Маневренности судна

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ

Требования к управляемости и

маневренности судна

Элементы теории рулевого устройства. Главной задачей рулевого устройства является обеспечение управляемости, или способности судна двигаться по заданной траектории, либо менять направление движения в соответствии с заданием судоводителя при противодействии внешних сил – ветра, волн или течения, которые отклоняют судно от заданного курса.

Потеря управляемости из-за отказа рулевого устройства грозит безопасности плавания судна и нередко приводит к его гибели. Следовательно, управляемость – это эксплуатационное свойство, присущее каждому судну, как плавучему объекту, и зависящее от его индивидуальных гидродинамических качеств, определяемых формой и размерами пера руля и судна в целом. Эти качества оказывают большое влияние на скорость судна u_s, и скорость попутного потока u_р, который, обтекая корпус судна, взаимодействует с ним в кормовой части (см.рис.198), образуя засасываемый винтом поток u '_р. На выходе из винта поток отбрасывается со скоростью u^''_p. Таким образом, перо руля работает в суммарном потоке, вызванном взаимодействием двух элементов пропульсивного комплекса – корпуса судна u ^'_р и гребного винта u''_р:

u_р = u ^'_р + u''_р.

В этой роли оно выполняет функцию симметричного несущего крыла обтекаемой формы и обладает своими гидродинамическими качествами, По отношению к потоку u_р перо руля выполняет роль пассивного отражателя – как средства управления судном.

Управляющие функции пера руля – как крыла, обеспечиваются благодаря созданию на нем давления р, равного силе упора Р винта и образованию за счет этого подъемной Q и поперечной У сил, поворачивающей судно в заданном направлении.

Перо руля вместе с рулевой машиной является исполнительным элементом рулевого устройства, задачей которого является обеспечение баланса сил, прикладываемых к баллеру со стороны пера руля и рулевой машины. Поэтому размеры пера и создаваемая им подъемная сила должны соответствовать типу рулевой машины, которая должна создать уравновешивающий эту силу момент сопротивления вращению на баллере.

Рулевые устройства с пером руля в виде крыла, смонтированного в кормовом подзоре судна позади гребного винта, называют пассивными рулями, наряду с которыми применяют и активные рули. Последние могут выполнять одновременно две роли: быть как средство управления судном при отсутствии хода и одновременно - средством движения судна на малых ходах, что повышает маневренные качества судна при швартовке.

В целях обеспечения надежной управляемости пассивное рулевое устройство морского судна неограниченного района плавания должно иметь три привода: основной, запасной иаварийный.

Основной привод должен обеспечивать непрерывную перекладку руля с борта на борт при максимальной скорости переднего хода и полной осадке судна, при этом время перекладки руля основной рулевой машиной с крайнего положения 35° одного борта до 30° другого не должно превышать 28 с.

Мощность запасного рулевого привода должна обеспечивать непрерывную пе­рек­лад­ку руля с борта на борт при скорости переднего хода, рав­ной половине максимальной, но не менее 7 уз при полной осадке судна и воздействии на баллер руля номинального крутящего момента в течение не менее 10 мин. При этом время перекладки руля от 20⁰ одного борта на 20⁰ другого борта не должна превышать 60 с.

Запасный рулевой привод должен действовать независимо от основного, и его устанавливают на всех су­дах (неограниченного и каботажного плавания), кроме судов с основными руч­ными приводами при наличии аварийного румпеля, судов с несколь­кими раздельно управляемыми рулями и судов с одной электрогид­рав­ли­ческой рулевой машиной при наличии двух независимых гид­ронасосов. Переход с основного на запасное рулевое управление должен осуществляться за время, не превышающее 2 мин.

В обоих случаях двигатель привода руля должен выдерживать перегрузку по моменту не менее 1,5 расчетной в течение 1 мин. Время перехода с основного на запасной привод не должно превышать 2 мин. Рулевая машина должна включаться в работу сразу же с момента поворота штурвала, расположенного на любом из имеющихся постов управления.

Только при соблюдении этих требований дается право на выход судна в море и гарантируется его безопасное плавание в открытом море при воздействии ветра и течений, маневрировании судна в узких фар­ватерах, швартовка в портах.

Аварийный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с борта на борт при скорости переднего хода не менее 4 уз без ограничения времени перекладки и усилия на рукоятке штурвального колеса.

Запрещается выход судна в море при оговоренных в Правилах неисправностях и повреждениях рулевого устройства.

Предусмотрена периодическая проверка деталей основного и запасного приводов на прочность при действии на них усилий, равных расчетному крутящему моменту.

Допускается, чтобы основной, запасный и аварийный рулевые приводы или два агрегата основного привода имели некоторые об­щие части, например румпель, сектор, редуктор или цилиндровый блок, но при условии, что конструктивные размеры этих частей будут увеличены в соответствии с требованиями Регистра.

Около каждого поста управления рулевым приводом должен быть указатель положения пера руля. Такие указатели должны быть и в румпельном отделении. Точность показаний относительно истинного положения пера руля должна быть не менее: 1° - при положении руля в диаметральной плоскости; 1,5° - при углах пе­рекладки от 0 до 5°; 2,5° - при углах перекладки от 5 до 35°.

Требования к управляемости и маневренности судна. Главное свойство управ­ляемости - устой­чивость движения судна на курсе, а маневренности – поворотливость судна при перекладке руля.

