Совместное влияние сил гребного винта и руля при маневрировании.

Вращающийся гребной винт на движущемся судне совершает одновременно поступательное движение со скоростью судна относительно невозмущенной среды, Vs, и вращательное движение с угловой скоростью (n-частота вращения винта, об/с).

При вращении винта условия работы каждой лопасти периодически изменяются. Это связано с близостью поверхности воды при прохождении лопастью верхнего положения, а также с попутным потоком воды, увлекаемым корпусом. Так как корпус в своей верхней кормовой части имеет более полные обводы, то и скорость попутного потока в верхней части больше, чем в нижней. Кроме того, струя, отбрасываемая винтом, за счет его вращения закручивается, при этом тангенциальные скорости закрученной струи в верхней части меньше, чем в нижней. При вращении винта на передний ход такая струя взаимодействует с рулем, а при вращении назад – с кормовой частью корпуса.

Перечисленные условия приводят к тому, что при работе винта, помимо полезной силы упора, возникают не скомпенсированные поперечные силы, влияющие на управляемость одновинтового судна (на двухвинтовом судне винты, как правило, вращаются в разные стороны, поэтому возникающие поперечные силы при синхронной работе винтов взаимно компенсируются).

Поперечные силы, обусловленные работой винта, подразделяются на силы, связанные с попутным потоком воды; силы реакции воды на винт; силы струи от винта, набрасываемой на руль или на корпус.

Основные закономерности работы гребного винта можно объяснить, если рассмотреть движение лопасти, показанной на рисунке 4.1 (площадь сечения заштрихована). Этот элемент расположен на радиусе r от оси вращения.

Скорость поступательного движения элемента (аксиальная скорость) равна скорости судна относительно невозмущенной воды - Vs, а окружная (тангенциальная) скорость элемента, равна . Абсолютная скорость элемента относительно невозмущенной воды равна геометрической сумме аксиальной и окружной скоростей. Элемент лопасти можно рассматривать как крыло, движущееся в воде с углом атаки . При этом на нем возникает элементарная гидродинамическая сила dP, пропорциональная углу атаки.

Аксиальная составляющая этой силы dPx является силой упора элемента, а поперечная составляющая dPy – лобовым сопротивлением. Произведение лобового сопротивления на радиус дает момент dM относительно оси вращения винта.

Если проинтегрировать dPx и dM по длине лопасти и умножить на число лопастей, то получится сила упора Р, обеспечивающая поступательное движение судна, и момент на валу М, преодолеваемый двигателем. В реальных условиях за корпусом судна, движущегося со скоростью Vs, возникает попутный поток, средняя скорость которого . Из-за попутного потока фактическая аксиальная скорость винта относительно воды оказывается меньше Vs на величину , т.е.

При этом очевидно ( рис. 4.1), что действительный угол атаки больше, чем угол атаки относительно невозмущенной воды . При возрастании угла атаки от до сила dP также увеличивается, а это приводит к увеличению силы лобового сопротивления dPy.

Поскольку попутный поток имеет в верхней части большую скорость, чем в нижней части, то и углы атаки будут иметь наибольшее значение при прохождении лопастями верхнего положения. Лопасти при этом будут испытывать максимальное лобовое сопротивление. В связи с тем, что силы лобового сопротивления для лопасти в верхнем и нижнем положениях направлены противоположно, то результирующий вектор этих сил для винта правого вращения стремится сместить корму в сторону действия большей силы, т.е. влево.

Рисунок 4.1 - Работа элемента лопасти гребного винта на передний ход

При движении судна вперед и работе винта назад угол атаки уменьшается, а горизонтальная сила сопротивления будет направлена в сторону левого борта, т.е. так же, как и при работе винта вперед.

При отсутствии хода вперед или при движении судна задним ходом попутный поток отсутствует, поэтому боковая сила не возникает.

