Для самостоятельного изучения
ТЕМА 1
СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ И ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
1. Типы рулей и принцип их действия на различных типах судов.
На водоизмещающих судах с одновальной гребной установкой руль устанавливается непосредственно за гребным винтом. При этом в настоящее время используются основные формы и типы рулей: небалансирный (рис.5.1, а), балансирный (рис.5.1, б), руль с неподвижной насадкой (рис.5.1, в), активный руль (рис.5.1, г).
Рисунок 5.1. Формы и типы рулей.
При следовании судна прямым курсом, когда руль расположен в диаметральной плоскости, судно может уходить с курса: вправо – при правом вращении гребного винта и влево – при левом его вращении. Причина этого явления – действие сил, возникающих при работе винта и воздействии их на корпус судна. Неравенство этих сил приводит к появлению их результирующей, которая в итоге и вызывает уклонение судна с курса. Гребные винты двух винтового судна обычно располагаются симметрично диаметральной плоскости впереди руля. В некоторых случаях для улучшения поворотливости такое судно имеет два руля, располагающиеся по одному за каждым гребным винтом.
Двухвинтовое судно обладает рядом преимуществ перед одновинтовым:
- при выходе из строя одного двигателя сможет следовать далее и управляться с помощью руля и второго двигателя;
- при выходе из строя рулевого устройства способно управляться с помощью гребных винтов;
- может разворачиваться в самых стеснённых условиях и даже на месте;
- на заднем ходу слушается руля почти так же, как и на переднем.
Но при этом у двухвинтового судна гребные винты оказывают меньшее влияние на руль по сравнению с влиянием на руль гребного винта одновинтового судна, т.к. в силу наружного вращения движителей их винтовая струя на руль почти не действует.
Разворачивающий момент у двухвинтового судна получается вследствие смещения гребных винтов от диаметральной плоскости. Создаваемое гребным винтом разряжение среды под кормовым подзором облегчает смещение кормы в сторону, одноимённую борту работающего движителя. Работа гребного винта со стороны одного борта судна создаёт разворачивающий момент, который является главным фактором, определяющим поворотливость двухвинтового судна. Двухвинтовое судно можно разворачивать почти на месте, если оно работает гребными винтами в разных направлениях.
Рисунок 5.2. Совместный результат действия на судно вращающихся
гребных винтов и руля.
Трёхвиновое судно практически объединяет в себе маневренные свойства одно- и двухвинтовых судов. Благодаря наличию трёх гребных винтов судно может в широких пределах менять циркуляцию и даже разворачиваться на месте. Быстрый разворот трёхвинтового судна происходит так: средний двигатель работает вперёд, а бортовые двигатели - враздрай при руле, положенном на соответствующий повороту борт.
Четырёхвинтовое судно имеет винты, попарно расположенные с каждого борта. Направление вращения внутренних гребных винтов обусловливается формой обводов корпуса судна и другими конструктивными особенностями. При этом добиваются такого положения, чтобы силы, уклоняющие корму судна, при прямо поставленном руле, взаимно компенсировались на каждой паре гребных винтов.
2. Управление судном с винтом регулируемого шага.
Обычный винт фиксированного шага может использовать полную мощность двигателя только при определённом значении сопротивления движению судна. Если это сопротивление в процессе эксплуатации судна изменится (например, при переходе со свободного хода на режим буксировки или траления), то винт будет соответствовать двигателю лишь при каком-либо одном значении сопротивления, а при остальных его значениях он будет либо «тяжёлым» (двигатель не может развить полной частоты вращения при полной мощности), либо «лёгким» (винт не использует при полной частоте вращения полной мощности двигателя).
Для полного использования мощности двигателя при всех значениях сопротивления необходимо, чтобы каждому значению сопротивления соответствовал определённый шаг гребного винта. Идея совмещения серии гребных винтов различного шага в одном движителе и нашла воплощение в конструкциях ВРШ.
В настоящее время ВРШ устанавливают на судах различного назначения. Система управления всеми видами ВРШ принципиально одинакова. Винт регулируемого шага проектируется так чтобы поворот лопастей винта осуществлялся из рулевой рубки.
