Силы взаимодействия винта руля и корпуса судна

Влияние гребного винта и руля на управляемость судна
ПЛАН ЛЕКЦИИ
Назначение гребного винта.
Влияние боковых сил, обусловленных работой гребного винта.
Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком при работе гребного винта на передний ход.
Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком при работе гребного винта на задний ход.
Влияние боковых сил, обусловленных реакцией воды.
Влияние боковых сил, обусловленных действием набрасываемой струи.
Суммарное влияние боковых сил, обусловленных работой гребного винта.
Влияние гребного винта фиксированного шага(ВФШ) и руля на управляемость судна.
Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна.
Влияние гребного винта и руля на управляемость одновинтового судна.
Управление двухвинтовыми судами.
Управляемость одновинтового судна на заднем ходу.

Назначение гребного винта
Основное назначение гребных винтов - это создание силы тяги для поступательного движения судна с определенной скоростью. Для этого необходимо создать движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.
Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой
Nn = RV,
где R — сила сопротивления; V— скорость движения.
Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус - движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.
Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход). Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70—80 % от тяги винта в режиме полного хода.
На судах морского флота преимущественно установлены четырехлопастные винты. В зависимости от направления вращения они разделяются на винты правого и левого вращения (шага). Винт правого вращения у судна, идущего передним ходом, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения — против часовой стрелки.
Одновинтовые суда чаще всего имеют винты правого вращения; двухвинтовые с левого борта — винт левого вращения, с правого — правого вращения.
При вращении гребной винт образует за кормой струю воды, закрученную в сторону его вращения. Совершенно очевидно, что этот спиральный вихревой поток воды действует на перо руля и корпус, оказывая влияние на управляемость судна.

Влияние боковых сил, обусловленных работой гребного винта

Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком,
при работе гребного винта на передний ход

Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком, при работе гребного винта на передний ход

Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком,
при работе гребного винта на передний ход

Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком,
при работе гребного винта на передний ход

Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком, при работе гребного винта на задний ход

Влияние боковых сил, связанных с попутным потоком, при работе гребного винта на задний ход

Влияние боковых сил, обусловленных реакцией воды

Влияние боковых сил, обусловленных действием набрасываемой струи

Влияние боковых сил, обусловленных действием набрасываемой струи

Суммарное влияние боковых сил, обусловленных работой гребного винта

Влияние гребного винта
и руля на управляемость судна
Рассмотрим качественную сторону этого влияния при совместной работе винта и руля при различных ходах и положениях пера руля.
Судно неподвижно относительно воды. Перо руля находится в диаметральной плоскости. Как только машине будет дан ход вперед и винт начнет вращаться, нос судна вначале будет незначительно уклоняться влево. Объяснить это можно тем, что при малых оборотах винт своими развернутыми лопастями как бы загребает воду и забрасывает корму вправо, а нос идет влево.
По мере увеличения оборотов винта нос судна установится на первоначальный курс и затем уклонится вправо. Происходит это потому, что при работе винт набрасывает воду на перо руля, причем струя воды, набрасываемая винтом на нижнюю часть руля, создает гидродинамическое давление, которое уклоняет корму влево, а нос — вправо. Следовательно, при работе винта правого шага вперед, при положении «прямо руль», нос судна в конечном итоге уклоняется в сторону вращения винта.
Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Винт одновинтового судна, начавший вращаться на задний ход, своими развернутыми лопастями как бы загребает воду с левой стороны, обтекает правый борт и, оказывая на него давление, заставляет корму разворачиваться влево, а нос — вправо.
Судно имеет ход назад, винт работает назад. До тех пор, пока судно не приобретет достаточную скорость заднего хода, положение пера руля на поворотливость судна влияния не оказывает. Как отмечалось ранее, на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта, направленная в правую часть обводов корпуса, вследствие чего нос судна идет вправо. Как только судно разовьет определенную скорость заднего хода и перо руля будет находиться в массе встречного потока воды, образованного движением суд-на, положение пера может заставить судно пойти кормой в сторону переложенного руля. В этом случае на руль будут действовать две силы: сила встречной воды, возникающая от движения судна назад, и сила всасываемой струи, порождаемая засасывающим действием винта при его работе на задний ход. Одновинтовые суда слушаются руля на заднем ходу лучше, когда винт не работает и судно движется назад с наибольшей скоростью. Однако рассчитывать на непогрешимость работы руля одновинтового судна на заднем ходу (особенно для поворота носа судна влево) можно только в штилевую погоду при достаточной осадке.

Влияние гребного винта
и руля на управляемость судна
Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При положении «прямо руль» нос судна может уклоняться или вправо, или влево (обычно вправо).
При положении «право на борт» нос судна уклоняется вправо. При положении «лево на борт» нос судна уклоняется влево. Струя воды от гребного винта создает гидродинамическое давление на перо руля значительно большей силы, чем от встречного потока при движении судна назад.
Из всего сказанного можно сделать следующий вывод, что судно, двигающееся передним или задним ходом, круче и быстрее разворачивается в сторону шага винта.
Поведение одновинтового судна при работе гребного винта правого вращения

Поведение одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения в штилевую погоду приведены в таблице ниже.

Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ)
и руля на управляемость судна
Винт регулируемого шага — это гребной винт, у которого регулируется угол разворота лопастей. Лопасти такого винта разворачиваются специальным механизмом в любое положение в диапазоне «полный вперед — стоп—полный назад», т. е. в зависимости от степени разворота лопастей, не изменяя работы главного двигателя, судну можно придать или движение вперед, или остановиться на месте, или создать движение назад.
При эксплуатации всех видов ВРШ применяется принципиально одинаковая система управления. Гидравлическая система управления ВРШ дает возможность широко использовать в качестве главного двигателя нереверсивные силовые установки (турбины, дизели большой мощности и т. д.).
Внедрение ВРШ на судах позволяет улучшить маневренные качества судов. К ним в первую очередь относится уменьшение тормозного пути (за счет быстрого перевода лопастей винта на режим работы заднего хода) и периода торможения. Гашение инерции начинается почти немедленно после дачи команды «Полный назад» (отдельные суда с полного хода останавливаются за 1 минуту при тормозном пути 1−1,5 корпуса). На судах с ВРШ облегчается выполнение многих видов маневров при съемке с якоря и постановке на якорь, при швартовке судна к причалу и лагом к другому судну, при расхождении судов для предотвращения столкновений и т. д. Для выяснения влияния ВРШ на управляемость судна рассмотрим различные режимы его работы.
Судно неподвижно относительно воды. Руль прямо. При даче переднего хода корма уклоняется влево, а нос идет вправо. При перекладке руля вправо или влево судно будет уклоняться в сторону переложенного руля. С разворотом лопастей в диапазоне переднего хода меняется сила попутного потока и сила набрасываемой струи от винта на руль, в результате чего будет изменяться скорость движения судна вперед, а следовательно, и управляемость.
Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Струя от винта (вращающегося в прежнюю сторону, но имеющего повернутые лопасти, соответствующие заднему ходу) будет действовать не в правый подзор, как у фиксированного винта, а в левый, уклоняя корму вправо, а нос − влево. Уклонение кормы вправо будет увеличиваться еще за счет того, что сила набрасываемого спирального потока начнет действие на перо руля и кормовой подзор слева. Дополнительно сила попутного потока будет воздействовать на винт, уклоняя также корму вправо. Под суммарным воздействием этих сил корма резко пойдет вправо,
а нос — влево.
Судно имеет ход назад, винт работает назад. При установившемся движении судна назад и положенном прямо руле на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта ВРШ, которая действует в левый подзор, отклоняя постоянно корму вправо.
Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При переходе с заднего хода на передний (реверс ВРШ) основное влияние на судно будет оказывать струя от винта, набрасываемая на руль справа, в результате корма пойдет влево, а нос − вправо. При перекладке руля влево или вправо нос судна всегда будет уклоняться в сторону переложенного руля.
Анализ эксплуатационной деятельности судов с ВРШ показывает значительные преимущества их перед судами с фиксированными винтами, так как ВРШ:
− дает возможность изменять направление движения судна без изменения направления вращения винта, что важно при нереверсивных двигателях;
− позволяет применять дистанционное управление ходами с мостика;
− дает возможность сократить время на реверс судна до 30 %;
− увеличивает моторесурс дизельных установок уменьшением числа реверсов двигателя;
− дает возможность использовать при торможении полную мощность двигателя на заднем ходу.

