Элементы циркуляции .

Если на движущемся судне переложить рулевой орган на какой-либо борт и оставить без изменения, то судно будет двигаться по криволинейной траектории, называемой циркуляцией (рис. 26), где

-диаметр установившейся циркуляции по центру тяжести судна или состава;

- тактический диаметр циркуляции, т.е. расстояние между положениями ДП судна при изменении первоначального курса на 180°и на 360°;

- выдвиг (поступь) циркуляции, т.е. смещение ц.т. судна в направлении первоначального прямолинейного движения до момента поворота судна на 90°;

- прямое смещение судна на циркуляции, т.е. расстояние от линии первоначального прямолинейного курса до ц.т. судна, развернувшегося на 90°;

- обратное смещение судна на циркуляции, т.е.наибольшее расстояние, на которое смещается ц.т. судна в сторону, противоположную перекладке руля.

Рис. 26. Типичная траектория циркуляции с рулем на борту

Для судов внутреннего плавания диаметр циркуляции обычно:

(53)

Приближенно для морских судов можно пользоваться формулой:

	(54)

Процесс движения по циркуляции принято разделять на три периода:

маневренный - от начала до конца перекладки руля;

эволюционный - от окончания перекладки руля до установившегося движения (период соответствует повороту судна на 80—100°);

установившейся циркуляции, представляющей движение судна по окружности и продолжающийся до тех пор, пока не изменят положение пера руля.

Анализ расчётов, выполненный по различным судам, показывает следующее:

– угол дрейфа и безразмерная угловая скорость достигают значений, близких к установившимся, при изменении курса на 90-120%, в то время как угол крена – при изменении курса на 150°, а безразмерная линейная скорость судна – на150 180°;

– при более пологих циркуляциях, достижение параметрами значений, близких к установившимся, происходит раньше, чем при циркуляциях выполняемых с большой перекладкой рулевых органов;

– несмотря на то, что угол дрейфа , безразмерная угловая скорость и угол крена достигают значений, близких к установившимся, раньше, чем безразмерная линейная скорость судна , тем не менее, дальнейшее падение линейной скорости продолжает оказывать влияние на указанные параметры.

Разные исследователи близки во мнениях о процессах, происходящих с судном в эволюционный период циркуляции. В начале периода поперечная составляющая гидродинамической силы па корпусе тормозит поперечное смещение судна, затем прекращает его, и ЦТ судна перемещается в обратном направлении - в сторону циркуляции. Момент силы сопротивления воды относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ, и момент рулевой силы имеют одно направление, полому узловая скорость вращения судна увеличивается Продолжает расти и угол дрейфа судна. По мере их увеличения силы давления воды на рулевой орган уменьшаются, точка приложения гидродинамической силы на корпусе смещается в корму. Моменты и постепенно уравновешиваются. Судно выходит на траекторию установившегося движения по окружности. В начале эволюционного периода полюс поворота находится впереди и вблизи ЦТ. После отворота судна от первоначального курса на 20-30° полюс поворота начинает смещаться в нос и в конце эволюционного периода располагается на расстоянии, примерно, 0,3 длины судна от мидельшпангоута.

При движении по криволинейной траектории возникает центробежная сила , приложенная к ЦТ судна и направленная по радиусу циркуляции во внешнюю сторону. Благодаря наличию угла дрейфа эта сила имеет продольную и поперечную составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила ) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к не­которому установившемуся значению .

Чем лучше поворотливость судна, т. е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем на крупнотоннажных морских судах во время циркуляции с рулем на борту при повороте на 90° скорость снижается приблизительно на ⅓, а при повороте на 180° - вдвое.

При небольших углах перекладки руля снижение скорости на циркуляции невелико.

Следует отметить, что скорость судна перед началом маневра, влияет лишь на величину выдвига. Так, с увеличением начальной скорости перед маневром в 2 раза (т.е. с малого до полного) величина выдвига увеличивается на 10-15%.

На параметры циркуляции также оказывает влияние направление вращения движителя.

Для судов с ВРШ левого вращения (или ВФШ правого вращения)правая циркуляция меньше, чем левая, а для судок с ВРШ правого вращения (или ВФШ левого вращения) левая циркуляция меньше,чем правая. Это объясняется тем, что в процессе движения на циркуляции с определенным углом дрейфа винт, в зависимости от направления вращения, оказывает на судно стабилизирующее действие.

Таблица1

Средние значения параметров установившейся циркуляции судов различных типов

Большая часть современных оценок управляемости связана с теми или иными элементами установившегося движения судна и, в частности, с диаграммой управляемости судна в различных ее формах. Наиболее рациональной формой корпусной диаграммы управляемости является диаграмма, характеризующая движение судна на установившейся циркуляции, построенная в функции безразмерной угловой скорости:

(55)

В основе построения корпусной диаграммы управляемости судна лежат безразмерные уравнения движения судна на установившейся циркуляции.

Корпусной кривой I рода называется всякая зависимость, устанавливающая связь между параметрами движения судна, включающая в себя только характеристики корпуса судна. Параметры действия ДРК или условия его работы в эту зависимость не входят. Таким образом, корпусная кривая I рода справедлива для любого судна, обладающего данным корпусом, независимо от типа и параметров работы его ДРК.

Примером такой кривой может служить зависимость угла дрейфа в центре тяжести судна от безразмерной угловой скорости (рис. 28).

Рис. 27 Корпусные диаграммы толкаемого состава (1) и грузового теплохода (2)

Другим примером корпусной кривой управляемости I рода может служить зависимость падения линейной скорости судна на установившейся циркуляции от безразмерной угловой скорости .