Обычно установка ВРШ включает следующие элементы (рис.5.3):
- гребной винт с поворотными лопастями;
- гребной вал;
- механизм изменения шага;
- энергетическую часть системы управления, для преобразования судовой энергии в необходимую для механизма изменения шага;
- пост дистанционной системы управления.
Рисунок 5.3. Схема установки ВРШ: 1- гребной винт; 2- гребной вал; 3- механизм изменения шага винта; 4- энергетическая установка; 5- пост дистанционной системы управления.
ВРШ классифицируются по:
1).диапазону поворота лопастей:
- всережимные, лопасти могут быть зафиксированы в любом положении внутри диапазона «Полный вперёд» - «Полный назад»; многопозиционные, обеспечивающие несколько режимов (чаще всего три);
- двухпозиционные, лопасти могут быть зафиксированы только в двух положениях, соответствующих крайним точкам диапазона;
2). Принципу создания усилия, необходимого для поворота лопастей, т.е. с приводом: - гидравлическим; - электромеханическим; - механическим;
- ручным;
3). Принципу построения системы управления винтом:
- следящая система, каждому положению управляющей рукоятки соответствует определённое положение лопастей, т.е. лопасть как бы «следит» за управляющим органом;
- не следящая система, отклонение рукоятки от нейтрального положения влечёт за собой поворот лопасти, а возвращение рукоятки в нейтральное положение останавливает лопасть.
Наибольшее распространение получили всережимные ВРШ с гидравлическим приводом и следящей системой управления.
Влияние ВРШ на управляемость судна. Рассмотрим различные режимы работы ВРШ правого вращения.
Судно движется вперёд, винт работает вперёд (рис.5.4). Управляемость судна та же, что и при ВФШ, т.е. корма уклоняется влево, а нос вправо (С+b>R). С выводом руля из диаметральной плоскости судно ведёт себя так же, как и с ВФШ. При уменьшении шага винта уменьшаются силы С и R. В ещё большей степени возрастает и сила b – вследствие увеличения угла атаки винта и скорости попутного потока, поэтому уклонение кормы влево увеличивается.
Рисунок 5.4. Судно движется вперёд, винт работает вперёд: Т – сила упора винта; А – сила встречного потока; С – сила набрасываемой струи; R – сила реакции воды; b – сила попутного потока; СВ.С – сила винтовой струи; RC – равнодействующая сила.
Судно движется назад, винт работает назад (рис.5.5). В отличие от ВФШ у ВРШ на заднем ходу направление вращения сохраняется. Под действием силы С1 и R1 корма пойдёт вправо. При перекладке руля вправо к указанным силам добавляются А1 и В1, и корма пойдёт вправо ещё резче.
Если руль перекладывают влево, то при большой скорости движения назад корма пойдёт влево ( A1 + B > C1 +R1), на малом заднем ходу – медленно вправо (C1 + R1 > A1 +B).
Рисунок 5.5.Судно движется назад, винт работает назад: С1 – сила набрасываемой струи; R1 – сила реакции воды; А1 – сила встречного потока; В – сила всасываемой струи.
Судно движется вперёд, винт работает назад (рис.5.6). Под действием суммы сил C1 +R1+b корма резко пойдёт вправо. Если положить руль вправо, то сила встречного потока А значительная в начале реверса, может оказаться больше сил C1, R1 и b, поэтому корма пойдёт влево. По мере гашения инерции движения вперёд сила А ослабевает и корма вновь начнёт уклоняться вправо. При перекладке руля лево на борт в начале реверса корма пойдёт вправо ещё стремительнее, так как к силам C1, R1 и b добавится действие силы А.
Судно движется назад, винт работает вперёд (рис.5.7). В начале реверса сила R больше силы С, т.к. потоки воды, отбрасываемые винтом, ещё неустойчивы. В следствии этого корма при руле прямо слегка пойдёт вправо. При перекладке руля вправо наблюдается неравенство A1 +R > C + Cbc и корма уклоняется вправо.
