Влияние корпуса судна на рулевую силу

Руль расположенный за корпусом судна, работает в более сложных и неблагоприятных условиях по сравнению с изолированным. Это происходит за счет влияния попутного потока воды, образующегося за движущимся судном, действия скоса набегающего потока за корпусом, близко расположенной к рулю «твердой стенки» в виде днищевой части кормового подзора, действия движителей.

Таким образом, влияние корпуса на работу ДРК проявляется в изменении кинематических параметров натекающего на ДРК потока, т.е. его скорости и направления, в связи с чем этот вид взаимодействия называется кинематическим.

Рис. 13 Образование попутного потока за корпусом судна

При прямолинейном движении средняя скорость потока, натекающего на руль, расположенный вне струи гребного винта, определяется по формуле

,

(37)

где - коэффициент попутного потока, характеризующий скорость за корпусом в районе ДРК в отсутствие последнего, т.е. за «голым» корпусом судна.

В случае, когда часть площади руля располагается в струе винта, (рис.14) средняя скорость натекания воды на руль определяется по формуле

,

(38)

где - часть площади руля, размещенная в струе винта;

- общая площадь руля. - аксиальная скорость потока выбрасываемая винтом

Рис. 14 Схема обтекания руля потоком воды от руля

Кинематическое взаимодействие ДРК с корпусом характеризуется также коэффициентом номинального скоса потока в районе ДРК.

Под коэффициентом номинального попутного потока при криволинейном движении судна подразумевается величина, которая зависит от формы обводов корпуса судна и параметров его движения: угловой скорости поворота и угла дрейфа. Он характеризует скорость натекания воды на ДРК при криволинейном движении, определенную в предположении, что корпус судна свободно проницаем.

Этот коэффициент играет особую роль в расчетах поперечной силы ДРК, так как он определяет действительный угол натекания воды на ДРК в целом (так называемый, угол атаки ДРК). Основным параметром, определяющим величину этого коэффициента, можно считать местный угол дрейфа в районе расположения ДРК. При малых углах дрейфа его величина составляет 0,7÷1,0°. На внешнем борту двухвальных судов он может быть больше 1,0°. В любом случае обычно, он не превышает 2÷4°.

Как при прямолинейном, так и при криволинейном движении присутствие вблизи корпуса работающего ДРК изменяет поле давлений в кормовой части судна. Результирующая этих изменений давления, распределенных по поверхности судна, образует приложенную к корпусу силу, называемую силой засасывания. Таким образом, влияние ДРК на обтекание корпуса проявляется в образовании на последнем силы засасывания, вследствие чего этот вид взаимодействия называют динамическим.

Составляющие силы засасывания в системе координат, связанных с ЦТ судна образуют продольную и поперечную силы засасывания.

При прямолинейном движении судна поперечная сила засасывания практически равна нулю, а продольная сила засасывания представляет собой не что иное, как дополнительное сопротивление воды движению судна. Несмотря на очевидную физичность такого представления, в практике расчетов ходкости обычно используют другой способ. Так как величина дополнительного сопротивления существенно зависит от режима работы движителя, то действующую на корпус силу засасывания условно относят к числу сил, действующих на ДРК, и рассматривают ее как используемый на преодоление дополнительной силы сопротивления "потерянный" упор движителя (см. формулу (28)).

Такое представление позволяет считать сопротивление воды движению судна, действующее на его корпус, не меняющимся в присутствии движителя и использовать для его определения зависимости, полученные для «голого» корпуса.

Поперечная сила засасывания при криволинейном движении также может быть отнесена либо к поперечной гидродинамической силе на корпусе судна, либо к поперечной силе, развиваемой ДРК.

Сложный характер величины поперечной силы засасывания объясняет трудности качественного исследования динамического взаимодействия и почти полное отсутствие количественных сведений о нем.

В настоящее время гидродинамические взаимодействия элементов комплекса «корпус судна - гребные винты – рули» учитывается главным образом при определении сил на рулях и гребных винтах путем введения эмпирических поправок на направление и скорость потока, натекающего на эти элементы судна с учетом влияния корпуса. Обратное воздействие рулей и гребных винтов на гидродинамические характеристики корпуса судна при криволинейном движении в практических методах расчета управляемости не учитывается.

Экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей, однако, свидетельствуют о том, что это влияние может быть достаточно существенным.

Так, поперечная сила, возникающая на корпусе судна за счет перекладки руля, расположенного в ДП в отдельных случаях достигает 30% общей силы, вызываемой перекладкой руля. В опытах А.Д.Гофмана значение дополнительной поперечной силы на корпусе судна при перекладке поворотной насадки достигало 20% поперечной силы изолированного корпуса судна при его поступательном движении с углом дрейфа.

Для ориентировочных расчетов скорость потока, обтекающего руль , с учетом влияния попутного потока, скоса и действия движителей можно определять по следующим выражениям:

- для одновинтовых судов;

-для двухвинтовых с рулем в ДП;

- для двухвинтовых с двумя рулями за винтами.