Устойчивость на курсе и поворотливость

ЭЛЕМЕНТЫ И ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДНА

 

Содержание лекции: 1. Устойчивость на курсе и поворотливость.

Диаграмма управляемости.

Движение судна под влиянием переложенного руля.

Влияние параметров корпуса и руля на управляемость

Судна.

Совместное влияние сил гребного винта и руля при

Маневрировании.

Управляемость одновинтового судна на заднем ходу.

Управление многовинтовым судном.

 

Устойчивость на курсе и поворотливость

Управляемостью называется качество судна, позволяющее двигаться ему по заданной траектории или изменять направление движения в соответствии с воздействием средств управления.

Управляемость зависит как от свойств самого судна, определяемых комплексом: корпус – рулевое устройство – винт, так и от внешних условий: ветра, волнения, глубины и рельефа дна при плавании на мелководье, глубины и ширины канала при плавании в узкостях. Следует особо остановиться на оценке влияния скорости судна на его управляемость, поскольку это влияние проявляется неоднозначно. Гидродинамические силы и моменты на руле и корпусе судна пропорциональны квадрату скорости набегающего потока, поэтому при движении судна с установившейся скоростью, независимо от ее абсолютного значения, соотношения между указанными силами и моментами остаются постоянными. Следовательно, на разных установившихся скоростях траектории (при одинаковых углах перекладки руля) сохраняют свою формуи размеры. Но если в процессе маневра изменить частоту вращения винта, то изменится скорость потока, набегающего на руль, расположенный за винтом. При этом момент, создаваемый рулем, изменится сразу же, а гидродинамический момент на корпусе судна будет изменяться медленно по мере изменения скорости самого судна, поэтому прежнее соотношение между этими моментами временно нарушится, что приведет к изменению кривизны траектории, При увеличении частоты вращения винта кривизна траектории возрастет (радиус кривизны уменьшится) и наоборот. Когда скорость судна придет в соответствие с новой частотой вращения винта, кривизна траектории снова станет равной первоначальному значению.

Сказанное справедливо для случая штилевой погоды. При воздействии ветра определенной силы управляемость будет зависеть от скорости судна. Чем скорость меньше, тем больше влияния ветра на управляемость.

Управляемость характеризуется двумя свойствами судна: устойчивостью на курсе и поворотливостью.

Устойчивость. Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Различают два вида устойчивости: собственную (теоретическую) и эксплуатационную.

Собственная устойчивость – это способность судна, получившего угловую скорость от какого-либо возмущения, постепенно снова приходить в прямолинейное движение (на новом курсе) без помощи рулевого устройства.

 

Суда, не обладающие собственной устойчивостью, после прекращения внешнего воздействия вписываются в самопроизвольный поворот большей или меньшей кривизны.

Практически все торговые суда не обладают собственной устойчивостью, т.е. являются в большей или меньшей степени неустойчивыми.

Эксплуатационная устойчивость – это способность судна сохранять заданное направление движения с помощью перекладок руля. Очевидно, что все суда должны обладать эксплуатационной устойчивостью, однако характеристики этой устойчивости у различных судов будут разными. Кроме того, у каждого судна эксплуатационная устойчивость зависит от его осадки и дифферента. Эксплуатационная устойчивость зависит также как от степени собственной устойчивости, так и от эффективности рулевого устройства.

Для оценки эксплуатационной устойчивости на курсе часто применяют критерий Q:

(3.1)

Где: - средняя амплитуда рысканья судна;

- средняя амплитуда перекладок руля;

- скорость судна;

- длина судна между перпендикулярами;

- время, в течение которого выполнялись наблюдения;

n - число перекладок руля во время наблюдений.

 

Величина Q остается практически постоянной при данной загрузке судна и не зависит от индивидуальных качеств рулевого.

Поворотливость. Под поворотливостью подразумевается способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны. При отсутствии внешних воздействий поворотливость определяется характеристиками средства управления и характеристиками корпуса судна (включая его посадку).

Устойчивость судна на курсе и его поворотливость являются противоположными качествами: при улучшении устойчивости на курсе поворотливость ухудшается и наоборот. Поэтому при проектировании судна стремятся найти целесообразное сочетание этих качеств, в зависимости от типа и назначения судна.

Процесс поворота судна с переложенным рулем называется циркуляцией. Траектория, описываемая судном под влиянием переложенного на определенный угол пера руля, характеризуется радиусом циркуляции Rц. После окончания переходного процесса траектория судна приближается к окружности, а ее радиус приобретает установившееся значение: Rц = Rуст, т.к. линейная и угловая скорости, отношением которых определяется значение радиуса, становятся приблизительно постоянными.

Для сравнения поворотливости различных судов радиус циркуляции выражают в безразмерном виде

(3.2)

Где: - относительный радиус циркуляции;

– длина судна.

Величина, обратная радиусу циркуляции, называется кривизной, она также выражается в безразмерном виде

, (3.3)

Где: - относительная кривизна траектории или безразмерная угловая скорость;

- установившаяся угловая скорость, рад/с

- установившаяся линейная скорость судна, м/с.

 

Диаграмма управляемости

В качестве важного критерия управляемости судна на тихой воде используется зависимость относительной кривизны траектории от угла перекладки руля при установившейся циркуляции. Графическое изображение этой зависимости называют диаграммой управляемости. На рисунке 3.1 приведен пример диаграммы управляемости для судна, обладающего собственной устойчивостью на курсе. У такого судна каждому значению угла перекладки руля (на правый или левый борт) соответствует единственное значение относительной кривизны траектории установившейся циркуляции. Если судно обладает симметричной управляемостью вправо и влево, то кривая проходит через начало координат. Если же управляемость несимметрична, что часто встречается у одновинтовых судов, то кривая оказывается смещенной вправо или влево, а точка пересечения кривой с горизонтальной осью указывает требуемое положение руля, при котором обеспечивается прямолинейное движение судна.

На рисунке 3.2 показана диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе. Такое судно имеет свойство вписываться в самопроизвольную циркуляцию при прямом положении руля. Для того, чтобы прекратить самопроизвольную циркуляцию, например, вправо, необходимо переложить руль влево на угол - , а для прекращения левой циркуляции необходима перекладка руля вправо на угол + .

Углы перекладки руля + , называются предельными углами обратной поворотливости. При перекладках руля на указанные углы направление поворота меняется на обратное.

Площадь на диаграмме управляемости, ограниченная вертикальными прямыми, проведенными через точки + и - и участками ветвей диаграммы, называется зоной неустойчивости. В пределах этой зоны каждому углу перекладки руля соответствуют две траектории с кривизной разного знака. По каждой из этих траекторий судно способно совершать устойчивое движение. Каждому углу перекладки в пределах зоны соответствует еще одна траектория, кривизна которой определяется штриховой линией (рис. 3.2). Однако движение по этой траектории не является устойчивым. Для его поддержания необходимо непрерывное регулирование за счет перекладок руля.

Изложенное выше показывает, что диаграмма управляемости дает информацию не только о поворотливости, характеризуемой кривизной траектории, но также и об устойчивости на курсе.

 

Рисунок 3.1 - Диаграмма управляемости судна, обладающего собственной

устойчивостью на курсе.

 

Рисунок 3.2 - Диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе.