Движение судна под влиянием переложенного руля.

Руль (перо руля) представляет собой крыло за кормой судна, способное поворачиваться вокруг вертикальной оси на углы 30 – 35 градусов вправо и влево.

Основными геометрическими характеристиками, определяющими его эффективность, являются площадь Sр и высота h (по балеру ), а также размеры и форма подводной части корпуса.

За начало циркуляции судна под влиянием сил и моментов переложенного руля принимается момент начала перекладки руля.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными. Процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период – маневренный, продолжается в течение времени перекладки руля.

Второй период – эволюционный, начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения.

Третий период – установившийся, начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в переложенном положении.

Переложенный на угол руль, как и всякое крыло, развивает подъемную силу - боковую силу руля, Ррy. Приложим, для наглядности, в ЦТ судна две силы, равные по модулю силе Ррy и направленные в противоположные стороны, как показано на рисунке 3.3. Эти две силы взаимно компенсируются, т.е. не оказывают влияния на корпус судна, но их совместное рассмотрение вместе с боковой силой руля Ррy позволяет понять, что корпус судна одновременно испытывает воздействие поперечной силы Ррy, приложенной в центре тяжести G, и момент боковой силы руля Мр относительно вертикальной оси Z, проходящей через ЦТ.

В первый период после начала циркуляции под влиянием поперечной силы Ррy ЦТ судна приобретает боковое перемещение во внешнюю сторону циркуляции, обратное смещение. Возникает угол дрейфа , а значит и поперечная гидродинамическая сила на корпусе Ry, направленная внутрь циркуляции. Ее точка приложения смещена в нос от ЦБС, положение которого при отсутствии большого дифферента можно считать совпадающим с ЦТ судна. Момент силы Ry – Mr в этом начальном периоде циркуляции имеет тот же знак, что и момент руля Мр, поэтому появляется и начинает быстро возрастать угловая скорость.

Далее, под влиянием поперечной силы Ry, траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т.е. радиус циркуляции, который вначале стремился к бесконечности, начинает уменьшаться.

Рисунок 3.3 - Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начальной стадии циркуляции.

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом R_G каждая точка по длине судна относительно общего центра циркуляции, О описывает свою траекторию, радиус кривизны которой отличается от R_G (рис. 3.4). При этом каждая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. Соответственно, в нос от ЦТ углы дрейфа уменьшаются.

Если из центра циркуляции, О опустить перпендикуляр на ДП, то в полученной точке ПП угол дрейфа будет равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота (ПП), ( PP – pivot point, центр вращения).

У большинства судов ПП располагается вблизи носовой оконечности, на расстоянии 0,4L от мидельшпангоута (ЦТ).

Рисунок 3.4 - Силы, действующие на судно при криволинейном движении на развитой стадии циркуляции.

Угол дрейфа на циркуляции равен:

, (3.4)

Где: – расстояние ПП от ЦТ.

Для произвольной по длине судна точки «а» угол дрейфа равен

(3.5)

где – расстояние точки «а» от ЦТ (в нос +, в корму -).

На носовом участке корпуса от ПП до носового перпендикуляра поток воды набегает на корпус со стороны внутреннего борта, поэтому углы дрейфа на этом участке имеют знак, противоположный углам дрейфа на участке от ПП до кормового перпендикуляра, на котором поток воды набегает со стороны внешнего борта.

Под углом дрейфа на циркуляции подразумевается угол дрейфа ЦТ судна.

На судах, имеющих крутую циркуляцию, угол дрейфа может достигать 20 градусов и более.

При движении судна по криволинейной траектории возникает центробежная сила Рц, приложенная к его центру тяжести и направленная по радиусу циркуляции во внешнюю сторону. Вследствие угла дрейфа эта сила имеет продольную Рцх и поперечную Рцy составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила Ррх) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к некоторому установившемуся значению Vуст.

Чем больше кривизна траектории, тем больше снижается скорость на циркуляции. На крупнотоннажных судах во время циркуляции с рулем на борту скорость может снижаться на 1/3 при повороте на 90 градусов и вдвое при повороте на 180 градусов.

Типичная циркуляция судна с переложенным на борт рулем показана на рисунке 3.5.

Геометрические элементы циркуляции следующие:

выдвиг l₁ - расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направлении первоначального курса от начальной точки циркуляции до точки, соответствующей изменению курса на 90 градусов;

прямое смещение l₂ - расстояние от линии первоначального курса по нормали до ЦТ судна к моменту изменения курса на 90 градусов;

обратное смещение l₃ - максимальное смещение ЦТ судна от линии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворота, происходящее в начале циркуляции под влиянием боковой силы руля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно не превышает ширину судна, а на некоторых судах и вовсе не наблюдается);

тактический диаметр циркуляции Dт - расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180 градусов;

диаметр установившейся циркуляции Dуст – расстояние между положениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180 градусов при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180 градусов от начального курса движение приобретает установившейся характер, а траектория принимает форму окружности.

Поскольку при выполнении практических маневров обычно не изменяют курс более, чем на 180 градусов, то можно считать, что все маневры выполняются при неустановившемся движении.

Основные элементы циркуляции, выраженные в длинах корпуса, выдвиг, прямое смещение, тактический диаметр и диаметр установившейся циркуляции для одновинтовых судов можно приближенно определить по эмпирическим формулам, которые приведены с указанием среднеквадратических отклонений (в процентах):

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Где: - угол перекладки руля, градусы;

- угол дифферента градусы;

- фактор корпуса и руля, рассчитанный по формуле:

(3.10)

- коэффициент полноты погруженной площади ДП;

S% - относительная площадь руля, в процентах ().

Пользуясь фактором корпуса и руля Ф, можно также определить относительную скорость судна на установившейся циркуляции.

(3.11)

Приведенные формулы дают средние значения элементов циркуляции без учета несимметричности траекторий при поворотах вправо и влево, иногда наблюдаемых на одновинтовых судах. Несимметричность траекторий возникает также при крене. Поворотливость ухудшается в сторону накрененного борта и улучшается в сторону повышенного борта

Рисунок 3.5 – Элементы циркуляции