3. Рули и поворотные насадки.

1. Классификация рулей и поворотных насадок

Рули бывают активные и пассивные.

Активные рули обеспечивают управляемость судна без хода и на малых скоростях, когда обычные рули не эффективны. В их качестве могут применяться:

–  перьевые рули с встроенными винтами и электродвигателями;

–  крыльчатые движители;

–  поворотные колонки;

–  поворотные насадки с раздельным управлением;

–  подруливающие устройства.

Пассивные рули обеспечивают управляемость судна на ходу. К ним относятся перьевые рули и поворотные насадки при совместном управлении.

Перьевые рули.

По конструкции различают:

–  плоские (пластинчатые);

–  обтекаемые.

В плане (вид сверху)

Пластинчатые(плоские) Обтекаемые

По количеству опор рули бывают подвесные, одноопорные и многоопорные.

По форме контура пера руля различают прямоугольные и произвольной формы, часто повторяющие очертания кормовой оконечности судна.

По расположению оси вращения рули подразделяются на:

–  простые;

–  полубалансирные;

–  балансирные.

Рассмотрим на примере плоских рулей прямоугольной формы:

Введем обозначения:

S – площадь пера руля;

S₁ – площадь выступающей части пера руля;

h – высота пера руля;

h₁ – высота выступающей (балансирной) части пера руля;

b – ширина пера руля – расстояние от набегающей кромки до кормовой оконечности пера руля;

b₁ – ширина балансирной части руля – расстояние от набегающей кромки до оси вращения.

Простой руль. Для упрощения расчетов считают, что набегающая кромка пера руля совпадает с осью вращения.

Полубалансирный руль, когда высота выступающей (балансирной) части не равна высоте пера руля:

h > h₁

Балансирный руль, когда высота балансирной части равна высоте руля.

Балансирный и полубалансирные рули характеризуются коэффициентом компенсации, под которым понимают отношение площади выступающей части к полной площади пера руля:

Для балансирных рулей:

Число рулей на судне может быть 1, 2, 3, 4 и т.д. Они устанавливаются как за винтами, так и между ними. Наиболее эффективны рули при установке за винтами.

Поворотные направляющие насадки.

По конструкции различают:

–  насадки без стабилизатора;

–  с неподвижным стабилизатором;

–  с управляемым стабилизатором.

По числу опор бывают насадки подвесные и насадки с одной опорой на пятке.

По длине окружности охвата винта насадки бывают полные и неполные.

Полная направляющая насадка представляет собой кольцевое крыло, имеющее в продольном сечении форму аэродинамического профиля и охватывающее с минимальным зазором гребной винт.

Из опыта проектирования и эксплуатации установлены оптимальные размеры:

Дн ≤ 1,02 Дв;                   lн = (0,7 ÷ 0,9) Дв

Поворотные насадки характеризуются коэффициентом раствора α_н и коэффициентом расширения β_н.

Особенность действия насадки, по сравнению с простым рулем, возникновение гидродинамических сил, стремящихся повернуть насадку на больший угол по отношению к набегающему потоку.

Для компенсации вращающего момента этих сил устанавливается стабилизатор, высота стабилизатора h_СТ = Д_ВЫХ , длина l_СТ = 0,6 Д_Н (при увеличении длины стабилизатора возрастает момент заднего хода М_З.Х. на баллере, при уменьшении – ухудшается устойчивость судна на курсе).

Применение поворотных насадок (ПН) улучшает условия работы двигателя:

–  повышается КПД, так как увеличивается площадь сечения струи винта при прочих равных условиях(частота вращения, упор). Так у буксиров поворотные насадки увеличивают тягу на гаке на 50 % на швартовах, на 20 – 30 % при ходе с составом и может увеличиться скорость порожнем;

–  улучшаются условия работы винта при волнении из-за демпфирующего свойства ПН;

–  уменьшается качка судна и уменьшаются перепады нагрузки на главных двигателях.

На быстроходных судах ПН не применяют из-за повышенного лобового сопротивления.

2. Действие потока воды на перо руля. Поворачивающий судно момент.

При прямолинейном движении судна и отклонении руля от диаметральной плоскости (ДП) на угол α (будем считать равным углу атаки, то есть углу, под которым поток набегает на плоскость пера руля) на пере руля под действием набегающего потока воды возникают силы давления. Поле сил давление может быть представлено равнодействующей силой Р, нормальная составляющая которой Р_n направлена перпендикулярно продольной оси пера руля.

Разложим Р_n на составляющие:

Р₂ = P_n • sinα – продольная составляющая, лежащая практически в диаметральной плоскости. Может быть перенесена в центр тяжести судна. Отсюда видно, что она оказывает дополнительное сопротивление движению судна.

Р₁ = P_n • cosα – поперечная составляющая .

Поместим в центр тяжести судна взаимно уравновешивающиеся силы Р′ и Р″, равные и параллельные силе Р₁. Силы Р₁ и Р′ составляют пару сил, плечо которой можно считать приблизительно равным половине длины судна L. Они образуют момент, поворачивающий судно в сторону перекладки руля.

Сила Р″ называется силой дрейфа. Она сносит судно боком во внешнюю сторону описываемой им дуги и создает, из-за наличия метацентрической высоты, крен судна.

Установлено, что нормальная составляющая Р_n пропорциональна площади пера руля, квадрату скорости потока воды из под винтов (скорости движения судна) и sinα.

где: S – площадь пера руля, м²;

        V – скорость судна, м/с;

         k – коэффициент пропорциональности, зависящий от угла перекладки, от обводов корпуса судна, глубины акватории.

Для различных типов рулей значения коэффициента k устанавливаются экспериментально и задаются в виде графиков и таблиц.

Для прямоугольных плоских рулей проф. Полонский предложил аналитическое выражение для коэффициента k:

В общем виде:

[кН]

[кН•м]

Это выражение имеет максимум при 0 < α < 90⁰. Если взять производную по углу α и приравнять к нулю, то получим:

При решении найдем, что максимальный момент будет при α = 35,9⁰.

Следовательно, для эффективного поворота судна прикладывать руль на больший угол нет необходимости.

Отсюда и требования Регистра – перекладка руля от 35⁰ одного борта до 35⁰ другого за время менее 30 с.