Мелководье
При плавании судна на малых глубинах происходит значительное ухудшение управляемости судна. Малые глубины начинают сказываться на управляемости при Н < 2d. Для предварительной оценки влияния мелководья на движение судна можно использовать формулу:
H ≤ 4d + 3V2/ g .
При плавании на малых глубинах крупнотоннажные суда маневрируют в условиях, когда ухудшается поворотливость, но судно хорошо держится курса.
Влияние совместной работы гребного винта и руля на управляемость судна
(рассматривается винт правого вращения фиксированного шага – ВПВФШ)
Увеличение площади руля ведет к возрастанию поперечной силы руля, но в это же время возрастает демпфирующее действие руля. На практике установлено, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки. Увеличение относительного удлинения руля (отношение высоты руля к его средней ширине) при его неизменной площади приводит к возрастанию поперечной силы руля, что приводит к незначительному улучшению поворотливости. Расположение пера руля в струе, отбрасываемой винтом, способствует увеличению эффективности руля и улучшению поворотливости. Эффект винтовой струи проявляется тем больше, чем большая площадь руля попадает в поток от винта.
Работающий винт участвует одновременно в двух движениях: перемещается поступательно вдоль своей оси со скоростью Ve относительно воды и вращается вокруг той же оси с угловой скоростью ω , пропорциональной числу оборотов в секунду. Элемент лопасти винта можно рассматривать как крыло, движущееся под углом атаки α к потоку жидкости, который работает по принципу подъемной силы, за счет которой создается упор винта Р.
Силы, возникающие на винте и руле
Практически на работу движителя существенное влияние оказывают: корпус судна, различные направляющие устройства, а также свободная поверхность жидкости. Между частями такого комплекса возникает гидродинамическое воздействие, обусловленное появлением поперечных сил, которые можно подразделить на: силы, связанные с попутным потоком воды; силы реакции воды на винт; силы струи от винта, набрасываемой на руль или корпус.
При перемещении изолированного корпуса судна (без винтов) в жидкости со скоростью Ve течение жидкости, возникающее в кормовой части из-за создавшегося разрежения после прохождения судна, направлено в сторону перемещения судна и называется попутным потоком. В различных сечениях кормовой части судна возникает неравномерное распределение скоростей потока жидкости, в котором будет работать движитель. Интенсивность попутного потока изменяется и по глубине: в верхней части поток будет иметь большую скорость, чем в нижней, поэтому углы атаки при прохождении лопастями верхнего положения имеют наибольшее значение. Лопасть винта в верхнем положении испытывает большие силы сопротивления вращению, чем в нижнем. Таким образом, возникает неуравновешенная сила «в», которая при винте правого вращения стремится переместить корму судна влево. Эта сила возникает только при движении судна вперед и называется силой попутного потока.
Кроме попутного потока на работу винта оказывает влияние и близость поверхности воды: возникает подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта независимо от направления его вращения. Вследствие этого, лопасти в верхнем положении при вращении испытывают меньшую силу реакции воды, чем в нижнем. Т. о. возникает результирующая сила реакции воды «R», всегда направленная в сторону вращения винта: при работе винта вперед стремится сместить корму вправо, а при работе назад – влево. С уменьшением осадки кормой и, особенно при частичном оголении винта боковая сила реакции воды возрастает.
Для более полной оценки влияния боковых сил на поведение судна нужно еще учитывать взаимодействие винтовой струи с рулем и корпусом судна. Гребной винт при вращении вперед или назад не только отбрасывает поток воды в противоположную сторону, но и его закручивает, т. е. придает потоку не только поступательную (аксиальную), но и окружную (тангенциальную) скорость. При этом, независимо от направления вращения винта, в верхней части диска за счет влияния близкой поверхности тангенциальная скорость потока меньше, чем в нижней.
При работе винта правого вращения на передний ход закручивание потока приводит к косому натеканию воды на руль. Скос потока в верхней половине струи направлен вправо, а в нижней – влево. Причем скос потока в нижней части благодаря повышенной тангенциальной скорости больше, чем в верхней, а отсюда и сила воздействия струи на единицу площади руля внизу больше. Если площадь пера руля, попадающая в струю, распределяется поровну между верхней и нижней половинами струи, то на переложенный руль будет воздействовать результирующая сила набрасывания воды или сила набрасываемой струи «с», которая стремится сместить корму влево.
При вращении винта назад закругленный поток воды набрасывается на корму. Т. к. поток закручивается против часовой стрелки, то с правого борта под кормовым подзором создается повышенное давление воды, а с левого борта – пониженное. В связи с перепадом давления результирующая сила – сила набрасывания струи на корпус, всегда направлена влево, т. е. стремится развернуть корму влево. Сила этого потока не влияет на руль, находящийся в прямом положении (в ДП). При руле, положенном вправо, струя потока воды будет оказывать давление на левую сторону пера руля и вызовет понижение давления с его правой стороны – корма будет стремиться идти вправо. При левом положении руля корма судна будет уклоняться в сторону переложенного руля.
Для одновинтового судна с правым шагом вращения, рулем прямоугольной формы, при отсутствии ветра и течения справедливы следующие положения при условии, что винт и руль полностью погружены в воду:
1. Гребной винт работает вперед, руль прямо:
а) в начале движения корма уклоняется вправо, и судно идет влево тем больше, чем больше частота вращения винта;
б) при увеличении скорости движения уклонение судна влево уменьшается;
в) при установившейся скорости движения вперед корма – влево, нос – вправо;
г) при движении вперед по инерции судно имеет небольшое уклонение носа вправо.
2. Гребной винт работает вперед, руль отклонен:
а) нос отклоняется в сторону отклоненного руля;
б) поворотливость большинства судов вправо лучше, чем влево.
3. Гребной винт работает назад:
а) в начале движения назад при любом положении руля корма идет влево, судно поворачивает вправо;
б) при установившейся скорости движения назад уваливание кормы влево можно уменьшить, переложив руль «право»;
в) при движении судна по инерции назад его корма отклоняется в сторону кладки руля.
4. Гребной винт работает назад, судно имеет ход вперед:
а) при положении руля «прямо» корма отклоняется влево, нос – вправо;
б) при отклоненном руле нос идет в сторону положенного руля, пока есть ход вперед.
5. Гребной винт работает вперед, судно имеет ход назад:
а) при положении руля «прямо» корма пойдет вправо, нос – влево;
б) при отклоненном руле и большой инерции судна назад корма отклонится в сторону положенного руля; по мере уменьшения хода назад отклонение кормы в сторону руля будет уменьшаться и при малой инерции назад нос пойдет в сторону положенного руля, как на переднем ходу судна.