Падение линейной скорости судна наступает вследствие ряда причин:увеличения сопротивления воды движению судна, перемещающегося с утлом дрейфа и угловой скоростью, действия продольной составляющей центробежной силы инерции, снижения эффективности ДРК, работающего с углом перекладки в косом потоке, увеличения коэффициента момента на валу движителя и соответствующего снижения частоты вращения гребного винта, изменения коэффициентов попутного потока и засасывания. Из числа указанных причин достаточно достоверная численная оценка в настоящее время может быть дана лишь величине центробежной силы и эффективности движителя. Другие перечисленные причины в настоящий момент еще не изучены в достаточной мере, что затрудняет определение падения скорости судна. В то же время обширными натурными и модельными испытаниями судов различных типов показано, что зависимость на установившейся циркуляции носит весьма стабильный характер, не зависит от типа ДРК и может быть представлена рядом эмпирических и полуэмпирических формул, предложенными разными авторами.

Так зависимость от хорошо аппроксимируется формулой вида:

(56)

Расчеты и анализ материалов натурных испытаний показывают, что выличина q колеблется обычно для толкаемых составов в пределах 1,2-1,4, для грузовых теплоходов 1,4-1,7, для пассажирских судов 1,8-2,0; для катамаранов q=1,35 при клиренсе

Р.Я. Першицем предложена формула, относящаяся, по-видимому, к морским судам:

(57)

Весьма близкие к ней результаты дает и чисто эмпирическая формула Г.А. Фирсова

(58)

Обработка 226 циркуляций 15 типов грузовых теплоходов и толкаемых составов с движительными комплексами гребной винт-направляющая насадка позволила В.Г. Павленко получить расчетную зависимость в виде

(59)

Сопоставление результатов расчета по формуле (59) с данными натурных испытаний приведено на рис. 28

Рис. 28 Относительная скорость грузовых теплоходов и толкаемых составов на установившейся циркуляции

Обработка 46 циркуляций речных пассажирских судов 7 типов дала следующую зависимость:

(60)

Соответствие результатов расчета по этой формуле данным натурных испытаний видно из рис. 29

Рис. 29 Относительная скорость речных пассажирских судов на установившейся циркуляции

Несмотря на то, что взаимосвязь параметров движения на установившейся циркуляции индивидуальна для каждого проекта судов (а если учесть эксплуатационный износ, то и для каждого судна), предпринимаются попытки найти взаимосвязь параметров движения, универсальную для определенной группы судов, например, судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания. Обычно такие зависимости находят свое воплощение в универсальных графиках для определения параметров циркуляции, имеющие в основе построения взаимозависимости параметров циркуляционного движения, универсальные для данной группы судов, или в универсальных диаграммах для определения геометрических элементов циркуляции.

Для судоводителей более наглядной является диаграмма управляемости, устанавливающая зависимость параметров движения судна от перекладки рулевого органа.

Рис. 30 Диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе.

На рис. 30.показана диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе. Такое судно имеет свойства вписываться в самопроизвольную циркуляцию при прямом положении руля. Как показывает диаграмма, судно при прямом положении руля разворачивается вправо по траектории с кривизной , либо влево с кривизной .

Для того чтобы в этом состоянии прекратить самопроизвольную циркуляцию, например, вправо, необходимо переложить руль влево на угол , а для прекращения левой циркуляции необходима перекладка руля вправо на угол .

Углы перекладки руля и называются предельными углами обратной поворотливости. При перекладках руля на указанные утлы направление поворота меняется на обратное.

Площадь на диаграмме управляемости, ограниченная верти­кальными прямыми, проведенными через точки и , и участками ветвей диаграммы, называется зоной неустойчивости. В пределах этой зоны каждому углу перекладки руля соответствуют две траектории с кривизной разного знака.

По каждой из этих траекторий судно способно совершать устойчивое движение.

Изложенное выше показывает, что диаграмма управляемости дает информацию не только о поворотливости, характеризуемой кривизной траектории, но также и об устойчивости на курсе

С уменьшением угла перекладки руля все элементы циркуляции возрастают. При угле перекладки выдвиг и тактический диаметр увеличиваются в 1,5-2 раза. Влияние дифферента связано с положением центра сопротивления воды при движении судна. С увеличением дифферента на корму элементы циркуляции возрастают. Наоборот, дифферент судна на нос уменьшает циркуляцию, поворотливость судна улучшается. Влияние осадки на циркуляцию неоднозначно. При одном и том же дифференте уменьшение осадки улучшает поворотливость, что объясняется увеличением отношения площади пера руля к площади, погруженной в воду диаметральной плоскости судна. Однако, у большинства современных судов уменьшение осадки сопровождается увеличением дифферента на корму, в результате чего диаметр циркуляции остается практически неизменным.

Уменьшить циркуляцию можно, потравливая якоря в воду. За счет смещения центра сил противления в нос и увеличения частоты вращения винта при той же скорости поворотливость судна улучшится, что особенно эффективно при малых скоростях хода. На рис. 31 приведены результат испытания теплохода «Профессор Щеголев» водоизмещением 9100 т. В воду вытравливалось по одной смычке каната.

Рис. 31 Циркуляция теплохода «Профессор Щеголев» водоизмещением 9100т на малом ходу: 1-без рулей, 2-с одним якорем, 3-с двумя якорями

При выполнении циркуляции на двухвинтового судне следует учитывать дополнительные особенности режима работы главных двигателей. При больших скоростях и углах перекладки рулевых органов перегрузка внутреннего двигателя может достигать 25%.

Существенное влияние на элементы циркуляции оказывает крен судна.