Действие руля и гидродинамические силы,
возникающие на нем.
При перекладке руля на угол aР, на передней его плоскости, по закону Бернули, в следствии уменьшения скорости потока возникает область повышенного давления. На задней плоскости, где скорость потока увеличивается, давление понижается. Разность давлений приводит к
в
РРY
РР
РРX
Рис. 5.2. Силы действующие руль раскладывают на две составляющие
в осях координат, неизменно связанных с судном: РРY – поперечная гидродинамическая сила (подъемная сила), РРX –продольная гидродинамичес-кая сила (сила лобового сопротивления).
Гидродинамические силы связанные с равнодействующей следующим отношением:
Действие руля на переднем ходу.
РРY
РРY
РРY
RY
L/2
ℓ
M
G
Рис.5.3 Действие руля на переднем ходу.
Перекладка руля на переднем ходу сопровождается появлением боковой гидродинамической силы «РРY». Прикладывая к центру тяжести судна «G» две равные и противоположно направленные силы (РРY) получаем момент РРY*L/2. Действие момента РРY*L/2 сопровождается обратным смещением судна и появлением угла дрейфа «a». Наличие угла дрейфа приводит к изменению направления потока обтекающего подводную часть корпуса судна и появлению поперечной гидродинамической силы на корпусе судна «RY», приложенной к центру сопротивления судна и обратной по направлению силе (РРY). Таким образом, разворачивающий момент при движении судна на переднем ходу определяется как сумма моментов от сил РРY и RY.
M= РРY*L/2 + RY*ℓ.
Действие руля на заднем ходу.
На заднем ходу перекладка руля также вызывает появление силы РРY и действие момента РРY*L/2 и возникновение дрейфа судна. Появление дрейфа сопровождается возникновением силы RY и действием момента RY*ℓ. Однако действие момента RY*ℓ противоположно по направлению действию момента РРY*L/2.
Таким образом, разворот судна на заднем ходу будет происходить под действием разности моментов:
M= РРY*L/2 - RY*ℓ.
РРY
РРY
РРY
RY
L/2
G
ℓ
M
Рис.5.4. Действие руля на заднем ходу.
Поэтому управляемость судна под действием руля на заднем ходу значительно хуже, чем на переднем. Выход из установившейся циркуляции заднего хода с помощью одного руля практически невозможен.
Силы и моменты действующие на судно.
Все силы, действующие на судно, по принятой в настоящее время классификации разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.
К движущим относят силы, создаваемые средствами управления с целью придания судну требуемого линейного и углового движения. К таким силам относятся упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые САУ, и т. п.
К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы, обусловленные внешними источниками энергии, в большинстве случаев создают помехи при маневрировании.
К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей.
По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные.
Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений — линейного, углового, центростремительного.
Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению. При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.
Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью забортной воды, следовательно, являются гидродинамическими силами и моментами. При рассмотрении задач управляемости обычно, как уже отмечалось, используется связанная с судном подвижная система координат с началом в ц. т.(тG) Положительное направление осей: X — в нос; Y— в сторону правого борта; Z — вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако с оговорками в отношении угла перекладки, угла дрейфа и курсового угла ветра.
За положительное направление перекладки руля принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т. е. перекладку на правый борт (перо руля при этом разворачивается против часовой стрелки).
За положительный угол дрейфа принимается такой, при котором поток воды набегает со стороны левого борта и, следовательно, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.
Общий случай движения судна описывается системой из трех дифференциальных уравнений движения: двух уравнений сил — по продольной X и поперечной Y осям и уравнения моментов вокруг вертикальной оси Z.
Эта система в несколько упрощенном варианте имеет вид:
где m – масса судна
λ11 – присоединенные массы при движении по оси X;
λ22 - присоединенные массы при движении по оси Y;
VX – проекция скорости судна на ось X;
VY - проекция скорости судна на ось Y;
ω - угловая скорость судна;
J - момент инерции судна относительно оси Z;
RX – продольная гидродинамическая сила на корпусе;
RY – поперечная гидродинамическая сила на корпусе;
PE – полезная сила упора винта;
PPX – продольная сила давления воды на руль;
PPY – поперечная сила руля;
AX – продольная аэродинамическая сила;
AY – поперечная аэродинамическая сила;
MR – момент гидродинамической силы на корпусе;
MA – момент аэродинамической силы;
MP – момент поперечной силы руля.
Первое уравнение системы характеризует движение судна по оси «X» при разгоне и торможении, поэтому его решение позволяют оценивать инерционно-тормозные характеристики судна. Второе уравнение описывает закономерности поперечного смещения судна. Третье уравнение, характеризующее угловое движение, используется при оценки управляемости судов. Из данной системы видно, что при равномерном и прямолинейном движении судна, левые части уравнений будут равны нулю, а поперечного движения не будет. Исходя из этого система уравнений примет вид:
Pe = RX + AX + PPX
G
VX
PPX Pe AX RX
Рис.5.5. Силы, действующие на судно при прямолинейном движении.