3.2.2. Геометрические характеристики рулей.

Любой проектируемый объект характеризуется перечнем параметров, определяющих его геометрию. В число характерных параметров входят

- тип проектируемого руля подвесной балансирный;

- площадь руля ;

- высота руля ;

- форма профиля руля профиль NACA;

- хорда профиля ;

- толщина профиля ;

- площадь балансирой части руля .

По исходной информации о руле рассчитываются относительные величины прямо связанные с гидродинамическими силами и моментами, действующими на руль. Перечень величин приведен ниже.

1. Хорда профиля руля. Если руль прямоугольной формы в плане, то хорда профиля руля постоянна по высоте руля.

Чаще рули выполняются трапециевидными в плане. В этом случае хорда профиля оказывается переменной по высоте. Тогда для характеристики руля говорят о средней хорде, определяемой соотношением

. . (3.1)

Аналогичным образом определяют среднюю хорду полубалансирного руля.

2. Удлинение руля. Отношение высоты руля к средней хорде руля определяет удлинение руля, которое может быть рассчитано по формуле

.

3. Коэффициент компенсации. Коэффициент компенсации руля определяет положение оси баллера руля относительно носика профиля и рассчитывается как отношение площади балансирной части руля ко всей площади. Формула для расчета имеет вид

.

4. Относительная толщина профиля. Относительная толщина профиля определяется как отношение толщины профиля к хорде руля, измеренные в одном из сечений. Относительная толщина профиля сохраняется неизменной по высоте руля.

Если руль имеет трапециевидную форму в плане и хорда руля переменна по высоте, то и толщина руля будет переменной.

3.2.3. Гидродинамические характеристики рулей

Как указывалось выше, судовой руль представляет собой крыло малого удлинения

и все выводы теории крыла должны быть справедливы и для изолированного руля. Аналогично определениям, принятым в теории крыла, гидродинамическими характеристиками руля будем называть безразмерные значения действующих на руль сил и моментов.

Силы и моменты, возникающие на руле, воспринимаются корпусом судна через баллер руля. Поэтому, определенные тем или иным способом гидродинамические характеристики руля используются в расчетах прочности баллера и опорных подшипников, а гидродинамический момент – для выбора рулевой машины. Величина боковой силы на руле, воспринимаемая корпусом в точке крепления руля, то есть в точке расположения оси баллера, обеспечивает заданные характеристики управляемости.

Гидродинамические характеристики руля, как правило, определяются экспериментально на геометрически подобной модели и представляются в зависимости от угла перекладки руля в системе координат, связанной с судном.

Значения сил и моментов можно определять различных экспериментальных установках: на изолированном руле, на комплексе винт – руль, на самоходной буксируемой модели. В процессе эксперимента измеряются значения сил и моментов на баллере модели руля. Полученные результаты приводятся к безразмерному виду традиционным для гидродинамики способом

- продольная составляющая гидродинамической силы ;

- боковая составляющая гидродинамической силы ;

- гидродинамический момент ,

где индексом «m» обозначены величины, определенные на модели.

Считается, что гидродинамические характеристики, определенные на модели, равны соответствующим значениям для судна.

Поэтому, рассчитать силы и моменты на натурном руле можно по следующим формулам

- для продольной силы

- для боковой силы

- для момента

Для расчета прочности баллера руля требуется значение составляющей силы, действующей перпендикулярно плоскости руля (нормальной составляющей силы) и составляющей силы, действующей вдоль его хорды (тангенциальной составляющей силы). Расчет может быть выполнен по следующим формулам

- тангенциальная составляющая силы ;

- нормальная составляющая силы .

Эффективность руля. Эффективность руля иногда определяют по значению производной боковой силы на руле по углу перекладки или по углу наклона кривой безразмерной боковой силы на руле к оси абсцисс.

Значения гидродинамических характеристик, измеренные на баллере подвесного балансирного руля, показаны на рис. 3.5.

а) безразмерная боковая и продольная силы на баллере руля

б) безразмерный гидродинами-ческий момент

Рис. 3.5. Гидродинамические характеристики рулей.

Действительно на изолированном руле:

- боковая сила, как и подъемная сила на крыле, изменяется с изменением угла перекладки по линейному закону (рис. 3.5а, черные точки);

- для боковой силы характерен ранний срыв потока, который наблюдается при углах перекладки 17^о – 20^о;

- момент гидродинамической силы на баллере практически не меняется при изменении углов перекладки в пределах от -20^о до + 20^о (рис. 3.5б, черные точки).

Картина меняется, если руль располагается в струе гребного винта.

Вследствие турбулизации набегающего потока, срыв потока затягивается до углов перекладки 30^о – 35^о (рис. 3.5а, белые точки), что должно благоприятно влиять на управляемость судна. Однако, одновременно с изменением боковой силы начинает изменяться и момент на баллере руле (рис. 3.5б, белые точки), увеличивая нагрузку на рулевую машину.

Продольная составляющая гидродинамической силы остается практически неизменной.

Необходимо отметить, что величина боковой силы на не переложенном руле может отличаться от нуля. Это можно объяснить двумя факторами: разворотом руля в исходном положении относительно набегающего потока (для изолированного руля) или не симметрией потока обтекающего руль (для руля, установленного за гребным винтом).

Изменение направления вращения гребного винта влияет на величину боковой силы при не переложенном руле. Поэтому, на двухвинтовых судах, оборудованных винтами разного вращения, суммарное значение боковых сил при не переложенном руле равно нулю. Для одновинтового судна оно всегда отлично от нуля.

Обобщая сказанное выше, отметим следующее:

боковая сила на руле изменяется в зависимости от угла перекладки руля по линейному закону.