5.4 Силы возникающие от работы винта.

Гидромеханическое взаимодействие системы корпус — винт — руль очень сложно. Движитель, работающий вблизи корпуса судна, существенно изменяет его поле скоростей, что приводит к изменению гидродинамических сил, действующих на корпус. В свою очередь, поток воды, набегающий на винт, получает возмущения от корпуса перемещающегося корабля. Существенное влияние винт так же оказывает на расположенный позади него руль. В результате взаимодействия системы корпус — винт — руль . возникает целый ряд боковых сил, которые необходимо постоянно учитывать и рационально использовать при управлении маневрами судна.

Сила попутного потока.

Движущийся в воде корпус вызывает попутный поток, направленный в сторону движения судна. Причины его появления — трение пограничных слоев воды о корпус судна и стремление масс воды заполнить объем, вытесненный корпусом. Между скоростью попутного потока в месте расположения винта V_p и скоростью хода судна V существует соотношение V_p = V (1—ω), где ω — коэффициент попутного потока. Его значения для различных судов могут изменяться от 0,10 до 1,00. Таким образом, влияние корпуса на винт сводится к уменьшению скорости обтекания винта.

Рис.5.6. Сила попутного потока

Экспериментально установлено, что в верхней половине диска винта скорость попутного потока больше, чем в нижней. Неравномерность поля скоростей попутного потока в диске винта за один оборот вызывает изменение угла атаки и соответственно сил упора и момента на лопастях, проходящих верхнее и нижнее положения. Так, лопасть, находящаяся в верхнем положении, будет иметь больший угол атаки и соответственно большее сопротивление вращению, чем лопасть, находящаяся в нижнем положении. В результате возникает боковая сила, которая на переднем установившемся ходу (винт правого вращения) будет уклонять корму судна влево.

Сила попутного потока b проявляет себя в наибольшей степени на переднем установившемся ходу, вызывая уклонение кормы судна в сторону, обратную вращению винта.

Сила реакции.

Лопасти гребного винта, проходящие верхнее положение, находятся значительно ближе к поверхности воды, чем лопасти, проходящие нижнее положение. В результате этого происходит засасывание воздуха в верхние слои воды, что значительно изменяет силовые характеристики лопасти (упор и момент).

Влияние близости поверхности воды наиболее существенно проявляется при малом заглублении винта (у транспортных судов, следующих в балласте, лопасть в верхнем -положении вообще выходит из воды), в период неустановившегося движения (дача хода со «стопа»), при реверсах. Разность упора и момента на верхней и нижней лопастяx, приводит к образованию боковой силы реакции D. На установившемся ходу и с увеличением заглубления винта действие силы реакции резко уменьшается.

Рис.5.6. Действие силы реакции D.

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, встречает сопротивление воды, сила реакции которой будет направлена вначале справа налево (сила Д₁,а затем снизу вверх (сила Д₂); последняя на диаметральную плоскость судна не влияет, но дает вибрацию кормы.

Во 2-м секторе лопасть, переходя из положения 2 в положение 3, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена сначала снизу вверх (сила Д₂), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции достаточно плотных слоев воды (сила Д₃), направленную слева направо и значительно большую, чем сила Д₁. Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос — влево.

В 3-м секторе лопасть, переходя из положения 3 в положение 4, встречает сопротивление воды, сила реакции которой будет направлена вначале слева направо (сила Д₃), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции Д₄, направленную сверху вниз. На диаметральную плоскость судна эта сила не влияет, но дает вибрацию кормы.

В 4-м секторе лопасть, переходя из положения 4 в положение 1, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена вначале сверху вниз (сила Д₄), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции менее плотных слоев воды (сила Д₁), направленную справа налево, значительно меньшую, чем сила Д₃. Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос — влево.

Сила реакции D проявляется в наибольшей степени в период неустановившегося движения, вызывая уклонение кормы в сторону вращения винта.

Сила набрасываемой струи.

Гребной винт при вращении закручивает прилегающие к лопастям массы воды и отбрасывает их, образуя мощный спиральный поток. При движении судна вперед этот поток воздействует на расположенный позади винта руль. При движении задним ходом поток воздействует на кормовой подзор судна. Образованный винтом спиральный поток можно представить в осевой (аксиальной) и касательной (тангенциальной) составляющих. Аксиальная составляющая, воздействуя на расположенный за винтом руль, значительно повышает его эффективность и никаких боковых сил не вызывает. При движении судна задним ходом аксиальная составляющая, воздействуя на симметричные обводы кормы, также никаких боковых сил не вызывает.

Тангенциальная составляющая на переднем ходу воздействует на перо руля в левой верхней и правой нижней половинах.

Из-за несимметричности распределения попутного потока по осадке судна, а следовательно, и вызванных окружных скоростей в потоке, натекающем на руль, воздействие тангенциальной составляющей на правую нижнюю половину руля будет больше, чем на левую верхнюю. В результате возникает боковая сила набрасываемой струи С.

Рис.5.7. Действие силы С

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, отбрасывает слои воды в сторону от судна, и никакой силы набрасывания струи не образуется.

Во 2-м секторе лопасть, переходя из положения 2 в положение 3, набрасывает слои воды на нижнюю поверхность руля, где плотность воды значительно больше.. Руль должен был бы иметь стремление отклониться влево, но поскольку он установлен в диаметральной плоскости судна, сила набрасываемой струи устремляется на всю корму судна и отводит корму судна влево, а следовательно, нос идет вправо. Обозначим эту силу через С₁.

В 3-м секторе лопасть, переходя из положения 3 в положение 4, будет отбрасывать слои воды от судна, следовательно, никакой силы набрасывания струи не будет.

В 4-м секторе лопасть, переходя из положения 4 в положение 1, набрасывает снова слои воды, но уже с другой стороны, нежели во 2-м секторе, и на верхнюю часть руля. Обозначим эту силу набрасывания струи С₂. Действие этой силы будет меньше, чем действие силы набрасывания струи С₁ во 2-м секторе, вследствие меньшей плотности воды. Отсюда следует вывод: винт правого вращения на установившемся переднем ходу, действуя на руль, отклоняет корму судна влево, а нос — вправо

Сила набрасываемой струи С проявляется в наибольшей степени на установившемся ходу, вызывая при движении судна вперед уклонение кормы в сторону, обратную вращению винта.

На заднем ходу обтекание кормовой оконечности потоком будет, также, несимметричным в диске винта. В правой верхней половине диска винта, поток обтекает кормовую оконечность с большей полнотой, чем в левой нижней. В результате также возникает боковая сила набрасываемой струи.

На заднем установившемся ходу сила набрасываемой струи С вызывает уклонение кормы в сторону вращения винта.