующей макси­мальной толщине профиля, а также формой хвостовой части.

Профиль НЕЖ назван в честь своего автора – Николая Егоровича Жуков­ского. Этот теоретический профиль для практических целей должен быть изменен. В частности, следует утолстить его хвостовую кромку. Эти моди­фикации были выполнены в Геттингенской лаборатории и положены в ос­нову профилей Gö429, Gö538 и Gö539. Профили ЦАГИ разработаны в Цен­тральном аэрогидродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского. Находят широкое применение для судовых рулей также профили NASA (Национальное управление по аэронавтике и космическому пространству США).

Гидродинамические характеристики изолированных рулей. Основные гид­родинамические характеристики изолированных рулей следующие:

- угол атаки руля (профиля) α – угол между направлением скорости поступа­тельного перемещения руля (профиля) и плоскостью его симметрии;

- геометрический угол перекладки руля (профиля) α_г – угол между диамет­ральной плоскостью судна и плоскостью симметрии (хордой профиля) руля;

- центр давления руля (профиля) – точка пересечения плоскости симметрии (хорды профиля) руля с линией действия равнодействующей гидродинами­ческих сил, приложенных к рулю (профилю);

- эффективный угол атаки руля (профиля) α_эф – угол между направлением скорости центра давления руля (профиля) и плоскостью симметрии (хордой профиля) руля.

В гидродинамических исследованиях обычно перемещение руля заменяется обратным по направлению движением жидкости. Схема сил, действующих на переложенный руль, показана на рис. 3.3, где система координат хОу определяет положение судна, а система х₁О₁у₁ – положение руля.

Проекции равнодействующей F гидродинамических сил на руле — сила со­противления F_x, боковая сила F_y, нормальная F_n и тангенциальная F_τ состав­ляющие – связаны между собой следующим образом:

F_y = F_n cos a -F _τ sina;

F_x = F_n sin a + F _τ cos a;

F_n = F_y cos a + F_x sin a;

F _τ = F_x cos a – F_y sin a;

Моменты гидродинамической силы относительно передней кромки руля и оси баллера равны М = F_nх_ц.д и М_б = F_n (x _цд - х_б), где x_{ц. д} – абсцисса центра давления, х_б – абсцисса оси баллера.

Безразмерные коэффициенты сил и моментов имеют вид;

- коэффициент боковой силы С_у = F_y /(0,5ρv² А)

коэффициент нормальной силы С_n = F_n /(0,5ρv² А)

коэффициент лобового сопротивления С_x = F_x /(0,5ρv² А)

коэффициент тангенциальной силы С _τ = F _τ /(0,5ρv² А)

коэффициент гидродинамического момента С_м = М /(0,5ρv² Аb_p);

коэффициент момента на баллере С_б = М_б /(0,5ρv² Аb_p);

коэффициент центра давления С_д = х_ц._д/b_р, где ρ – мас­совая плотность; v –

скорость набегающего на руль потока.

Гидродинамический расчет руля выполняется в два этапа. Сначала определяются силы и моменты, действующие на изоли­рованный руль в бесконечном потоке жидкости. Затем в полу­ченные значения вносятся поправки, учитывающие влияние на руль корпуса судна, гребного винта и свободной поверхности жидкости.