Всякое судно должно обладать управляемостью, Т. Е. Способностью двигаться по заданной траектории или менять направление своего движения по желанию судоводителя при помощи специальных средств.

Особо важное значение имеет управляемость для судов внутреннего плавания. Необходимость двигаться по узкому извилистому фарватеру, в каналах и шлюзах, на мелководье и перекатах делают управляемость одним из важнейших факторов, определяющих дальнейшее развитие речного флота.

Понятие «управляемость» объединяет два свойства судна – устойчивость на курсе и поворотливость, которые часто противоречат друг другу. Если судно устойчиво на курсе, оно не очень поворотливо и наоборот.

Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять определенное заданное направление.

Поворотливостью называется способность судна изменять направление своего движения при помощи специальных средств.

Практически ни одно судно не обладает абсолютной устойчивостью на курсе, так как на управляемость судна оказывают влияние различные обстоятельства. Наличие, например, только одного винта приводит к самопроизвольному отклонению от курса и т.д. Для исправления курса требуется постоянное вмешательство рулевого. Путь, проходимый судном, выглядит, как зигзагообразная линия. Чем ближе траектория движения судна к прямой, тем более устойчиво на курсе судно.

Частые и внезапные, не зависящие от рулевого отклонения от курса называются рыскливостью.

Судно должно обладать правильным сочетание свойств, отвечающих типу и назначению судна. Рыскливые суда теряют до 3-5% скорости и требуют непрерывной работы рулевых устройств для удержания их на курсе. Недостаточная поворотливость затрудняет прохождение судов поворотов рек, при расхождении и обгоне судов и т. Д.. суда внутреннего плавания должны обладать повышенной поворотливостью по сравнению с морскими судами.

Хорошая управляемость судна сокращает продолжительность рейса, расход топлива, облегчает работу рулевого. Но для обеспечения хорошей управляемости следует учитывать многие факторы, влияющие на управляемость:

o Отношение длины судна к его ширине (L/ H). Увеличение этого отношения улучшает устойчивость на курсе и ухудшает поворотливость, и наоборот.

o Форма проекции погруженной части корпуса судна на диаметральную плоскость. Подрезы носа и кормы улучшают поворотливость.

o Площадь пера руля, так как она влияет на величину рулевой силы.

o Скорость хода – чем больше скорость, тем лучше судно слушается руля, так как при этом тоже увеличивается рулевая сила

o Посадка судна. Из элементов посадки судна наибольшее влияние на управляемость оказывает дифферент, его изменение влияет на управляемость

o Взаимное расположение руля и винтов. Руль, расположенный непосредственно за винтом, обеспечивает лучшую управляемость, чем руль между винтами.

o Количество движителей.

o Внешние силы.

Для повышения устойчивости на курсе на судах устанавливают неподвижные стабилизаторы в виде вертикальных пластин, придают судну дифферент на корму.

 

 

§ 40. Принцип действия руля

Чтобы понять, как действует руль, рассмотрим действие самого простого руля – плоского, который представляет собой пластину, расположенную под углом α к набегающему потоку воды. Соответственно, сила, поворачивающая судно (рулевая сила), появляется в результате гидродинамического давления воды от набегающего потока. Равнодействующая Р этого давления будет равна суммарной нагрузке на руль, а точка ее приложения – центр давления – определяется как геометрический центр тяжести поверхности руля.

Воспользуемся следующей схемой (Рисунок 63): плоский руль АВ положен на угол α на правый борт. На него действует сила Р – равнодействующая сил гидродинамического давления. Точка приложения этой силы – геометрический центр тяжести площади пера руля – отстоит на расстоянии а от оси вращения руля. Суть предложенной схемы состоит в том, что мы прикладываем в центре тяжести судна G две взаимно уравновешенные силы Р 1 и Р 2, которые равны силе Р по величине и направлены параллельно ей.  Центр тяжести в качестве точки приложения этих двух сил принят не случайно. Дело в том, что ось вращения судна при повороте проходит именно через центр тяжести. В результате мы получаем следующее:

1. Силы Р и Р 1 образуют пару сил, момент которой поворачивает судно вправо. Величина этого момента определяется по формуле:

М вр = Р∙ l,                                                 

(139)

где l – плечо пары сил, равное

l = G В∙ cos α + a                                               

(140)

Приближенно можно считать, что центр тяжести судна находится на мидель-шпангоуте, а величиной а из-за относительной малости ее можно пренебречь, тогда

l ≈ 0.5 L cos α,                                              

(141)

где L – длина судна.

Подставим выражение (141) в выражение (139), получим:

 

М вр = 0,5 Р∙ L∙ cos α,                                         

(142)

2. Силу Р 2 можно разложить на две составляющие: Q и R. Сила 

Q = P 2 ∙ cos α = Р∙ cos α                                     

(143)

Эта сила, действующая перпендикулярно, диаметральной плоскости, вызывает дрейф судна и создает кренящий момент.

