Вопрос 9. Характеристика сил и моментов, действующих на движущееся судно при перекладке руля.

Ответ:

За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными. Процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период — маневренный, продолжается в течение времени перекладки руля.

Второй период — эволюционный, начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения.

Третий период — установившийся, начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в переложенном положении.

Переложенный на угол руль, как и всякое крыло, развивает подъемную силу — боковую силу руля .

Для получения наглядного представления о воздействии силы на корпус судна приложим в его ЦТ две силы, равные по модулю силе и направленные в противоположные стороны, как это показано на рис. 1.5. Эти две силы взаимно компенсируются, т. е. не оказывают влияния на корпус судна, но их совместное рассмотрение с боковой силой руля позволяет понять, что корпус судна одновременно испытывает поперечную силу , приложенную в центре тяжести G, и момент боковой силы руля относительно вертикальной оси Z, проходящей через ЦТ.

Рис. 8.1. Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начальной стадии циркуляции

В первый период после начала циркуляции под влиянием поперечной силы ЦТ судна приобретает боковое перемещение во внешнюю сторону циркуляции — обратное смещение. Возникает угол дрейфа , а значит и поперечная гидродинамическая сила на корпусе , направленная внутрь циркуляции. Ее точка приложения в соответствии со свойствами крыла смещена в нос от ЦБС, положение которого при отсутствии большого дифферента можно считать совпадающим с ЦТ судна. Момент силы в этом первоначальном периоде циркуляции имеет тот же знак, что и момент руля , поэтому появляется и начинает быстро возрастать угловая скорость.

В дальнейшем под влиянием поперечной силы траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т. е. радиус циркуляции, который в начале стремился к бесконеч­ности, начинает уменьшаться.

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра циркуляции О свою траекторию, радиус кривизны которой отличается от (рис. 1.6). При этом каждая такая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. В нос от ЦТ углы дрейфа соответственно уменьшаются.

Если из центра циркуляции О опустить перпендикуляр на ДП, то в полученной точке ПП угол дрейфа равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота (ПП). (В зарубежной литературе PP – pivot point, или ось вращения.)

Рис. 8.2. Силы, действующие на судно при криволинейном движении

на развитой стадии циркуляции

Полюс поворота при циркуляции для большинства судов распо­лагается вблизи носовой оконечности на расстоянии примерно 0,4 длины судна от ЦТ, принимаемого на мидель-шпангоуте.

Угол дрейфа ЦТ судна на циркуляции;

(1.1)

где — расстояние ПП от центра тяжести.

Для произвольной по длине судна точки угол дрейфа:

(1.2)

где — расстояние точки от ЦТ (в нос знак «+», в корму «-»). На небольшом участке корпуса от ПП до носового перпендикуляра поток воды набегает на корпус со стороны внутреннего борта, поэтому углы дрейфа на этом участке имеют знак, противополож­ный углам дрейфа па участке от ПП до кормового перпендикуляра, на котором поток воды набегает со стороны внешнего борта.

Под углом дрейфа на циркуляции подразумевается угол дрейфа ЦТ судна.

На судах, имеющих крутую циркуляцию, угол дрейфа может достигать 20° и более.

Как уже отмечалось, поперечная сила пропорциональна углу атаки, а так как углы дрейфа возрастают по длине корпуса в сторону кормы, то точка приложения поперечной гидродинамиче­ской силы , т. е. равнодействующей элементарных поперечных сил, распределенных по корпусу, по мере искривления траектория смещается в сторону кормы, а момент силы ; постепенно уменьшаясь, в конце концов, меняет знак и начинает действовать проти­воположно моменту руля , т. е. становится демпфирующим,

Рост угловой скорости при этом замедляется, а когда моменты и становятся равными по абсолютной величине, угловая скорость стремится к установившемуся значению .

При движении по криволинейной траектории возникает центро­бежная сила РЦ, приложенная к ЦТ судна и направленная по ра­диусу циркуляции во внешнюю сторону. Благодаря наличию угла дрейфа эта сила имеет продольную РЦХ и поперечную РЦУ составляющие. Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила РРХ) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к некоторому установившемуся значению .

Чем лучше поворотливость судна, т. е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем на крупнотоннажных морских судах во время циркуля­ции с рулем на борту при повороте на 90° скорость снижается приблизительно на 1/3, а при повороте на 180° — вдвое. При небольших углах перекладки руля снижение скорости на циркуляции невелико. Наиболее типичная траектория судна на циркуляции с рулем, переложенным на борт, показана на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Типичная траектория циркуляции с рулем на борту

Геометрически траектория характеризуется следующими элементами циркуляции:

выдвиг — расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направлении первоначального курса от начальной точки циркуляции до точки, соответствующей изменению курса на 90°;

прямое смещение — расстояние от линии пер­воначального курса по нор­мали до ЦТ судка к моменту изменения курса на 90°;

обратное смещение — максимальное смещение ЦТ судна от линии первоначального курса в сторону, обратную направлению по­ворота, происходящее в начале циркуляции под вли­янием боковой силы руля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно не превышает ширину судна, а на некоторых судах не наблюдается и вовсе);

тактический диаметр циркуляции DT —расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180°;

диаметр установившейся циркуляции DУСТ — расстояние между положениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180° при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180° от начального курса движение приобретает установившийся характер, а траектория принимает форму, близкую к окружности. Поскольку при выполнении практических маневров обычно не приходится изменять курс более чем на 180°, можно считать, что все маневры выполняются при неустановившемся движении, т. с. в маневренном и эволюционном периодах.