Силы, создаваемые рулевым органом

На водоизмещающих судах с одновальной гребной установкой руль устанавливается непосредственно за гребным винтом. При этом в настоящее время используются следующие основные формы и типы рулей (рис.9.)

Рис. 9. Формы и типы рулей:

а) простой руль; б) балансирный руль;

в) руль с неподвижной насадкой; г) активный руль

Простые, у которых ось баллера совпадает с передней кромкой пера (рис. 9 а);

балансирные, у которых ось баллера совпадает с центром гидродинамического давления, т. е. баллер устанавливают на некотором расстоянии от передней кромки руля (рис. 9, в);

полубалансирные, у которых баллер проходит между передней кромкой и центром гидродинамического давления, опираясь на пяту (рис. 9, б).

Наибольшее распространение на судах внутреннего плавания получили подвесные балансирные рули, для перекладки которых требуются меньшие усилия. Однако их крепление и подвеска значительно сложнее, чем простых рулей. Расположение рулей относительно гребных винтов может быть различным (рис.10)

Рис.10 Схемы расположения рулей на судах:

а) одновинтовом; б)двухвинтовом; в) двухвинтовом с двумя рулями

Эффективность действия руля зависит от площади его пера S_p. Если площадь пера одного руля не обеспечивает (по расчету) оптимальной управляемости, то на судне устанавливают два руля или более. Например, туристский трехвинтовой теплоход пр.301 имеет пять рулей, расположенных следующим образом: по одному бортовому рулю за винтами правого и левого бортов и три средних руля за средним винтом.

Общая площадь рулей определяется по формуле:

S_P=Ц*L*T (30)

Где ц- специальный коэффициент(для пассажирских судов ц=0,03-0,06;для грузовых самоходных судов-0,03-0,07,для толкачей и буксиров-0,065-0,13, для паромов и катеров ц=0,04-0,05);

Руль (перо руля) представляет собой крыло за кормой судна, способное поворачиваться с помощью баллера вокруг вертикальной оси на углы 35°- 45° вправо и влево.

В гидродинамике крылом называется твёрдое тело, предназначенное для создания силы в направлении, перпендикулярном к вектору скорости набегающего потока воды. Для создания максимальной подъёмной (боковой) силы крылу придают специальную форму, близкую к цилиндрической в направлении, перпендикулярном к набегающему потоку, то есть передняя кромка крыла делается скруглённой, а задняя – заострённой (рис.11).

При движении на отклоненном от Д.П. руле в потоке возникают нормальные и касательные силы, приложенные к обшивке руля. Все эти силы заменяются одной .равнодействующей Р.

Равнодействующую гидродинамических сил Р раскладывают по составляющим на оси, связанные с направлением потока, и на оси, связанные с рулем. Эти составляющие имеют следующие названия(рис.11.):

Рис. 11.

подъемная сила P_v — проекция равнодействующей гидродинамических сил на ось, перпендикулярную к скорости набегающего на |руль потока;

лобовое сопротивление Рх - проекция равнодействующей на направление скорости набегаю­щего потока;

нормальная составляющая Р_п — проекция равнодействующих гидродинамических сил на нормаль к оси симметрии руля;

тангенциальная составляющая Pt — проекция равнодействующей на ось симметрии руля.

На рис. 11. обозначено: t_mах — наибольшая толщина руля; l_р — длина руля; l — расстояние от центра баллера до точки приложе­ния гидродинамических сил; х_d> и d—расстояния соответственно от передней кромки крыла до точки приложения гидродинамической силы Р и до центра баллера; α_р — угол перекладки руля; α_а — угол атаки, который в случае изолированного руля (т. е. если на руль не оказывают действие корпус судна и его движители) равен углу перекладки руля а_Р.

