Судовождение на ВВП / Часть 1 / УСнЗХ_

Управляемость на заднем ходу судна с рулевым устройством всегда существенно уступает управляемости при переднем ходе. В большинстве случаев судно на заднем ходу с помощью только руля управляется трудно или не управляются вообщ, и для изменения направления его поворота приходится прибегать к изменению частоты вращения одного из греб­ных винтов или к реверсированию одновинтового судна. Если при тихой погоде можно управлять данным судном с помощью только руля, то, как правило, при слабом ветре управляемость этого судна полностью теряется. У некоторых судов наблюдается обратная управляемость - судно поворачивает в сторону, противоположную перекладке руля.

Причинами неудовлетворительной управляемости на заднем ходу являются:

• снижение эффективности руля, находящегося вне струи винта;

• появление боковых сил на корпусе из-за наброса винтом воды в «кормовую раковину», что приводит к резкой асимметрии в поворотах на каждый из бортов;

• ухудшение гидродинамических качеств самого руля, движущегося хвостовой кромкой вперед. В этом случае угол срыва потока с кромки руля значительно меньше, чем при движении передним ходом и составляет порядка 20°;

• уменьшение эффективного угла перекладки руля на величину угла дрейфа в районе кормы при косом натекание воды на руль, либо увеличение его по этой причине до значения, превышающего критическое, за счет чего резко уменьшается боковая сила руля.

На переднем ходу этот эффект сказывается значительно меньше из-за спрямляющего влияния корпуса и струи от винта на поток, обтекающий руль. На заднем ходу руль находится по движению впереди корпуса. В результате корпус не оказывает влияния на

обтекающий руль поток. Вдобавок, при работе двигателя на задний ход руль оказывается вне струи от гребного винта;

• расположение центра давления позиционной силы на корпусе, обусловленной дрейфом, в районе руля, что резко уменьшает разворачивающий судно суммарный момент от позиционной силы и воздействия руля. В этом случае может даже иметь место обратная поворотливость.

Резкое отличие в управляемости судов на переднем и заднем ходу обуслов­лено влиянием дрейфа судна, возникающего под действием боковой силы руля при его перекладке, и влиянием гребных винтов, на которых в результате перекладки руля возникает боковая сила, противоположная по направлению силе, действующей на переложенный руль.

Сущность первой (основной) причины ясна из рассмотрения сил и моментов, действующих на судно при перекладке руля.

При перекладке руля на переднем ходу на руле возникает боковая сила (рис.1, а). Если приложить к ЦТ судна две равные и противоположно направ­ленные силы , то легко заметить, что сила вызывает поворот судна под дей­ствием момента и дрейф (смещение) судна в сторону действия силы . Наличие дрейфа приводит к появлению угла дрейфа (см. эпюру скоростей набе­гающего на судно потока на рис. X 1.8, а), что, в свою очередь, обусловливает появление на корпусе судна боковой силы , приложенной на переднем ходу в нос от ЦТ и по направлению противоположной силе . Момент от этой силы направлен в ту же сторону, что и момент и, следовательно, способствует повороту судна в требуемом направлении.

Рис.1 Силы, действующие на судно при перекладке руля на переднем (а) и на заднем (б) ходу.

На заднем ходу судна (рис. 1, б) сила , возникающая на руле, также при водит к появлению момента и дрейфу судна. Однако сила , обусловленная дрейфом, дает в этом случае момент, противоположный по направлению мо­менту , Таким образом, поворот судна на заднем ходу совершается под действием разности моментов и , а не под действием суммы этих мо­ментов, как на переднем ходу.

Указанная причина справедлива не только для начальных моментов движения судна, но и в дальнейшем. Особенно резко она проявляется при выходе судна из установившейся циркуляции, так как угол дрейфа в этом случае имеет максималь­ное значение. Поэтому для многих судов, обладающих способностью поворачивать на заднем ходу в сторону перекладки руля с прямого курса, выход из установив­шейся циркуляции оказывается невозможным.

Направление вращения судна на заднем ходу зависит от соотношения мо­ментов и в начальный период после перекладки руля. Для увеличе­ния момента можно увеличить площадь руля или увеличить эффективность рулевого устройства (например, заменить руль поворотной насадкой). Иногда подобные мероприятия улучшают управляемость судна на заднем ходу, однако, как правило, они являются малоэффективными, поскольку рост силы приводит к росту силы .

Момент зависит как от силы , определяемой формой корпуса судна, так и от плеча гидродинамической силы, обусловленного распределением пло­щади ДП судна по длине, а также размерами и расположением выступающих частей. Значение силы на заднем ходу судна практически не меняется по сравне­нию с ее значением на переднем ходу. Изменить значение этой силы без кардиналь­ного изменения формы корпуса и соотношения главных размерений судна практи­чески невозможно. Единственной величиной, на которую можно повлиять сравни­тельно простыми средствами, является плечо гидродинамической силы, которое определяется положением центра давления воды на корпус при заднем ходе судна. Очевидно, что плечо будет тем меньше, чем ближе к носовой части судна рас­положен центр давления. Отсюда ясно, что для улучшения управляемости судов на заднем ходу целесообразны следующие мероприятия:

всемерное уменьшение площади неподвижных выступающих частей в корме судна;

увеличение площади ДП судна в носовой его части;

увеличение подзора кормы;

придание судну дифферента на нос.

Среди перечисленных мероприятий наиболее эффективными являются пер­вое и второе. Известны случаи, когда удаление, например, неподвижной направ­ляющей насадки на гребной винт или установка сравнительно небольших наделок в районе форштевня обеспечивали управляемость на заднем ходу судов, до этого совершенно не управляемых. Третье из числа перечисленных мероприятий по эффективности уступает двум первым. Дифферентовка судна на нос, способст­вуя уменьшению момента от сил, действующих на корпус, одновременно ухудшает работу руля за счет приближения его к свободной поверхности воды.

