Определение сил и моментов сопротивления на баллере руля

 

М_d=f(a)?

М_d=Nb_d;

где b_d - расстояние от оси баллера до центра давления;

 N - сила нормального давления;

N и b_d зависят от типа руля (рис.21);

b - ширина руля.

R - сила, действующая на перо руля. Это результирующая сила от действия нормальной силы N и силы трения Т. Силу R можно представить в виде подъемной силы Y и силы сопротивления Х. Силу N можно представить в виде тормозной силы N_х и активной силы поворота судна N_y.

При расчете N для пластинчатых рулей используют формулу Жосселя:

 

             ,                                  (2.32)                            

 

где К - коэффициент, учитывающий явления оптекания и плотность воздуха, имеет размерность плотности  ,

где , 

b_d=0.5 - для простых пластинчатых рулей (рис.22); (см. Хомяков стр. 165);

b_d =Х_d -Х - для балансирных пластинчатых рулей Х_d=0.5b.

Расчет N для профильных рулей является довольно сложной задачей. Необходимо учитывать, что различные площадки лобовой поверхности профильного руля атакуются набегающим потоком воды под разными углами (рис.23).

Согласно закону Ньютона:

                        ,

где r=1025кг/м³ - плотность морской воды;

  r=1000кг/м³ - плотность пресной воды.

Для нахождения результирующего значения N составляющие N_i должны быть проссумированы по всей лобовой поверхности руля:

 

                                .                                              (2.33)

 

Существуют определенные типы профилей, отработанные теоретически и экспериментально. В отечественном судостроении наиболее распространены профили: НЕЖ, ЦАГИ, NАСА.

· НЕЖ для быстроходных судов;

· ЦАГИ для двухвальных судов с рулем в ДП;

· NАСА(национальный консультативный комитет по аэронавтике) для рулей за гребными винтами с умеренными скоростями движения.

Гидродинамические характеристики профильных рулей определяются экспериментальным путем продувкой их в аэродинамических трубах. В результате продувки определяют тормозную силу Х=f(a); подъемную силу Y=f(a).

M_пк=f(a) - момент относительно оси закрепления руля, совпадающей с его передней кромкой (рис.24).

По найденным значениям сил определяются безразмерные коэффициенты:

 .

Вследствие поворота осей на угол a: N=Ycosa+Хsina (см. справочник по математике).

Тогда

                     .

Аналогично устанавливается безразмерный коэффициент момента, который относят еще к средней ширине руля b_ср, и коэффициент центра давления (рис.25)

 

.

 

Зависимости полученных коэффициентов приводятся в справочниках в виде таблиц или графиков.

Гидродинамические характеристики профиля НЕЖ-20 показаны на рис.26,27.

Относительная толщина 20 %: d%=d_max/b´100%,

где b - ширина при d_max; обычно это b_max.

l=h/b_ср - относительное удлинение.

Используя безразмерные коэффициенты определяют силы и моменты нагрузки на баллере руля:

1 метод (исходя из С_N, С_М):

 

                                                                          (2.34)

 

2 метод (исходя из С_х, С_у, С_м):

Х=С_хrV²/2А_р; Y; N=Ycosa+Xsina;

 

 

, (2.35)

 

где К=Х/b_ср.

3 метод. (исходя из С_N, С_d) Х_d=С_db_ср; b_d=Х_d-Х; М_d=Nb_d.

Профильные рули в большинстве случаев выполняются прямоугольными. Для рулей другой произвольной формы необходимы продувки. Можно в простейших случаях, например, момент на баллере определяют: М_d=М_d1+М_d2.

Необходимую площадь пера руля можно вычислить по формуле:

                       А_р= m LТ,

где L - длина судна между перпендикулярами, м;

Т - осадка руля, м;

m - коэффициент, зависящий от типа судна (табл.2.3)

  

                                                                                          Таблица 2.3                                                        

Суда	m
Трансатлантические быстроходные	0.0142-0.02
Грузовые дальнего плавания	0.0166-0.025
Каботажного плавания	0.02-0.025
Морские буксиры	0.025-0.0335

 

Для судов среднего водоизмещения часто бывает справедливо соотношение для высоты пера руля: h=Т-(0.5-1)м. (материал взят из: Чекунов К.А.,1976, стр.138).

Богатый материал по этому вопросу имеется в [6] (Справочник по судовым устройствам, том1. Авт.:А.Н. Гурович и др. Судостроение,1975,стр.58)

Примерные формы зависимостей М_d=f(a) имеют вид, показанный на рис.28,29.