Тема 2.6. управляемость судна

УПРАВЛЯЕМОСТЬ.

Управляемостью называется способность судна быть поворотливым и устойчивым на курсе. Поворотливостью называется способность судна подчиняться действию руля, а устойчивостью на курсе— способность сохранять заданное направление движения. Вследствие влияния на движение судна различных возмущающих факторов (волн, ветра), для обеспечения устойчивости на курсе требуется постоянное вмешательство рулевого. Таким образом, качества, характеризующие управляемость судна, являются противоречивыми. Так, чем более поворотливо судно, т. е. чем быстрее оно меняет направление своего движения при повороте руля, тем менее оно устойчиво на курсе.

При проектировании судна оптимальное значение того или иного качества выбирают в зависимости от назначения судна. Основным качеством пассажирских и грузовых судов, совершающих дальние рейсы, является устойчивость на курсе, а буксиров — поворотливость.

Способность судна самопроизвольно отклоняться от курса под влиянием внешних сил называется рыскливостью.

Для обеспечения требуемой управляемости в кормовой части судна устанавливают один или несколько рулей (рис. 176). Если на движущемся со скоростью v судне переложить руль на угол α, то на одну сторону руля начнет действовать давление набегающего потока воды — равнодействующая гидродинамических сил Р, приложенная в центре давления и направленная перпендикулярно к поверхности руля. Приложим в центре тяжести судна взаимно уравновешенные силы P₁ и Р₂, равные и параллельные Р. Силы Р и Р₂ образуют пару сил, момент которой М_ВР поворачивает судно вправо, М_ВР = Рl, где плечо пары l= GA cosα + a.

Рис. 176. Схема сил, действующих на судно при перекладке пера руля.

Приближенно можно считать, что центр тяжести судна лежит на мидель-шпангоуте, а величина а сравнительно мала. Тогда GA = 0,5L; l=0,5Lcosα и M_ВР=0,5PLcosα.

Силу Р₁ разложим на составляющие Q = P₁ cosα = P cosα и R = P₁sinα = Psinα. Сила Q вызывает дрейф, т. е. перемещение судна перпендикулярно к направлению движения, а сила R уменьшает его скорость.

ПОВОРОТЛИВОСТЬ СУДНА.

Циркуляцией называют траекторию, описываемую ЦТ судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Угол между вектором линейной скорости судна и ДП называют углом дрейфа (β). Эти характеристики не остаются постоянными на протяжении всего маневра.

Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся.

Маневренный период – период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и одновременно начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения ЦТ судна из прямолинейной превращается в криволинейную с центром кривизны со стороны борта, противоположного стороне кладки руля; происходит падение скорости движения судна.

Эволюционный период – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента окончания изменения угла дрейфа, линейной и угловой скорости. Этот период характеризуется дальнейшим снижением скорости (до 30 – 50%), изменением крена на внешний борт и резким выносом кормы на внешнюю сторону.

Период установившийся циркуляции – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения ЦТ судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней.

Геометрически траектория циркуляции характеризуется следующими элементами:

D_о – диаметр установившейся циркуляции – расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180° при установившемся движении;

D_ц – тактический диаметр циркуляции – расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180°;

l₁ – выдвиг – расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90°;

l₂ – прямое смещение – расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90°, измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна;

l₃ – обратное смещение – наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем);

T_ц– период циркуляции – время поворота судна на 360°.

Рис. 177. Элементы циркуляции судна: D_{Ц –} диаметр циркуляции; D_{Т –} тактический диаметр циркуляции; β – угол дрейфа.

Таким образом, сразу же после перекладки руля на борт ЦТ судна начнет описывать в горизонтальной плоскости кривую, постепенно переходящую в окружность, называемую циркуляцией (рис. 177). Диаметр окружности D_Ц, которую начнет описывать центр тяжести судна после начала установившейся циркуляции называется диаметром циркуляции. Расстояние между ДП до начала циркуляции и после поворота судна на 180° — тактическим диаметром циркуляции D_T. Мерой поворотливости судна является отношение диаметра циркуляции к длине судна. Угол между ДП судна и касательной к траектории движения судна при циркуляции, проведенной через центр тяжести судна, называется углом дрейфа β.

При движении на циркуляции судно кренится на борт, противоположный перекладке руля, под действием центробежной силы инерции, приложенной в центре тяжести судна, и гидродинамических сил, приложенных к подводной части судна и рулю. Для обеспечения хорошей управляемости на малых ходах (в стесненной акватории, при швартовке), когда обычный руль неэффективен, применяют средства активного управления.