Влияние руля на управляемость судна

В процессе движения судна на переднем ходу прямолинейным курсом (рис.4.2положение ) на него будут действовать движущая сила переднего хода и сила сопротивления воды, которая на­правлена на подводную часть кор­пуса вдоль ДП (симметрично по бор­там судна).

При перекладке руля от ДП на угол встречный поток воды соз­дает гидродинамическое давление на перо руля, которое раскладывает­ся на две составляющие; — ру­левую силу и — силу торможения.

Рассмотрим действие рулевой силы на судно. Для этого приложим в ц. т. судна две противоположно направленные силы и , равные и параллельные силе . Силы и образуют пару сил, а расстоя­ние от ц. т. судна до центра пера руля будет плечом этой пары. Образуется поворачивающий момент руля , который вызывает вращательное движение судна.

Значения сил и моментов для изолированного ру­ля, могут быть выражены через безразмерные коэффициенты следующим образом:

(4.9)

(4.10)

(4.11)

где — безразмерный коэффициент продольной силы на руле; — безразмерный коэффициент поперечной силы на руле; — безразмерный коэффициент момента на руле; — плотность воды, кг/м³; — площадь пера руля, м²; — скорость натекания воды на руль, м/с; — средняя ширина руля, м; — момент на руле; — поперечная сила на руле; — продольная сила на руле.

Рулевая сила реального судна за­висит не только от площади пера руля, угла перекладки и скорости об­текания его окружающим потоком, но также и от конструктивных осо­бенностей корпуса судна, его дви­жителей и рулевого устройства.

Оптимальным утлом перекладки руля относительно диаметральной плоскости судна обычно является угол, равный 40—45°. При даль­нейшем увеличении угла перекладки возрастает сила сопротивления , которая на руле оказывает тормо­зящее воздействие и уменьшает ско­рость движения судна.

Значение плеча зависит от рас­положения ц. т. судна по длине корпуса. Чем больше расстояние от кормы судна до ц. т., тем боль­ше будет плечо . От значения , в свою очередь, зависит значение пово­рачивающего момента . При чрез­мерно большом поворачивающем мо­менте судно будет излишне чувстви­тельно к перекладке руля и неустой­чиво на курсе.

При перекладке руля увеличива­ется сопротивление воды и умень­шается скорость движения, поэтому на прямолинейных курсах следует избегать частых перекладок руля. При движении по прямой и углах перекладки руля на 5° падение ско­рости составляет около 2%, на 10°—3%. Опытные рулевые при дви­жении постоянным курсом в среднем отклоняют руль не более чем на 0,8—1,0°, и потери скорости при этом не превышают 0,5—0,6%.

Перекладка руля вызывает смеще­ние (дрейф) судна в сторону, про­тивоположную повороту из-за силы , при этом наибольшая величина дрейфа наблюдается в кормовой ча­сти судна. Это обстоятельство необ­ходимо учитывать при выполнении поворотов вблизи причалов, других судов, отмелей и т. п.

Рис.4.2 Действие руля при движении судна передним ходом.

В процессе движения по криволи­нейной траектории на корпусе судна происходит перераспределение гид­родинамических сил сопротивления воды вследствие того, что струи воды набегают на наружный борт под некоторым углом к корпусу, образуя силы , которые принято называть позиционными. При этом дав­ление воды на наружный борт увеличивается, а равнодействующая позиционных сил (см. рис. 4., положение ) будет направлена под углом к ДП. Ее можно раз­ложить на две сос­тавляющие: и . Точка прило­жения силы находится в центре давления (ц. д.) подводной части корпуса и смещается в сторону набегающего потока тем больше, чем больше скорость движения и угол натекания струй на корпус судна. Как показывают модельные испы­тания, она находится в носовой час­ти судна примерно на расстоянии около 1/4 длины корпуса от фор­штевня. Для анализа воздействия позиционных сил на судно приложим к его ц. т. две противоположно направленные силы и , равные и параллельные силе . Силы и с плечом образуют пару сил, поворачивающий момент которой называется позицион­ным моментом.

Значение позиционного момента зависит от формы и габаритов кор­пуса судна, скорости его движения и угловой скорости поворота. Сле­довательно, при движении судна по криволинейной траектории на него будет действовать суммарный поворачивающий момент, равный моменту руля и позицион­ному моменту, т. е. .

Значения гидродинамических сил и моментов, выраженных через безразмерные коэффициенты приведены ниже.

(4.12)

(4.13)

(4.14)

где — безразмерный коэффициент продольной гидродинамической силы на корпусе судна; — безразмерный коэффициент поперечной силы на корпусе судна; — безразмерный коэффициент гидродинамического момента на корпусе судна; — плотность воды, кг/м³; — погруженная площадь диаметрального батокса, м²; — скорость натекания воды на корпус судна, м/с; — длина судна, м; — гидродинамический момент на корпусе судна; — составляющая гидродинамической силы на корпусе судна; — продольная составляющая гидродинамической силы на корпусе судна.

После преодоления сил инерции прямолинейного движения судно на­чинает двигаться по криволиней­ной траектории. В это время на суд­но, как на всякое тело, движуще­еся по кривой, будет действовать центробежная сила (см. рис4.2, положение ), приложенная в ц. т. судна и направленная в сто­рону, противоположную повороту. Величина центробежной силы прямо пропорциональна массе судна , квадрату скорости поступательного движения и обратно пропорциональ­на радиусу кривизны траектории т. е. .

Вращательное движение судна вы­зывает появление статических сил сопротивления воды и (см. рис. 4, положение IV), вследствие чего образуется поворачивающий момент , который носит название демпфирующего момента. Он направлен в сторону, противо­положную направлению вращения судна, и препятствует повороту. Наи­большего значения демпфирующий момент достигает при развороте суд­на на одном месте, чем и объяс­няется длительное время разворота.

Таким образом, при движении суд­на передним ходом с отклонен­ным рулем по криволинейной траек­тории на него будет действовать общий поворачивающий

момент, равный алгебраической сумме моментов руля, позиционного и демпфирующего, т. е.