Парные рули обычно поворачиваются синхронно на одинаковый угол, но больший поворачивающий эффект можно получить, если один из рулей в своем повороте отстает от другого на некоторый угол порядка 25°. Парные рули с отдельным приводом на каждом руле позволяют в широких пределах изменять направление струи от винта и даже давать судну задний ход.

Рисунок 2.24 - Многоперьевые рулевые комплексы

Еще более эффективным средством улучшения поворотливости судна является применение строенных рулей или трехбаллерного рулевого устройства с рулями большого удлинения. Их эффективность резко возрастает, если эти рули перекладываются на углы, превышающие в два и более раза предельный угол перекладки обычных рулей, практически перекрывают поток гребного винта и направляют его под углом к ДП, близким к 90°, создавая значительные боковую силу и поворачивающий судно момент.

Поворотные и синхронные поворотные направляющие насадки. Поворотная направляющая насадка на гребной винт представляет собой обычно кольцевое крыло, закрепленное на баллере и окружающее гребной винт. Кроме баллера, насадка может быть также шарнирно соединена со специальным кронштейном на корпусе судна. Насадка, прикрепленная только к баллеру, именуется подвесной. Если она опирается на кронштейн - полуподвесной (рис. 2.25). Основное назначение любой (в том числе и поворотной) насадки заключается в повышении КПД движительного комплекса.

Поворотная направляющая насадка на гребной винт в качестве органа управления судном по своему действию аналогична рулю. При перекладке насадки на ней возникает гидродинамическая сила, передающаяся на корпус и вызывающая поворот судна.

Рисунок 2.25 - Поворотная насадка: а - полуподвесная; б - подвесная

Если сопоставить боковую (подъемную) силу, возникающую при ходе судна на переложенной насадке и на размещенном в винтовой струе руле аналогичной формы в проекции на ДП судна, то на насадке эта сила оказывается примерно на 40 - 50 % большей. Преимущество насадки в этом отношении обусловлено тем, что перекладка насадки ведет к интенсивному отклонению потока, отбрасываемого винтом, и, как следствие, к значительному повороту вектора тяги комплекса винт - поворотная насадка. Этот поворот тем больше, чем меньше скорость хода и больше нагрузка винта, поэтому наибольшее отклонение вектора тяги наблюдается в швартовном режиме работы комплекса.

Важной характеристикой поворотной насадки является расположение оси баллера по длине насадки. Для осуществления поворота насадки необходимо, чтобы плоскость, в которой располагаются вершины лопастей гребного винта, совпадала с поперечной плоскостью, проходящей через ось баллера. Поскольку гребной винт всегда располагается в сечении с наименьшим внутренним диаметром, от положения оси баллера по длине насадки зависит форма профиля насадки.

Положение оси баллера по длине насадки в сильной степени влияет на гидродинамический момент на баллере насадки, который должен быть преодолен при ее перекладке. При переднем ходе момент на баллере оказывается минимальным в случае расположения оси баллера на 25-30% длины насадки от носовой кромки. С ростом отстояния оси баллера от носовой кромки момент на баллере резко возрастает. Если на двухвинтовом судне устанавливают раздельные поворотные насадки, ось баллера целесообразно размещать посредине длины насадки. При этом с целью уменьшения гидродинамического момента на баллере в хвостовой части насадки должен быть укреплен стабилизатор, чаще всего неподвижный относительно насадки.

Угол поворота насадки относительно ДП судна составляет, как правило, 30-35. В непереложенном положении ось поворотной насадки чаще всего совпадает с осью винта.

На судне могут быть установлены одна или две поворотные насадки. Если на одновинтовом судне имеется одна насадка, то она в соответствии с приведенной классификацией всегда относится к группе рулевых устройств. Если же на двухвинтовом судне поворотных насадок две, то к группе рулевых устройств они будут относиться лишь в том случае, если конструкция привода обеспечивает синхронную (т.е. в одном направлении и на одинаковый угол) перекладку насадок. В том случае, когда привод допускает раздельную перекладку (т.е. каждая насадка может быть переложена на любой угол в любом направлении независимо от другой насадки), насадки называются раздельными, и тогда они относятся к группе главных движительно-рулевых устройств. Однако, даже и в последнем случае эти насадки при движении судна, на скоростях свыше 3-4 уз перекладываются совместно (либо перекладывается только одна насадка).

Известны многочисленные модификации поворотных насадок, преследующие цели увеличения поперечной силы насадки, в особенности при неработающем гребном винте, улучшения ее стабилизирующего действия, уменьшения момента на баллере. Наиболее характерные модификации: установка в диаметральной плоскости насадки стабилизатора большого размера, выступающего далеко вверх за пределы струи движителя (рис. 2.26, а); установка на насадке продольных ребер (рис. 2.26, б) с целью улучшения стабилизирующего действия ДРК и повышения управляемости судна при ходе судна по инерции; установка боковых цилиндрических стабилизаторов (рис. 2.26, в), представляющих собой частичное продолжение насадки с целью увеличения ее поперечной силы.

Рисунок 2.26 - Модификация поворотных насадок

Одним из наиболее результативных путей повышения эффективности поворотной насадки как средства управления судном является установка на ней поворотного стабилизатора.

