Основы КСУ (Бормотов А) / Основы конструирования

Результаты расчетов могут быть более надѐжными, если выбор размеров рулевых средств проводить не по осреднѐнным статистическим данным, а по близкому судну – прототипу с удачными показателями управляемости.

4.5. Теоретический чертѐж ДРК судна

Выбранные размеры винтов и рулевых средств окончательно уточняются при разработке теоретического чертежа движительно-рулевого комплекса, на котором показывается размещение всех элементов комплекса в кормовом подзоре, даѐтся профилировка сечений руля и насадки. В процессе этой работы корректируются размеры винтов, рулей, их форма, взаиморасположение, окончательно выверяются обводы кормовой оконечности корпуса. Удачная компоновка ДРК должна обеспечить: свободный подток воды к движителям; оптимальные и равномерные зазоры между корпусом и винтами, рулями, насадками; надѐжное прикрытие элементов ДРК корпусом судна; размещение, при необходимости, конструктивной ледовой защиты.

С целью повышения пропульсивного КПД рекомендуется устанавливать руль ближе к винту (рис. 4.13), оставляя минимальный зазор для возможности замены винта а=(0,1…0,2)Dв. В плане руль устанавливают по оси винта (на тихоходных и среднескоростных судах) или несколько смещают из зоны интенсивного вихреобразования за ступицей винта на величину b=(0,05…0,10) Dв на быстроходных судах. В связи с тем, что приближение верхнего торца руля к обшивке повышает эффективность работы руля, зазор с между корпусом и рулем делают минимально допустимым по условиям свободного поворота руля на оба борта. Для исключения прососа воздуха верхняя кромка руля должна быть заглублена под воду не менее чем на h1 0,25hp – для судов класса М и h1 0,125hp – для судов класса О.

При размещении поворотных насадок для снижения вибрации кормы надо стремиться к тому, чтобы при отклонениях насадки зазор между корпусом и насадкой менялся как можно меньше. Нижнюю кромку руля или насадки следует располагать на 50… 250 мм выше основной линии, чтобы при ходе судна по мелководью с дифферентом на корму касание грунта было корпусом, а не элементами ДРК судна. При любом расположении рули или насадки не должны выступать за габариты корпуса в плане.

80

Форма контура руля должна быть возможно более простой. Все усложнения требуется обосновать. Например, на судах ледового плавания для защиты руля применяют «ледовый зуб» (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Руль судна с «ледовым зубом»

Рис. 4.13. Параметры размещения руля

Заканчивается разработка чертежа профилировкой сечений. Установлено, что с увеличением толщины руля повышается и его эффективность, однако при t 0,25 качество руля уже ухудшается. В связи с этим более толстые рули применяют на тихоходных судах, особенно при работе рулей вне потока винтов. На быстроходных судах из-за опасности кавитации рулей относительная толщина их уменьшается до t =0,08…0,12, а на скоростных судах применяют пластинчатые рули. Для усиления контрпропеллерного эффекта рулей, улучшающего работу винтов, толщина рулей должна быть t =0,15…0,20 и не более

0,15 Dв.

Изменение толщины вдоль хорды руля определяется типом профиля. Для судовых рулей применяют профили НЕЖ, NACA, ЦАГИ, изменение толщин которых приведено в табл. 4.4.

Для рулей тихоходных судов рекомендуется более эффективный профиль ЦАГИ. Профили НЕЖ могут применяться на быстроходных судах, профили NACA - на судах с умеренными скоростями. По рассчитанным с помощью

81

табл. 4.4 ординатам на чертеже строится профиль руля, задаются необходимые для его изготовления размеры.

Таблица 4.4. Относительные ординаты профилей судовых рулей

Профилировка сечений насадки начинается с выбора ее размеров, определяющим среди которых является ее внутренний диаметр Dн и длина lн (рис. 4.15). Диаметр насадки принимают Dн=(1,005…1,01) Dв, стремясь обеспечить минимальный зазор между лопастями винта и поверхностью насадки. Желательно, чтобы этот зазор был не более 15 мм. Диаметр входного сечения Dвх связан с выбором коэффициента раствора насадки , а выходного — с коэффициентом . Оптимальные величины этих коэффициентов [18, 20]:

=1,25…1,30 для движителей с коэффициентом нагрузки к<2;

=1,30…1,35 при 10< к <2;

=1,12…1,18, чем больше относительная длина насадки, тем большее значение принимается.

Выбор длины поворотной насадки рассмотрен выше. Положение оси баллера насадки совпадает с плоскостью диска винта и размещается на расстоянии lб= (0.35…0,45)lн от входного сечения.

Построение профиля насадки ведут с пробивки хорды насадки ае (рис. 4.15) по значениям диаметров Dвх и Dвых. Отрезок КС, отсекаемый на оси баллера внутренней поверхностью насадки и хордой ае, связан с наибольшей

82

толщиной профиля насадки соотношением tmax=1,205 КС . Наружная поверхность профиля образована прямой линией, и лишь носовая еѐ часть плавно изгибается к носику. Величина наибольшего отклонения этой линии составляетt=0,25tmax. Внутренняя поверхность имеет три характерные части. Средняя часть — это цилиндр диаметром Dн и шириной, несколько превосходящей ширину края лопасти винта, необходимый для того, чтобы при повороте насадки на угол до 10° зазор между лопастями винта и насадкой не менялся. Носовой участок — сложной лекальной формы, обеспечивающий плавное нарастание скорости натекающего потока. Хвостовая часть насадки постепенно переходит от средней цилиндрической части к выходному коническому раструбу. Задать профиль сечения можно с помощью относительных толщин t/tmax по табл. 4.5 или рис. 4.16, где приведены размеры элементов насадки в долях ее внутреннего диаметра Dн. На рисунке указаны и размеры осевого стабилизатора.

