Общие сведения об управляемости. Управляемость на заднем ходу

Управляемостью называется качество судна, позволяющее ему следовать по заданной траектории или менять направление движения в соответствии с действиями управляющего устройства.

Устойчивость 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 о 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 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 циркуляции R_ц. Поскольку при прямолинейном движении R_ц=¥, то очевидно, что после перекладки руля радиус R_ц начинает уменьшаться. После окончания переходного процесса траектория судна по форме приближается к окружности, т. е. радиус приобретает установившееся значение R_ц=R_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

Ř =R_уст/L

где Ř - относительный радиус; L - длина судна.

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

v=w_устL/V_уст=L/R_уст=1/Ř

где v - относительная кривизна траектории или безразмерная угловая скорость; w_уст - установившаяся угловая скорость, рад/с; V_уст - установившаяся линейная скорость судна, м/с.

Управляемость 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.

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 из меняют, так как взаимно компенсируют друг друга). Одна из этих сил вместе с силой на руле Р_ру образует пару сил с моментом, стремящимся повернуть судно вокруг вертикальной оси, а другая сила, оставаясь нескомпенсированной, вызывает поперечное смещение судна. При таком смещении возникает угол дрейфа α, благодаря которому на корпусе возникает поперечная гидродинамическая сила R_у, точка приложения которой смещена от центра тяжести в сторону кормы на величину l_R. Момент этой силы R_yl_R препятствует повороту судна в сторону перекладки руля. Если па переднем ходу момент поперечной гидродинамической силы в начале поворота имеет одинаковый знак с моментом руля и, следовательно, способствует повороту, 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 d_э оказывается уменьшенным на угол дрейфа α _р по сравнению с геометрическим углом перекладки d_р. На переднем ходу этот эффект сказывается гораздо меньше за счет спрямляющего влияния на 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.

3. Силы, вызванные работой комплекса «руль-винт» и их взаимодействие при переходе с переднего на задний ход и заднего на передний ход.

При движении вперед после дачи заднего хода судно обычно начинает разворачиваться вправо, постепенно ускоряя поворот. Это происходит под действием сил F_пп, F_рц, F_ск, 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 по влиянием сил F_рц и F_ск. 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 F_ск.

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

Корма отклоняется в сторону положенного руля и лучше влево.

Отмеченные особенности поведения одновинтовых судов следует рассматривать как наиболее типичные.

4. Силы, вызванные работой комплекса «руль-винт» в начале и на установившихся ходах вперед и назад.

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.

Гребной винт при вращении вперед или назад не только отбрасывает поток воды в противоположную сторону, но также и закручивает его, т. е. при дает 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.

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 вера 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 поло вину 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 обо значений: F_пп — сила, связанная с действием попутного потока; F_рц — сила реакции воды; F_ср — сила винтовой струи, набрасываемой на руль; F_ск — сила винтовой струи, набрасываемой на корпус.

Для каждого из приведенных на рисунке случаев стрелками по казаны направление и степень тенденции разворота кормы (прерывистая стрелка — слабая или неустойчивая, тонкая стрелка четко выраженная, жирная стрелка - сильно выраженная тенденция).

На ходу руль кладут немного влево, для того чтобы компенсировали друг друга горизонтальные составляющие сил С+В-Д и А+С_ВС (в)

При установившемся движении назад уваливание кормы влево можно уменьшить или скомпенсировать, положив руль вправо. Вообще на ЗХ корма идет в сторону кладки руля.