Особенности управляемости многовинтовых судов

Большинство современных пассажирских судов, ледоколов, а также быстроходных судов крупного тоннажа снабжаются двух и трехвальными силовыми установками. Следует отметить их качество — гораздо лучшую управляемость по сравнению с одновинтовыми судами. Рассмотрим управляемость многовинтовых судов на примере двухвинтового судна.

Рис. 2.11. Действие сил при работе машин двухвинтового судна: а — левый винт работает вперед; б — правый винт работаетназад

Гребные винты двухвинтовых судов обычно располагаются симметрично диаметральной плоскости, а сторона их вращения одноименна с бортом. Из-за разной стороны вращения боковые силы С, С _В.О ,, D при одновременной работе винтов компенсируются, ввиду чего диаметры циркуляции двухвинтового судна вправо и влево одинаковы. По этой же причине двухвинтовое судно на заднем ходу слушается руля так же, как и на переднем. Уменьшение диаметра циркуляции достигается изменением частоты вращения винтов, а при работе винтов враздрай судно может разворачиваться на месте. С точки зрения управляемости двухвинтовое судно с рулем, установленным в диаметральной плоскости, имеет один недостаток — слабое влияние струи винтовой отработки на перо руля. Поэтому на малых скоростях судна, когда эффективность руля низкая, основным способом управления является маневр машинами. Разворачивающий момент двухвинтового судна создается как за счет плеч упоров винтов F (рис. 2.11), так и за счет взаимодействия винта с корпусом. Взаимодействие винта с корпусом состоит в том, что работающий со стороны одного борта на передний ход винт ускоряет поток, обтекающий кормовые обводы, и давление на раковину падает. Возникшая за счет разницы давлений сила Р' уклоняет корму в сторону работающего винта. При работе винта на задний ход корма будет уклоняться в противоположную сторону под влиянием натекающего на раковину всасываемого винтом потока (сила Р"). Если винты работают враздрай, то на кормовые обводы будет действовать суммарная сила Р=Р'+Р". Таким образом, разворачивающий момент, действующий на судно, составит:

,

или

.

Рассмотрим действие сил при развороте судна на месте. Для этого необходимо, чтобы судно не имело поступательного движения вперед. Поэтому частота вращения винтов, работающих враздрай, должна быть подобрана так, чтобы упоры винтов были одинаковы (F₁=F₂). Обычно примерное равенство упоров имеет место, когда машине, работающей вперед, дают ход на одну ступень меньше, чем машине, работающей назад. С учетом равенства упоров разворачивающий момент M=Fl ₁ +Pl ₂. Действие момента Fl ₁не изменится, если пару сил + F и — F развернуть на 90^о (рис. 2.12). Тогда поворот судна можно считать происходящим под влиянием равнодействующей Q сил +F, — F, Р. Очевидно, что равнодействующая Q равна силе Р, а точка ее приложения зависит от соотношения сил + F и Р. Соотношение сил нам неизвестно. Однако точка приложения.равнодействующей находится в районе кормовой оконечности судна. Таким образом, разворот судна при работе винтов враздрай аналогичен развороту с помощью подруливающего устройства, расположенного в корме, а центр вращения (см. рис. 2.12) находится впереди мидель-шпангоута на расстоянии 0,12—0,18 L от него. Если теперь увеличить или уменьшить частоту вращения одного из винтов, то судно получит дополнительное поступательное движение и начнет описывать циркуляцию с малым радиусом и полюсом поворота, примерно совпадающим с центром вращения (рис. 2.13). При развороте на месте с помощью работы машины враздрай руль должен оставаться в диаметральной плоскости, чтобы исключить влияние всасываемой струи (сила В), которая в данном случае противодействует повороту. Необходимо подчеркнуть, что никакой работой машин враздрай нельзя заставить судно разворачиваться «на пятке». Его центр вращения всегда будет располагаться впереди центра тяжести.

Трехвинтовые суда, сочетая свойства одно- и двухвинтовых судов, обладают еще более высокими маневренными качествами. На переднем ходу средний винт используется совместно с рулем как источник сил С, С _в.о и D. На заднем ходу управление обычно осуществляется бортовыми машинами, а средняя обеспечивает поступательное движение судна.

2.7. Влияние ветра на управляемость судна

Рис. 2.14. Схема действия сил при движении судна с постоянным углом ветрового дрейфа

На надводную часть корпуса движущегося судна действует поток воздуха, создающий давление (аэродинамическую силу). равнодействующая которого приложена к центру давления ЦД (рис. 2.14). Центр давления в общем случае не совпадает с центром парусности и центром тяжести судна. В зависимости от формы корпуса, расположения палубного груза и дифферента центр парусности может располагаться как впереди, так и позади центра тяжести, а положение центра давления относительно центра парусности зависит от направления кажущегося ветра. Центр давления совпадает с центром парусности только при боковых ветрах. При носовых курсовых углах кажущегося ветра центр давления перемещается в нос от центра парусности, при кормовых — в корму. Чем острее курсовой угол ветра, тем дальше от центра парусности отстоит центр давления. Направление аэродинамической силы не совпадает с направлением кажущегося ветра и составляет с диаметральной плоскостью угол, больший курсового угла ветра. Продольная составляющая R _axаэродинамической силы увеличивает или уменьшает сопротивление движению судна. Поперечная составляющая R _ayвызывает дрейф судна в подветренную сторону и создает момент M_a = R _аy l _i, который в зависимости от положения центра давления относительно центра тяжести разворачивает судно на ветер или под ветер, тем самым уменьшая или увеличивая угол дрейфа. С появлением угла дрейфа из-за косого натекания потока на корпус точка приложения гидродинамической силы несколько переместится в нос судна и возникнет поперечная составляющая R _ку. Сила R _Kyстремится сместить судно в противоположную сторону, а момент силы M_K = R _ку l ₂уменьшить угол дрейфа.

Таким образом, во время ветра судно находится под одновременным воздействием взаимно противоположных сил R _ay, R _куи моментов этих сил М _а, М _к. Сила R _ayвсегда больше силы R _куиначе бы судно дрейфовало на ветер. Суммарный момент М _к+ М _аможет быть как положительным (приводящим судно к ветру), так и отрицательным (уваливающим судно под ветер). Исследования показывают, что для большинства грузовых судов существуют следующие три закономерности.

1. Если центр парусности располагается впереди миделя, что свойственно судам в балласте, то при курсовых углах кажущегося ветра 0—60° аэродинамический момент отрицательный и больше гидродинамического момента (М _а >М _к ), вследствие чего суммарный момент М _к—М_а также отрицательный (уваливающий). Чтобы удержать судно на курсе, руль нужно переложить на ветер (рис. 2.15, а), такие суда называют уваливающимися.

2. При положении центра парусности впереди миделя и курсовых углах ветра 60—180° аэродинамический момент либо положительный, либо отрицательный, но меньше гидродинамического момента (М _к> М _а) и, следовательно, суммарный момент М _к± М _аположительный (приводящий). Для удержания судна на курсе руль нужно переложить под ветер. Суда такого типа называют самоприводящимися.

3. Если центр парусности располагается позади миделя, то на всех курсовых углах ветра аэродинамический момент положительный, а если и отрицательный, то меньше гидродинамического момента (М _к >М _а ), вследствие чего суммарный момент М _к± М _а всегда положительный (приводящий). Для удержания судна на курсе руль нужно также переложить под ветер (рис. 2.15,6).

Однако подчеркнем, что это справедливо для обычных грузовых судов. Судно с большой парусностью в носовой части будет уваливаться и при ветре, дующем позади траверза.