Под устой­чивостью движения судна понимают его способность сохранять заданный режим и направление движения. Большей частью, заданный режим отождествляют с прямо­линейным движением судна. В этом случае говорят об устойчивости суднана прямом курсе. Если судно способно держаться на прямом курсе без маневрирования органом управления (пером руля), такая устойчивость назы­вается автоматической. Если же судно держится на прямом курсе за счет маневрирования органом управ­ления, то такую устойчивость называют эксплуатационной.

Однако свойство устойчивости на курсе не связано со свойством маневренности - поворотливостью, под которой понимают способность судна изменять направление прямолинейного движения и перемещаться по заранее заданной криво­линейной траектории. Улучшение устойчивости на курсе обычно приводит к ухудшению поворотливости и наоборот.

Показателями устойчивости судна на курсе являют­ся частота и средний угол перекладки руля, а также период и средний угол отклонения диаметральной плос­кости от заданного курса - угол рыскания судна.

Показателем поворотливости судна является отно­сительный диаметр циркуляции (диаметр циркуляции, выраженный в длинах судна).

Устойчивость на курсе и поворотливость судна зави­сят от взаимного расположения центра тяжести судна, точки приложения движущих судно сил и точки прило­жения сил

сопротивления движению судна (рис.199).

Взаимное расположение этих точек меняется с из­менением многих факторов. Центр тяжести (ЦТ) перемещает­ся по длине и высоте судна при изменении расположе­ния груза в трюмах и на палубе, т. е. при изменении осадки, крена и дифферента судна. Так, при концентра­ции груза в средней части судна его поворотливость улучшается; при крене судно уваливает в сторону воз­вышенного борта, где гидродинамическое сопротивление корпуса меньше.

Точка приложения движущих судно сил Р_е меняет свое положение с изменением режима работы движителя, под воздействием гидродинамических сил, усилий бук­сирных тросов.

Ось вращения судна G проходит через центр сил со­противления движению. Точка приложения сил сопро­тивления перемещается с изменением действия всех упомянутых факторов. Главное воздействие на изменение центра сил сопротивления оказыва­ет характер движения судна: на переднем ходу он располагается ближе к носу судна, что улучшает эффективность поворота судна из-за роста момента сил. При движении судна назад центр сил сопротивления смещается к корме и поворотливость судна ухудшается.

Маневренный период по времени совпадает с про­должительностью перекладки руля на максимальный угол, которая составляет 10-15 с. Для него характерно следующее: сила сопротивления руля приводит к некоторому снижению скорости хода судна. Под действием тяги винта и боковой силы судно движется вперед и получает боковое смещение (дрейф) в сторону, противопо­ложную перекладке руля. Траектория центра тяжести судна (ЦТ) искривляется в сторону, обратную повороту (рис.200.). Одновременно с этим начинается вращательное движение с положительным угловым ускорением вокруг оси, проходящей через ЦТ, и судно отклоняется носом в сторону поворота. С течением времени угол дрейфа b увеличивается.

Обратное смещение затухает по мере возрас­тания центробежной силы инерции, приложенной к центру тяжести судна и направленной во внешнюю сто­рону поворота. Оно обычно не превышает полушири­ны судна, но в связи с тем, что смещение выносит судно за внешнюю сторону циркуляции, его нужно осо­бо учитывать при маневрировании в условиях стеснен­ной обстановки.

При дальнейшем движении судна цир­куляция принимает ус­тановившийся харак­тер, величина крена уменьшается и угол крена стабилизируется. Величина крена пропор­циональна углу перекладки руля и квадрату скорости судна. Увеличение скорости незначительно увеличивает диаметр циркуляции, но рез­ко увеличивает крен судна. Поэтому на значительных скоростях опасно перекладывать руль на большой угол, особенно на судах, обладающих малой поперечной ос­тойчивостью.

Согласно нормам Регистра крен судна на по­воротах и циркуляции не должен превышать 12°.

Движение судна при манев­рировании характеризуется скоростью поступательного движения его центра тяжести и угловой скоростью по­ворота. Перемещение судна в каждый момент можно рассматривать как вращение его в горизонтальной пло­скости вокруг точки, расположенной не обязательно внутри корпуса судна, которая называется мгновенным центром вращения.

При отклонении руля от пря­мого положения на движущееся судно действуют силы, вызывающие крен: возникает гидродинамический инерционный момент, обусловленный линейным ускоре­нием движения судна в направлении, перпендикуляр­ном его диаметральной плоскости. Величина крена зависит от угла атаки руля, пропор­циональна массе судна и квадрату его скорости.

Отношение диаметра установившейся циркуляции к длине судна (D_ц /L) принято считать мерой поворотливости судна и определять опытным путем. По данным проф. В. Л. Поздюнина отношение D_ц к L для судов различных типов в среднем состав­ляет:

Морские средние и малые пассажирские суда … 4-5

Большие грузовые суда..............................................5 -6,5

Средние»».........................................4 -5

Ледоколы ……………………………………………2-4

Буксиры………………………………………………1,5-2,3.

Чем меньше отношение D_ц к L, тем большей поворотливостью обладает судно.

Период циркуляции представляет собой время, необходимое для поворота судна на 360^о, и составляет 3-6 мин.