Неподвижную часть стабилизатора (рудерпост) устанавливают внутри насадки. Поворотную часть стабилизатора навешивают на рудерпост.

Привод поворотной части стабилизатора осуществляют по схеме, аналогичной схеме привода рулей Беккера, для чего на корпусе судна устанавливают штырь, входящий в паз направляющей стабилизатора. Положение штыря относительно баллера выбирают таким образом, чтобы при перекладке насадки на максимальный угол 30° угол перекладки стабилизатора составлял 60°. Кинематическая схема поворотной насадки с поворотным стабилизатором изображена на рис. 2.27, а ее геометрические характеристики показаны на рис. 2.28.

Рисунок 2.27 -Кинематическая схема поворотной насадки с поворотным стабилизатором

1 - поворотная насадка; 2 - рудерпост; 3 - поворотный стабилизатор; 4 - направляющая; 5 - штырь на корпусе

Рисунок 2.28 - Геометрические характеристики поворотной насадки с поворотным стабилизатором.

1 - поворотная насадка; 2 - рудерпост; 3 - поворотный стабилизатор; 1 - ось стабилизатора; 11 - ось штыря; 111 - ось баллера

Главные движительно-рулевые устройства

Главные движительно-рулевые устройства (ГДРУ), в отличие от рулевых устройств (РУ), обеспечивают управляемость судна не только при наличии скорости хода, но и без нее. К рабочим органам ГДРУ относятся любые главные движители и насадки к ним, способные менять направление тяги в широких пределах. На средних и больших скоростях хода боковая сила этих устройств меняется пропорционально квадрату скорости, однако при уменьшении скорости хода боковая сила падает не до нуля, а до некоторого определенного значения, различного для разных устройств. В случае если судно оборудовано ГДРУ, рулевое устройство на нем может отсутствовать. Аналогично РУ действие ГДРУ сопряжено с работой главных двигателей. К ГДРУ относятся парусные движители, фланкирующие рули, гребные винты, работающие в противоположные стороны, П-образные поворотные насадки, раздельные поворотные насадки, неподвижные несоосные насадки, поворотные винтовые колонки и крыльчатые движители.

Парусные движители. Парусные движители предназначены для преобразования энергии ветра в работу полезной тяги судна, а также для придания судну нужного направления движения. Парус представляет собой полотнище из льняной, хлопчатобумажной или синтетической ткани, укрепленное на деталях рангоута, которое ставится поперек судна (прямой парус) или вдоль него (косой парус). К парусам также относятся аэродинамически эквивалентные им жесткие оболочки (парус-крыло). Совокупность парусов, рангоута, такелажа, палубных механизмов и дельных вещей, предназначенных для постановки, уборки и управления парусами называется парусным вооружением.

Паруса и парусное вооружение появилось 5-6 тысяч лет назад в Египте и Месопотамии, несколько позже и независимо - в Китае, Восточной Азии, Океании и Южной Америке. В настоящее время существует довольно большое разнообразие в парусном вооружении, и парусные суда различают по числу мачт (от 1 до 7) и типу парусного вооружения.

Несмотря на сложность парусного вооружения и управления им, а также зависимость управляемости парусного судна от направления и силы ветра, рост цен на топливо и ужесточение требований к охране окружающей среды привели к разработке проектов и постройке ряда новых коммерческих парусно-моторных судов.

Фланкирующие рули. Фланкирующие рули (рис. 2.29) отличаются от много перьевых рулевых комплексов наличием рулей не только за, но и перед винтами, что улучшает управляемость судна при работе винтов на задний ход. Причем совместная перекладка всех рулей, размещенных перед винтами, происходит независимо от совместной перекладки рулей за винтами. Работа винтов «враздрай» при соответствующей перекладке рулей обеспечивает получение боковой силы желаемого направления. Фланкирующие рули применяются на речных и озерных буксирах-толкачах. Часто под термином «фланкирующие рули» понимают только рули, расположенные перед винтами.

Рисунок 2.29 - Фланкирующие рули

Гребные винты, работающие в противоположные стороны. На многовинтовых судах управление судном можно осуществлять работой одних лишь винтов в разные стороны (“враздрай”). Разворачивающий момент у многовинтового судна появляется за счет смещения гребных винтов от диаметральной плоскости. Благодаря наличию момента от винтов многовинтовые суда при использовании винтов “враздрай” и руля обладают повышенной управляемостью.

Результаты действия на судно вращающихся винтов и руля для двухвинтового судна показаны на рис. 2.30. Стрелкой показано направление смещения оконечностей судна (носа или кормы). Создаваемое гребным винтом разрежение среды под кормовым подзором облегчает смещение кормы в сторону, одноименную борту работающей машины. Кроме того, с момента начала работы гребного винта горизонтальная составляющая сил поддержания на его борту станет меньше по сравнению с противоположным бортом. В обоих случаях работы гребного винта со стороны одного борта судна появляется разворачивающий момент, который является главным фактором, определяющим маневренность (поворотливость) многовинтового судна.