Теоретические методы исследования действия ДРК как средства управления судном охватывают в основном узкий диапазон работы изолированных рулей при до критических углах атаки. Эти методы основываются на применении различных теорий крыла малого удлинения и отличаются друг от друга главным образом оценкой угла схода с крыла вихревой пелены (угла заклинки) и схемами ее формирования, наибольшее влияние на величину силы руля оказывает угол атаки, т.е. угол между плоскостью руля и вертикальной плоскостью, в которой лежит вектор скорости набегающего на руль потока. Для руля, размещенного за корпусом и винтом, реально такой вертикальной плоскости не существует, поскольку скорости потоков, обтекающих каждый элемент руля по высоте, отличаются как по направлению, так и по величине. Поэтому под скоростью натекания потока на руль и углом атаки реального руля понимаются соответствующие величины эквивалентного изолированного руля той же формы и площади, переложенного на некоторый угол и развивающего тот же вектор подъемной силы, что и реальный руль.

Продольная и поперечная составляющие рулевой силы определяются по выражениям:

(31)

где (32)

Основным параметром, определяющим величину коэффициента подъемной силы руля, является относительное удлинение руля. Оно определяет характер зависимости коэффициента подъемной силы от угла атаки руля.

Величина коэффициента , зависит от угла перекладки руля ( ) и геометрических характеристик руля, главным образом, от его относительного удлинения ( ) и определяется по выражению:

= (33)

где - градиент подъемной силы руля (его физический смысл – это

тангенс угла наклона кривой =f( ) ;

=

(34)

График зависимости =f( ) имеет вид:

Рис.12..Зависимости для крыльев различного удлинения.

При относительном удлинении свыше 1,5 эта зависимость линейна вплоть до угла срыва потока. При относительном удлинении менее 1.5 в ней становятся заметными нелинейные составляющие . Все судовые рули относятся к крыльям малого удлинения 0,5 2.

При увеличении угла атаки и достижении им критического значения происходит срыв потока с руля и резкое снижение его подъемной силы. Величина критического угла атаки и развиваемая при этом максимальная подъемная сила зависят от относительного удлинения руля, формы профиля, числа Рейнольдса и степени турбулентности натекающего потока. Чем больше удлинение руля, тем раньше наступает и тем более выражен срыв потока и резче снижение коэффициента подъемной силы руля.

Наконец, при значениях размаха зависимость становится явно нелинейной. Кроме того, при относительных удлинениях < 1,0 начинается резкое снижение начального угла наклона кривых по мере уменьшения размаха крыла.(его высоты).

Причиной существенного снижения циркуляционной составляющей подъёмной силы при относительных удлинениях < 1,0 является, по всей вероятности, нарушение «классической» картины обтекания крыла. Можно предположить, что уже при значениях размаха 1,0 < < 1,5 циркуляция скорости потока начинает происходить не по всему контуру крыла. По мере удаления от его передней кромки циркуляция уменьшается, затем становится равной нулю и, наконец - у задней кромки - меняет своё направление на противоположное, то есть становится отрицательной, что означает невыполнение постулата Жуковского-Чаплыгина. Дальнейшее снижение относительного удлинения (0,5 < < 1,0) ведёт к расширению зоны отрицательной циркуляции за счёт сужения положительной

Следовательно, даже для тел крыловидного профиля с относительным удлинением = 0,5 возможность применения основных положений теории крыла строго говоря, становится сомнительной.

Из рисунка 12. видно, что коэффициент подъемной силы руля растет с увеличением угла атаки по закону, близкому к линейному до величины («критический угол атаки). Его называют еще углом срыва потока. При дальнейшем увеличении угла перекладки руля происходит срыв потока обтекающего руля с его передней кромки, что вызывает резкое падение подъемной силы (за счет уменьшения разности давлений на противоположных сторонах руля).

35

Из данного выражения видно, что у рулей, имеющих соотношение размеров в плане близкое к квадрату, критический угол составляет около 30^о с чем и связано ограничение предельного угла перекладки рулевых машин 35^о.на судах с насадками.