В [20] приведены рекомендуемые параметры коротких ( lн 0,6 ) непово-

ротных и удлинѐнных ( lн 0,8) насадок (рис. 4.17 и табл. 4.5).

Рис. 4.15. Геометрические характеристики насадки

83

4.6. Расчѐт кривых действия судовых рулей

Кривыми действия руля называют графические зависимости гидродинамической силы и момента от угла перекладки руля, рассчитанные для переднего и заднего хода судна. В основу их расчѐта положены принятые в гидродинамике зависимости для определения нагрузок крыла:

где Су, Сх, Сn, Ct – гидродинамические коэффициенты составляющих полной силы крыла (руля); Сm, Cp – коэффициенты момента и центра давления руля; , v – плотность и скорость натекающего на руль потока; Fp, bp – площадь и ширина руля (хорды) руля.

Полная рулевая сила выражается через еѐ составляющие:

P Y 2 X 2 N 2 T 2 , (4.28)

где Y – подъѐмная сила крыла (руля); Х – сила лобового сопротивления руля (разложение силы Р по отношению к вектору скорости потока v); N, T – нормальная и тангенсальная составляющие полной силы Р (разложение по отношению к хорде руля).

Общий характер изменения гидродинамических коэффициентов судового руля показан на рис. 4.26, на котором видно, что с ростом угла перекладки растут гидродинамические силы, и центр давления смещается от носика руля к середине.

Рост подъемной силы Y происходит почти линейно до = кр, когда наблюдается срыв потока с руля со стороны разряжения. При углах перекладки> кр, подъемная сила падает. Этот факт положен в основу выбора наибольшего угла перекладки руля, который лишь незначительно превышает критический угол атаки крыла. Величина критического угла зависит от удлинения руля. Приближенно эту зависимость можно оценить с помощью выражения [4]:

где hр/bр - удлинение руля.

Удлинение руля стремятся принять наибольшим поскольку, чем больше

85

удлинение, тем большую величину рулевой силы можно получить при одинаковой площади и углах перекладки руля.

Величина момента, необходимого для поворота руля, зависит от положения оси вращения xб. Рули, у которых ось вращения совпадает с передней кромкой (xб=0), имеют момент намного больше, чем такие же по площади рули со смещенной осью вращения. Это хорошо видно, если сопоставить выражения для расчета момента (4.26) и (4.27):

Отношение k = xб/ bр называют коэффициентом компенсации, а рули со смещенной осью вращения — балансирным. Чаще коэффициент компенсации k

где Fб— площадь балансирной части руля.

Это выражение более удобно, особенно для расчета коэффициента компенсации рулей сложной формы. Оптимальное значение данного коэффициента k=0,2…0,3, при котором абсолютное значение гидродинамического момента становится наименьшим. Следует заметить, что при выборе рулевой машины для балансирного руля является обязательным расчет моментов на баллере при переднем и заднем ходе судна, поскольку при движении судна задним ходом момент может получиться больше, чем при движении вперед даже и при меньшем значении рулевой силы:

Характерный вид изменения нагрузки на балансирном руле при переднем и заднем ходе судна показан на рис. 4.27.

86

не менее 3,0 м/с для несамоходных, как это регламентировано Правилами Речного Регистра.

Движение судна задним ходом происходит обычно с меньшей скоростью, чем движение вперед. Расчетное значение скорости заднего хода должно составлять не менее 60% от расчетной скорости переднего хода. Влияние корпуса и движителя на работу руля при движении задним ходом проявляется слабо: достаточно достоверных данных об оценке этого влияния пока нет. В практике расчетов кривых действия руля на заднем ходу влиянием корпуса и движителя пренебрегают. Гидродинамические коэффициенты Сх, Су, Cm руля на заднем ходу заметно отличаются от коэффициентов для переднего хода, поэтому расчѐт должен вестись с использованием материала продувок рулей при обтекании их с хвостовой части (табл. 4.6).

Корпус судна подтормаживает поток, уменьшая рулевую силу, и изменяет угол атаки руля вследствие скоса потока у борта судна. В расчетах это оценивают поправками:

где э= ск— угол атаки руля при заданном угле перекладки ; ск— угол скоса потока корпусом [4, 20]; v — скорость хода судна; rк= (1- )2 — коэффициент влияния корпуса судна; - коэффициент попутного потока корпуса (для заднего хода можно принимать =0).

Работа винта приводит к увеличению скорости и закручиванию потока, натекающего на руль. Рост скорости потока увеличивает рулевую силу (и тем больше сила, чем большая часть площади руля попадает в струю винта). В расчетах это учитывается введением поправки в выражение рулевой силы

89