С уменьшением инерции движения назад уменьшается сила А1 и соотношение сил станет противоположным (C+Cbc>A1+R), поэтому корма пойдёт влево.
Если положить руль влево, то в начале реверса корма пойдёт влево (A1+C> R+Cbc), в конце, по мере ослабления силы А1, - вправо (R+Cbc>A1+C).
Когда инерция заднего хода будет полностью погашена и судно двинется вперёд, корма вновь начнёт уклоняться влево в соответствии с действием сил на переднем установившемся ходу
Рисунок 5.6. Судно движется вперёд, винт работает назад.
Рисунок 5.7. Судно движется назад, винт работает вперёд.
Итак, на двух режимах из четырёх рассмотренных судно с ВРШ ведёт себя так же, как и судно с ВФШ (винт работает вперёд). На двух остальных режимах (винт работает назад) влияние ВРШ на управляемость судна отличается от действия ВФШ. Это необходимо помнить во время манёвров.
3. Средства активного управления судном.
Средства активного управления судном (САУ) создаются, как правило, на основе использования:
- крыльчатых движителей (КД);
- поворотных винтовых колонок (ПВК);
- раздельных поворотных насадок (РПН).
3.1. Крыльчатый движитель (КД)представляет несколько (4-8) одинаковых поворотных вертикальных лопастей, расположенных на равных расстояниях по окружности вращающегося диска, установленного заподлицо с наружной обшивкой днищевой части судна. При вращении лопастей вместе с диском каждая лопасть посредством специального привода и тяг совершает ещё и колебательные движения вокруг собственной оси, благодаря чему углы атаки изменяются в зависимости от угла поворота диска.
Принцип действия КД поясняется на рис.5.8. В процессе вращения диска каждая лопасть разворачивается перпендикулярно к линии, соединяющей середину хорды лопасти с точкой N. Эта точка называется центром управления. Угол атаки каждой лопасти за время оборота диска непрерывно меняется, достигая максимального значения, когда лопасть находится на радиусе, перпендикулярном ON. Поэтому суммарная сила упора лопастей P направлена по этому радиусу.
Рисунок 5.8. Направление силы упора крыльчатого движителя Р в зависимости от положения центра управления N относительно центра диска О: а) вперёд; б)вперёд и влево; в)вперёд и вправо; г)нулевой упор; д)назад.
Абсолютное значение углов атаки, а значит и сила упора увеличивается с увеличением расстояния центра управления от центра диска О, т.е. с увеличением эксцентриситета.
Система управления лопастями КД позволяет устанавливать центр управления N в любое фиксированное относительно судовых осей положение, т.е. без реверсирования создавать упор в любом направлении и изменять его величину.
КД применяется как в качестве главного двигательно-рулевого устройства -ГДРУ (буксиры, паромы, плавкраны и т.п.), так и в качестве вспомогательного средства (ПУ) на морских судах. В последнем случае КД располагается обычно в поперечном канале, расположенном ниже ватерлинии, в корпусе судна.
3.2. Поворотные винтовые колонки представляют собой гребной винт (иногда в комплексе с насадкой), направление тяги которого может изменяться на 3600 за счёт поворота относительно вертикальной оси.
ПВК могут быть главными движителями или вспомогательными. В первом случае они относятся к ГДРУ, во втором – к вспомогательным двигательно– рулевым устройствам (ВДРУ).
Как ГРДУ, ПВК применяются на судах, к управляемости которых предъявляются особенно высокие требования, но скорость которых невелика (плавкраны, портовые буксиры, пожарные суда и т.д.).
В качестве ВДРУ ПВК чаще всего применяются на судах, на которых по условиям эксплуатации необходимо длительное время удерживаться на постоянном курсе и (или) в заданной точке (научно-исследовательские суда, кабелеукладчики, плавучие буровые установки и т.п.).
ПВК, используемые как ВДРУ, выполняются, как правило, откидными либо выдвижными, что позволяет во время перехода убрать их внутрь корпуса для уменьшения сопротивления.