Наиболее важной характеристикой управляемости судна на заднем ходу яв­ляется критический угол перекладки руля, определяющий возможность выхода судна из установившейся циркуляции.

Выполненный А. Ш. Афремовым и Р. Я. Першицем анализ выражений, опре­деляющих как критический угол перекладки руля, так и вид диаграммы управляемости судна на заднем ходу, показал, что абсолютное значение критического угла пере­кладки руля на заднем ходу во много раз пре­вышает значение этого угла для переднего хода. Кроме того, судно на заднем ходу в зоне углов перекладки руля, превышающих критический угол, может поворачиваться либо в сторону пе­рекладки руля, либо в противоположную сторо­ну. Диаграмма управляемости судна, повора­чивающегося в сторону, противоположную перекладке руля, приведена на рис. 2.

Рис.2 Возможные диаграммы управляемости судна на заднем ходу.

(1 – устойчивое судно, 2 – неустойчивое судно)

Если критический угол перекладки руля больше максимального или превышает угол срыва потока с пера руля (равный приблизительно 20° при набегании воды со стороны задней кромки пера), то судно на заднем ходу при помощи руля не может выйти из установившейся циркуляции. Для таких судов представляет интерес способность при перекладке руля с прямого курса на угол, меньший критического следовать в сторону перекладки руля. Эта способность именуется частичной управ­ляемостью и представляется весьма полезной в реальных условиях, так как суд­но, обладающее частичной управляемостью, при наборе заднего хода разворачи­вается в нужном направлении.

Управляемость судов, которые могут на заднем ходу выйти из установившейся циркуляции, называется полной.

По характеру управляемости на заднем ходу суда разделяют на несколько категорий (рис. 3). Суда, обладающие полной управляемостью, могут иметь прямую или обратную управляемость. Суда, имеющие полную прямую управляе­мость, выводятся из установившейся циркуляции перекладкой руля на борт, проти­воположный направлению вращения; суда, имеющие полную обратную управ­ляемость, — на борт, соответствующий направлению циркуляции. Суда с полной прямой управляемостью могут не быть частично управляемыми. Для поворота таких судов с прямого курса в сторону перекладки руля последний должен быть положен на угол, больший критического, в противном случае судно войдет в цир­куляцию противоположного направления. Суда, обладающие полной обратной управ­ляемостью, при любой перекладке руля с прямого курса поворачиваются в сторону, противоположную направлению перекладки. Частично управляемые суда не способны выходить из установившейся циркуляции с помощью руля, но при перекладке руля с прямого курса следуют в направлении перекладки. К неуправляемым отнесены

суда, которые не способны выходить из установившейся циркуляции, а при пере­кладке руля с прямого курса не поворачиваются в направлении перекладки.

Приведенная классификация относится к судам, прямолинейное движение ко­торых на заднем ходу не обладает собственной устойчивостью. При собственной устойчивости суда на заднем ходу имеют полную прямую управляемость при на­личии частичной.

Рис.3 Классификация управляемости судов на заднем ходу.

На заднем ходу суда могут обладать или не обладать собственной устойчивостью на курсе. Большинство судов на заднем ходу неустойчивы на курсе. У таких судов диапазон перекладок руля, в котором наблюдается обратная управляемость, является значительным.

Управляемыми по курсу на ЗХ судами считаются суда, обладающие способностью одерживаться, т.е. выходить из установившейся циркуляции под действием руля. Суда теоретически устойчивые на курсе на заднем ходу являются управляемыми.

Суда, не имеющие собственной устойчивости по курсу на заднем ходу, могут быть управляемыми, частично управляемыми и неуправляемыми на ЗХ.

Управляемое неустойчивое на заднем ходу судно одерживается с помощью руля. Когда управляемое неустойчивое судно при движении задним ходом выходит из циркуляции при перекладке руля на борт, противоположный направлению вращения судна (т.е. поворачивает в сторону перекладки руля), то его управляемость на ЗХ называется прямой. Если такое судно одерживается при перекладке руля на борт, соответствующий направлению циркуляции (т.е. поворачивает в противоположную перекладке руля сторону), то его управляемость на ЗХ считается обратной.

Следует отметить, что неустойчивые на переднем ходу суда только в очень малой зоне перекладок руля имеют обратную управляемость при движении вперед. В основном диапазоне перекладок руля их управляемость является прямой.

Частично-управляемыми по курсу на ЗХ судами называются неодерживаемые на заднем ходу суда, которые при прямолинейном движении назад способны следовать в сторону перекладки руля. Когда предельный угол обратной поворотливости на ЗХ превышает максимальный угол переклядки руля или угол срыва потока с пера руля, то судно на заднем ходу не одерживается. Если такое судно при прямолинейном движении назад (или в начале движения назад от неподвижного состояния) способно следовать в сторону перекладки руля, то оно частично-управляемо по курсу на ЗХ. Способность

следовать в сторону перекладки руля является весьма полезной, так как судно, обладающее частичной управляемостью, при наборе заднего хода можно разворачивать в нужную сторону.

К неуправляемым по курсу на ЗХ относятся суда, которые не могут выходить из установившейся циркуляции и не обладают способностью с прямого курса поворачивать в направлении перекладки руля.

Как показывает изложенное выше, управляемость одновинтовых судов на заднем ходу обеспечена недостаточно, либо совсем не обеспечена. Кардинальное улучшение управляемости на заднем ходу возможно только при помощи второго винта и/или средств активного управления.