 

3. Сила R направлена против движения судна, она уменьшает скорость судна. Ее величина может быть определена по формуле:

R = P 2 ∙ sin α = P ∙ sin α                                            

(144)

Таким образом, при перекладке руля судно поворачивается, получает крен и дрейф в сторону, противоположную повороту, уменьшает скорость.

Из выражения (142) видно, что на величину момента, вращающего судна, влияют:

1. угол перекладки руля α;

2. равнодействующая сила гидродинамического давления воды на руль Р.

Величину силы Р, действующую на руль, можно вычислить по приближенной формуле Жосселя:

(145)

                                            

где F – площадь пера руля в м²,

v – скорость хода судна в узлах,

k – коэффициент, принимаемый для одновинтовых судов10,6, а для двухвинтовых – 5,95.

Оптимальным углом перекладки руля является угол от 30º до 35º. Наибольшие значения вращающего момента М вр получаются при значениях угла перекладки около ~35º. При перекладке руля на угол более 35º эффективность руля резко снижается, кроме того, резко возрастает составляющая R, и скорость судна снижается. Поэтому рулевые устройства судна снабжают ограничителями, не позволяющими перекладывать руль более чем на 35º.

Момент на баллере, который необходимо создать при перекладке руля, определяется по формуле

М = Р∙ а                                                      

(146)

Учитывая выражение (165) и исходя из того, что а можно примерно считать равным (0,2+0,3 sin α) b, где b – средняя ширина пера руля, получим:

 

М = k ∙ F ∙ v ²∙ b ∙ sin α

(147)

Величина этого момента и служит основным параметром для выбора рулевой машины.

 

 

§ 41. Циркуляция

Циркуляцией называется кривая, описываемая центром тяжести судна при повороте. При этом предполагается, что руль был переложен на угол α. При удержании руля в таком положении и происходит движение судна, называемое циркуляцией.

Движение судна по циркуляции можно разделить на три периода:

I. Маневренный – от начала перекладки руля до окончания, то есть до того момента, когда угол перекладки достигнет значения α. Длительность этого периода – около 0,5 минуты. На рисунке 63 это период АВ.

II. Эволюционный – от момента окончания перекладки руля до начала движения по окружности. При этом судно поворачивает на 90 - 100º. На рисунке 63 это период ВС.

III. Период установившегося движения -  движение судно по окружности. Обычно этот период наступает при повороте судна на 100 - 120º.

Циркуляция является характеристикой поворотливости судна и оценивается следующими параметрами:

· Диаметр установившейся циркуляции D ц – диаметр окружности, описываемой центром тяжести судна в период установившегося движения, который обычно измеряется в длинах судна. Судно, имеющее лучшую поворотливость, имеет меньший диаметр циркуляции. Для судов внутреннего плавания он составляет D ц = (1,2 – 2,2) L,  для морских судов – D ц = (3 – 5) L.

· Тактический диаметр циркуляции D т, определяющий расстояние между положением диаметральной плоскости в начале поворота и после поворота на 180º. D т = (0,9 – 1,2) D ц.

· Период циркуляции Т ц – время, необходимое для совершения оборота в 360º:

 

(148)

                                                       

где v – скорость судна в м/сек.

Элементы циркуляции зависят от скорости хода судна, на которой совершается поворот. Поэтому при ходовых испытаниях производят замеры элементов циркуляции при разных режимах работы двигателя и поворотах. Во время эволюционного периода появляется и увеличивается угол дрейфа, и уменьшается скорость хода, а при установившемся движении судно движется с постоянным углом дрейфа и скоростью.

Углом дрейфа называется максимальный угол между диаметральной плоскостью судна и направлением первоначального движения судна. При движении по окружности – это угол между диаметральной плоскостью судна и касательной к окружности.

Во время установившегося движения судно получает крен в сторону, противоположную повороту. Величину этого угла крена можно определить по формуле Г.А.Фирсова:

(149)

                       

где θ max – максимальный угол крена на установившейся циркуляции в градусах;

v o – первоначальная скорость судна в м/сек;

h – первоначальная метацентрическая высота судна в м;

L – длина судна в м:;

z g – аппликата центра тяжести судна в м;

Т – осадка судна в м.

Если известен диаметр циркуляции судна D ц, то угол крена можно определить по формуле:

(150)

где g = 9.81 м/сек – ускорение свободного падения.

Преобразовав выражение (150), получим формулу для вычисления диаметра циркуляции по известному углу крена:

                                       

 

Глава 5. ХОДКОСТЬ

 

§ 42. Основные понятия и определения.