Частным случаем ПВК является активный руль (АР), представляющий собой сочетание обычного руля с небольшим гребным винтом, установленным за задней кромкой пера руля. Такой винт обычно снабжается направляющей насадкой для повышения КПД.
Устройство АР приводится во вращение электродвигателем, вмонтированным в перо руля и закрытым грушевидным обтекателем. Перо руля с установленным на нём винтом АР поворачивается обычной рулевой машиной но предельные углы перекладки для повышения эффективности АР увеличиваются до 700-900.
АР позволяет разворачивать судно при отсутствии хода, а также осуществлять маневрирование без работы главного движителя на стеснённой акватории. При этом скорость судна можно изменять от 0 до 3-4 узлов при полном сохранении управляемости.
3.3. Раздельные поворотные насадки (РПН) по своей форме не отличаются от обычных поворотных винтовых насадок. Они устанавливаются на двухвинтовых судах и имеют конструкцию привода, позволяющую выполнять раздельную их перекладку.
РПН имеют широкое применение на речных транспортных судах и судах смешанного плавания, на буксирах-толкачах, а также на морских буксирах-кантовщиках.
РПН при работе винтов враздрай позволяют создавать значительную боковую тягу при отсутствии хода (рис.5.9).
Рисунок 5.9. Схема действия раздельных поворотных насадок (РПН): а)перекладка РПН внутрь; б)перекладка РПН наружу.
Если обе направляющие насадки переложить внутрь (рис.5.9.а), то равнодействующая тяг винтов, приложенная за кормой, создаёт большой момент и судно совершает быстрый разворот на месте.
При перекладке насадок наружу точка приложения равнодействующей тяг смещается вперёд от насадок (рис.5.9.б). В зависимости от угла поворота насадок точка приложения может находиться позади или впереди миделя, а в частном случае – на миделе. В этом последнем случае создаётся боковая тяга, и судно приобретает движение лагом.
При работе винтов в одном направлении и совместной перекладке насадок в одну сторону РПН работает как обычное рулевое устройство.
3.4. Подруливающее устройство.Для улучшения управляемости в сложных условиях плавания (в узкостях, шлюзах, каналах) и при швартовке крупные суда оборудуют дополнительными средствами обеспечения управляемости – подруливающими устройствами (ПУ). ПУ (рис.5.10.) представляет собой гребной винт , расположенный в тоннеле, идущем перпендикулярно ДП. За счёт реакции отбрасываемой струи воды создаётся боковая сила. Изменяя направление вращения винта, можно изменять направление упора ПУ.
Рисунок 5.10. Подруливающие устройства: а)одноканальное с одним гребным винтом; б)одноканальное с двумя гребнымивинтами.
4. Принцип управления судном с использованием САУ.
Общим признаком характеризующим работу САУ является способность создавать поперечную силу даже при полном отсутствии скорости судна.
Точка приложения поперечной силы по длине судна зависит от места установки САУ. Исключением является РПН, позволяющие в зависимости от угла перекладки насадок приложить поперечную силу к диаметральной плоскости в любой точке корпуса судна, а также за его пределами.
Рисунок 5.11. Распределение местных тангенциальных скоростей по длине
судна при вращении вокруг полюса поворота.
Если же на судне установлены, например, две поворотные винтовые колонки или два подруливающих устройства, носовое и кормовое, то совместное использование таких САУ тоже позволяет произвольно выбирать точку приложения поперечной силы, как при использовании РПН.
Характер поведения судна под воздействием САУ определяется расстоянием точки приложения поперечной силы РУ от ЦТ судна, т.е. плечом хр. Под влиянием момента поперечной силы МР = РУ судно получает вращательное движение. При этом тангенциальная скорость каждой точки по длине судна определяется расстоянием этой точки от полюса поворота (ПП) и угловой скоростью судна.
Распределение местных скоростей по длине судна при вращении вокруг ПП, расположенного на некотором расстоянии от ЦТ, показано на рис.5.11. В одном случае ПП расположен за корпусом судна на продолжении его ДП (рис5.12.а), а в другом – в пределах корпуса судна (рис.5.12.б).