3.Какие силы действуют на перо руля.
При перекладке руля на угол aР, на передней его плоскости, по закону Бернули, в следствии уменьшения скорости потока возникает область повышенного давления. На задней плоскости, где скорость потока увеличивается, давление понижается. Разность давлений приводит к
возникновению результирующей гидродинамической силе РР, нап-равленной почти перпендикулярно к плоскости пера руля и приложен-ной в центре его давления. Величина РР зависит от площади пера руля, угла атаки a и примерно пропорциональна квадрату скорости набегающему на руль потоку воды. Для рассмотрения действия руля РР раскладывают на две составляющие в осях координат, неизмен-но связанных с судном: РРY – поперечная гидродинамическая сила (подъемная сила), РРX –продольная гидродинамичес-кая сила (сила лобового сопротивления).
Рис. 6.2. Силы действующие на руль
РРY
РР
РРX
Гидродинамические силы связанные с равнодействующей следующим отношением:
Действие руля на переднем ходу.
РРY
Рис.6.3 Действие руля на переднем ходу.
Перекладка руля на переднем ходу сопровождается появлением боковой гидродинамической силы «РРY». Прикладывая к центру тяжести судна «G» две равные и противоположно направленные силы (РРY) получаем момент РРY*L/2. Действие момента РРY*L/2 сопровождается обратным смещением судна и появлением угла дрейфа «a». Наличие угла дрейфа приводит к изменению направления потока обтекающего подводную часть корпуса судна и появлению поперечной гидродинамической силы на корпусе судна «RY», приложенной к центру сопротивления судна и обратной по направлению силе (РРY). Таким образом, разворачивающий момент при движении судна на переднем ходу определяется как сумма моментов от сил РРY и RY.
M= РРY*L/2 + RY*ℓ
Действие руля на заднем ходу.
На заднем ходу перекладка руля также вызывает появление силы РРY и действие момента РРY*L/2 и возникновение дрейфа судна. Появление дрейфа сопровождается возникновением силы RY и действием момента RY*ℓ. Однако действие момента RY*ℓ противоположно по направлению действию момента РРY*L/2.
Таким образом, разворот судна на заднем ходу будет происходить под действием разности моментов:
M= РРY*L/2 - RY*ℓ.
Рис.6.4. Действие руля на заднем ходу.
Поэтому управляемость судна под действием руля на заднем ходу значительно хуже, чем на переднем. Выход из установившейся циркуляции заднего хода с помощью одного руля практически невозможен.
4.Какие силы возникают и как они действуют при взаимодействии руль-винт-корпус.
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 Vpи
скоростью
хода суднаVсуществует
соотношение Vp=
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.6.6. 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 bпроявляет 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 этогопроисходит засасывание воздуха в верхние слои воды, чтозначительно изменяет силовые характеристики лопасти(упор и момент).
Влияние близости поверхности воды наиболее существенно проявляется при малом заглублении винта (у транспортныхсудов, 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.6.6. Действие силы реакции D.
Сила реакции Dпроявляется 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.
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.
На заднем ходу обтекание кормовой оконечности потоком будет, также, несимметричным вдиске 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 струиСвызывает уклонение кормы в сторону вращения винта.
Сила набрасываемой струи С проявляется в наибольшей степени на установившемся ходу, вызывая при движениисуднавперед уклонение кормы в сторону, обратную вращению винта.