Кроме попутного потока, на работу винта оказывает влияние и близость поверхности воды, из-за чего имеет место подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта, независимо от направления его вращения. В связи с этим, при вращении лопасти в верхнем положении испытывают меньшую силу реакции воды, чем в нижнем. Поэтому возникает результирующая сила реакции воды, всегда направленная в сторону вращения винта. На судне с винтом правого вращения сила реакции воды при работе винта вперед стремится сместить корму вправо, а при работе назад – влево. С уменьшением осадки кормой и, особенно, при частичном оголении винта боковая сила реакции возрастает.

Для более полной оценки влияния боковых сил на поведение судна необходимо учитывать еще и взаимодействие винтовой струи с пером руля и корпусом судна.

Независимо от направления вращения винта, в верхней части диска тангенциальная скорость потока меньше, чем в нижней. Благодаря этому скос потока воды, натекающего на перо руля, в нижней части больше, чем в верхней. Следовательно, и воздействие струи на перо руля в нижней части больше. Результирующая сила набрасывания воды будет стремиться сместить корму влево.

При вращении винта назад закрученный поток воды набрасывается на кормовую часть судна. Закрученный против часовой стрелки поток воды с правого борта создает повышенное давление воды, а с левого борта – пониженное. Сила набрасывания потока воды стремится развернуть корму в сторону левого борта.

Рисунок 4.2. – Действие боковых сил, связанных с работой винта.

а) судно движется вперёд, винт работает вперёд;

б) судно движется вперёд, винт вращается назад;

в) судно движется назад, винт вращается назад.

На рис.4.2. показаны направления боковых сил, приложенных к кормовой части при различных сочетаниях направлений движения судна и вращения гребного винта, с использованием следующих обозначений: F_ПП – сила, связанная с действием попутного потока; F_РЦ – сила реакции воды; F_СР – сила винтовой струи, набрасываемой на руль; F_СК – сила винтовой струи, набрасываемой на корпус.

Для каждого из приведённых на рисунке случаев стрелками показаны направление и степень тенденции разворота кормы (прерывистая стрелка – слабая или неустойчивая, тонкая стрелка – чётко выраженная, жирная стрелка – чётко выраженная тенденция).

Поведение одновинтового судна в каждый момент при выполнении различных манёвров в штилевую погоду определяется совместным влиянием момента переложенного руля, моментов сил F_ПП, F_РЦ и одной из двух сил F_СР или F_СК, а также моментом гидродинамической силы на корпусе, обусловленной углом дрейфа. Отметим некоторые особенности поведения такого судна с винтом правого вращения.

При движении вперёд после дачи заднего хода судно обычно начинает разворачиваться вправо, постепенно ускоряя поворот. Это происходит под действием сил F_ПП, F_РЦ и F_СК, приложенных к кормовой части и направленных в сторону левого борта, т.е. создающих момент вокруг вертикальной оси. При этом даже при значительной скорости переднего хода судно практически не слушается руля.

Если дать задний ход на остановленном относительно воды судне, то корма независимо от положения руля обычно начинает уклоняться влево под влиянием сил F_РЦ и F_СК. После приобретения скорости заднего хода некоторые суда начинают реагировать, хотя и слабо, на переложенный руль. Эффективность руля, как правило возрастает, если при наличии скорости заднего хода застопорить винт, что можно объяснить прекращением действия силы набрасывания винтовой струи на корпус судна F_СК.

Если на остановленном или движущемся назад судне дать передний ход, то судно обычно хорошо разворачивается в любую сторону после соответствующей перекладки руля.

Отмеченные особенности поведения одновинтовых судов следует рассматривать как наиболее типичные. В то же время встречаются суда, поведение которых может существенно отличаться от рассматриваемых закономерностей. Значительную роль могут играть и начальные условия при выполнении того или иного манёвра. Так, например, при торможении реверсированием двигателя на задний ход судно, не обладающее собственной устойчивостью, может вместо разворота вправо остаться на прежнем курсе или даже начать разворот влево, если непосредственно перед реверсированием имело место зарыскивание в сторону левого борта. Следует учитывать, что поведение судна может резко измениться под влиянием ветра.