3.2.4. Влияние геометрии руля на его гидродинамические характеристики

Известно, что увеличение гидродинамической силы на руле приводит к улучшению поворотливости. Примем это пока за рабочую гипотезу и рассмотрим вопрос о возможностях увеличения подъемной силы на руле.

1. Влияние площади руля. Как было постулировано выше, с увеличением площади руля боковая сила растет. Это подтверждается и результатами многочисленных измерений. Однако, увеличивать площадь руля можно лишь в небольших пределах, поскольку руль должен быть вписан в кормовой подзор судна, изменить который практически невозможно.

2. Влияние скорости. Изменение скорости потока, набегающего на руль, также не дает желаемого результата, поскольку все гидродинамические силы и моменты увеличиваются пропорционально квадрату скорости и равновесие сил не изменится.

3. Влияние удлинения. Вспомним, что удлинение руля определяется как отношение высоты руля к средней хорде руля. С увеличением удлинения растет угол наклона безразмерной боковой силы к оси абсцисс, то есть растет эффективность руля. Однако для рулей большого удлинения характерен более ранний срыв потока.

4. Влияние коэффициента компенсации.

К оэффициент компенсации определяется как отношение площади балансирной части руля к полной площади. Для прямоугольного в плане руля (рис. 3.6) это соотношение можно упростить следующим образом . То есть коэффициент компенсации руля равен отношению длины балансирной части руля к хорде руля.

Рис. 3.6. Размерения руля прямоугольной формы в плане.

Для трапециевидных подвесных рулей коэффициент компенсации будет равен , то есть отношению средних ширине балансирной части к средней хорде руля.

5. Влияние концевых шайб.

Увеличение эффективности крыла можно обеспечить, устанавливая на его торцах шайбы. Существует физическое объяснение этого эффекта. За счет угла атаки на нижней стороне крыла возникает область повышенного давления, а на верхней стороне крыла – область разряжения. Вследствие разности давлений происходит перетекание жидкости через торец крыла. Шайбы, установленные на торцах крыла, препятствуют формированию потока жидкости вдоль хорды, тем самым увеличивая эффективность руля. Фотография руля с шайбой, установленной на нижнем торце пера руля приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Вид руля с шайбой на нижнем торце.

3.2.4. Увеличение эффективности руля путем создания новых форм

Рули с закрылком или рули Беккера.

Физический принцип, на котором основана работа руля Беккера, также аналогичен принципу работы соответствующей крыльевой схемы. Перо руля профиля NACA выполнено разрезным. Баллер руля располагается на расстоянии от его носика. Хвостовая часть пера руля (закрылок) может поворачиваться относительно оси, размещенной на хорде основного профиля. В начальном положении, когда руль располагается в диаметральной плоскости судна крыло и закрылок обтекаются как руль с традиционным профилем. При изменении угла перекладки руля, закрылок также поворачивается относительно хорды руля на угол, равный углу перекладки (рис. 3.8.)

Рис. 3.8. Схема работы руля Беккера.

Рули Беккера могут выполняться как подвесными (рис. 3.9а), так и полубалансирными (рис. 3.9б).

б) полубалансирный руль

Беккера

а) подвесной руль Беккера

Рис. 3.9. Конструктивные схемы рулей Беккера.

Характерной особенностью руля Беккера является большое значение гидродинамического момента на баллере рулевой машины, вследствие дополнительного усилия, развивающегося на переложенном закрылке.

Рули Шиллинга.

Рули Шиллинга отличатся от обычных рулей формой профиля, для которой характерно наличие вогнутой поверхности пера руля и утолщенной задней кромка. Фотография рулей Шиллинга приведена на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Фотография кормовой оконечности двухвального судна, оборудованного рулями Шиллинга.

Предложенная конструкция руля позволила увеличить его эффективность, затянуть отрыв в область больших углов перекладки и существенно улучшить поворотливость судна.

Рули с роторами.

Ротором называется вращающийся цилиндр, устанавливаемый в районе передней кромки руля. Целью установки ротора является затягивание момента срыва потока до больших углов перекладки. Эскиз руля с ротором приведен на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Эскиз руля с ротором

Сложные кинематические схемы рудей.

Предлагались сложные кинематические схемы, включающие и ротор и закрылки. Пример такой компоновки приведен на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Эскиз руля с комбинированной кинематической схемой.

Недостатком всех вариантов рулей нетрадиционных форм является необходимость располагать внутри пера руля сложные механизмы, что уменьшает надежность и усложняет обслуживание рулевого устройства.