Чем меньше высота руля, тем больше влияние перетекания жидкости через верхнюю и нижние кромки и, соответственно, тем больше уменьшается по величине возникающая на руле сила.

Итак, при одной и той же площади руля и одинаковых углах перекладки сила, действующая на руль, у коротких и высоких рулей больше, чем у длинных и невысоких.

Уменьшение давления, связанное с перетеканием жидкости через верхнюю и нижнюю кромки, можно достичь установкой на этих кромках шайб (горизонтальных пластин). Увеличение подъемной силы в этом случае может быть доведено до 20%. Однако на практике большие шайбы не всегда могут быть установлены. В этом случае плоская корма некоторых судов служит как бы широкой шайбой на верхней кромке руля.

Если бы руль пересекал поверхность воды и возвышался над ней, то перетекания жидкости через верхнюю кромку не происходило бы и потеря подъемной силы была бы почти наполовину меньше. Но это преимущество так называемых полупогруженных рулей проявляется только при малых углах перекладки руля и на малых скоростях хода. При увеличении угла перекладки и скорости начинают создаваться волны и эффективность действия руля значительно уменьшается.

Чем меньше величина относительного удлинения руля, тем меньше коэффициент его подъемной силы, однако больше значение критического угла атаки.

Относительная толщина руля ( ) при ее изменении от 0,1 до 0,25 увеличивает значение коэффициента подъемной силы руля от 1,1 до 1,5, отдаляя срыв потока и увеличивая значение .

Кроме этого при таких рулях повышается коэффициент полезного действия гребных винтов.

Подъемная сила на руле тем больше, чем больше часть площади руля располагается в струе движителя и чем больше коэффициент нагрузки гребного винта. Этим, в частности, объясняется резкое уменьшение эффективности руля при снижении на ходу судна частоты вращения гребного винта. Из-за большой инерционности судна снижение его скорости не успевает за снижением частоты вращения гребного винта, что приводит к увеличению относительной поступи, снижению коэффициента нагрузки гребного винта и уменьшению подъемной силы руля.

Точные методы расчета подъемной силы руля, основанные на учете особенностей его обтекания закрученной струей гребного винта и свойствах вихревой системы струи, можно найти в справочной литературе.

Продольная сила ,развивающаяся на руле, расположенном в струе движителя, невелика. При углах перекладки руля -10" > б > 10" эта сила может быть даже положительной, представляя собой добавку к тяге движителя, развивающуюся на руле как на контрпропеллере. При больших углах перекладки она становится отрицательной.

Несколько параллельно расположенных рулей имеют такие же гидродинамические характеристики, как и у одиночного руля при условии, что расстояние между ними более длины пера руля. С уменьшением расстояния между рулями эффективность их работы значительно уменьшается.

Момент гидродинамических сил относительно баллера можно представить в виде (рис.11.)

Формула (36) позволяет заключить, что, изменяя расположение баллера по длине руля, можно значительно изменять величину момента, необходимую для перекладки руля, а это, в свою очередь, влияет на потребную мощность рулевой машины.

Если расположить баллер таким образом, чтобы его ось проходила через центр давления, то a=x_D и момент гидродинамических сил относительно баллера М обратится в нуль. Однако стремиться к этому практически нет смысла, так как центр давления меняет свое положение в зависимости от перекладки руля: при малых углах — центр давления ближе к передней кромке, а при больших — ближе к задней кромке.

При криволинейном движении судна во всех случаях, кроме случая одерживания поворота, угол атаки руля, расположенного вне струи движителя, меньше угла перекладки руля. При поворотах, выполняемых с полной перекладкой руля на борт и значительных местных углах дрейфа в корме действительный угол атаки руля, может оказаться малым или даже близким к нулю. Поэтому при необходимости увеличить поворотливость судна наибольший угол перекладки руля, расположенного вне струи движителя, может быть увеличен до 50-60° без опасения достичь критического угла атаки