Влияние гребного винта
и руля на управляемость одновинтового судна
ВЫВОД:
При вращении винта вперед судно слушается руля. Действие боковых сил винта легко преодолевается действием руля.
При вращении винта назад судно не слушается руля. Нос судна отклоняется в сторону направления вращения винта при движении назад (при винте правого вращения – вправо, при винте левого вращения - влево).

Управление двухвинтовыми судами
Двухвинтовые суда имеют лучшие маневренные качества, чем одновинтовые. Достаточно отметить, что их можно развернуть на месте, работая машинами в разные стороны «враздрай». Такая возможность очень важна для пассажирских лайнеров, заходящих в стесненные порты, ледоколов, буксиров, плавкранов и т.д. Лучшая маневренность достигается тем, что каждый из винтов отнесен на некоторое расстояние от диаметральной плоскости, благодаря чему появляется разворачивающий момент, обеспечивающий поворот судна, даже без руля, в ту или иную сторону. Двухвинтовые суда обладают тем большей поворотливостью, чем меньше их длина и чем шире разнесены их винты.
При работе обоих винтов на передний или задний ходы судно хорошо слушается руля. В отличие от одновинтового судна, двухвинтовое при работающих обоих винтах разного шага на задний или передний ход при положении руля «прямо» будет двигаться по прямому направлению, не уклоняясь в стороны. На двухвинтовом судне, как правило, устанавливают винты разного шага: на правом борту — винт правого шага (правого вращения), а на левом — левого.
К недостаткам двухвинтовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в диаметральной плоскости руля. Поэтому на малых скоростях, когда основная часть силы, возникающей на руле при его перекладке, создается за счет струи воды, набрасываемой винтом на руль, главным способом управления является маневр машинами.
Винты двухвинтового судна:
а) – левого шага; б) – правого шага

Анализ маневрирования двухвинтовыми судами позволяет сделать следующие выводы:
− диаметр циркуляции у двухвинтовых судов с винтами разного шага одинаков на оба борта, а наименьший — при работе винтов «враздрай»;
− двухвинтовое судно с помощью машин можно развернуть на месте, что очень важно в стесненной акватории. Это положение справедливо для судов, имеющих достаточно мощные двигатели и значительный разнос винтов от диаметральной плоскости судна;
− тормозной путь и время торможения двухвинтового судна будут меньше, а при работе машин на задний ход (при винтах разного шага) судно не уклоняется с курса, что очень важно при следовании в узкостях и каналах;
− малая осадка, малый разнос винтов, слабые двигатели и большие их обороты снижают маневренные качества двухвинтовых судов.
Управление двухвинтовыми судами

Поведение двухвинтового судна при различных режимах работы винтов
Трехвинтовые суда объединяют в себе маневренные свойства одно- и двух-
винтовых судов. Благодаря наличию трех винтов судно может в широких пре-
делах менять циркуляцию и даже разворачиваться на месте. Быстрый разворот
получается, если средняя машина будет работать вперед, а бортовые машины —
"враздрай" при руле, положенном на соответствующий повороту борт.
Управление двухвинтовыми судами

Управляемость одновинтового судна
на заднем ходу

Влияние гребного винта и руля на управляемость судна
Контрольные вопросы.
Каково основное назначение гребных винтов?
Что такое пропульсивный коэффициент?
Что такое винт правого вращения?
Что такое винт левого вращения?
Какие бывают поперечные силы, обусловленные работой винта?
Что такое поперечная сила, связанная с попутным потоком?
Куда направлена поперечная сила, связанная с попутным потоком, на судне с винтом правого вращения при работе винта на задний ход?
Что такое поперечная сила, обусловленная реакцией воды и куда она направлена на судне с винтом правого вращения при работе винта на задний ход?
Что такое поперечная сила, обусловленная набрасываемой струей и куда она направлена на судне с винтом правого вращения при работе винта на задний ход?
Куда направлена суммарная поперечная сила на судне с винтом правого вращения при работе винта на задний ход?
Чем отличается действие суммарной боковой силы винта на судне с ВРШ от такого же действия на судне с ВФШ?
Сделайте основной вывод о влиянии гребного винта и руля на управляемость одновинтового судна.
Каковы основные достоинства двухвинтового судна сравнительно одновинтового?
Сделайте основной вывод об управляемости одновинтового судна на заднем ходу.