Рис. 2.30 Результат действия на двухвинтовое судно винтов и руля при различных комбинациях их режимов работы

Трехвинтовые суда практически объединяют в себе маневренные свойства одно- и двухвинтовых судов. Благодаря наличию трех винтов судно может в широких пределах менять циркуляцию и даже разворачиваться на месте. Быстрый разворот трехвинтового судна получается, если средняя машина будет работать вперед, а бортовые машины - «враздрай» при руле, положенном на соответствующий повороту, борт.

При движении кормой, поскольку на заднем ходу судно плохо слушается руля, рекомендуется два режима работы:

1) работать средней машиной на задний ход, а управлять судном при помощи бортовых машин;

2) все время работать на задний ход бортовыми машинами;

при отклонении судна от заданного курса следует переложить руль в сторону уклонения кормы и дать ход вперед средней машиной.

П - образные поворотные насадки. Одним из новых вариантов ГДРУ, получающих в последние годы широкое распространение, является гребной винт в П - образной или Г-образной поворотных насадках, предложенных Г.И. Беззубовым. (рис. 2.31). Высокая технологичность изготовления, простота ремонта, возможность агрегатной замены, меньшая забиваемость битым льдом и другие эксплуатационные преимущества обусловили внедрение этого типа ДРК взамен обычных поворотных насадок.

Гребной винт в П-образной поворотной насадке отличается от гребного винта в обычной поворотной насадке как по своим пропульсивным качествам, так и по особенностям работы в качестве средства управления.

Рисунок 2.31 - Поворотная насадка

Отличительной чертой ДРК гребной винт - П- образная поворотная насадка является асимметрия его действия. В верхней части своего диска гребной винт комплекса работает в зоне скоростей, вызванных полукольцом насадки, т. е. в зоне повышенных скоростей протекания и соответственно меньших нагрузок на лопасть. В нижней части своего диска гребной винт работает в условиях, близких к условиям работы открытого гребного винта, и нагрузки на лопасть соответственно выше. Различие в тангенциальных составляющих сил, действующих на лопасти в верхней и нижней половинах диска гребного винта, создает на винте при не переложенной насадке поперечную силу, направление которой зависит от направления вращения гребного винта. На переднем ходу у гребных винтов правого вращения эта сила направлена вправо, у гребных винтов левого вращения - влево (при взгляде с кормы).

Образование поперечной силы на гребном винте вызывает реактивное отклонение его струи. Не переложенная насадка оказывается в зоне неравномерного косого обтекания, и на ней возникает поперечная сила, направленная в сторону, противоположную поперечной силе гребного винта.

Степень взаимной компенсации поперечных сил, развивающихся на гребном винте и насадке в этих условиях, зависит от конфигурации комплекса, т.е. от геометрических характеристик насадки и положения в ней гребного винта.

Испытания модели ДРК этого типа показали, что гидродинамические характеристики П- образной насадки в качестве средства управления линейны в широком диапазоне углов перекладки и дрейфа и несколько хуже, чем у обычной кольцевой.

Раздельные поворотные насадки

Раздельные поворотные насадки (РПН) на двухвинтовых судах при работе винтов «враздрай» развивают значительную боковую силу при отсутствии хода, т. е. обладают качествами, присущими САУ. При этом направление равнодействующей тяг комплексов и ее положение по длине судна зависят от того, как переложены насадки.

При перекладке обеих насадок внутрь (рис. 2.32, а) равнодействующая приложена в точке диаметральной плоскости за кормой судна, и последнее разворачивается на месте тем интенсивнее, чем больше углы перекладки насадок.

Когда обе насадки переложены наружу (рис. 2.32, б), равнодействующая перемещается в нос и в корму соответственно, судно не только дрейфует, но и поворачивается в сторону, зависящую от величины и направления упоров винтов. При некотором среднем угле перекладки точка приложения равнодействующей может совпасть с центром сопротивления воды при боковом движении судна. В этом случае оно дрейфует без вращения, т. е. движется лагом.

Рисунок 2.32 - Раздельная перекладка поворотных насадок

Итак, раздельная перекладка насадок при одновременном изменении величины упора винтов (за счет изменения числа оборотов двигателя) позволяет получить необходимую величину, точку приложения по длине судна и направление равнодействующей.

РПН установлены на многих судах, главным образом речного флота - буксирах-толкачах, сухогрузных и наливных судах. Испытания показывают высокую эффективность РПН, обеспечивающих судам повышенную маневренность.

Неподвижные несоосные насадки. Неподвижные несоосные насадки представляют собой средство управления, предложенное Г. Я. Першицем. В отличие от обычных неподвижных насадок, соосных с гребным винтом, эти насадки повернуты вокруг вертикальных осей задними кромками к ДП судна с таким расчетом, чтобы продолжения осей насадок пересекались на ДП за кормой судна (рис. 2.33).

Угол отворота насадок от осей гребных валов составляет около 4-8°. Поскольку при малых углах отворота насадки от линии вала, тяга комплекса винт - насадка практически совпадает с осью насадки. Равнодействующая тяг обоих комплексов приближенно располагается в точке пересечения осей насадок, а изменением частоты вращения винтов, в том числе винтов, работающих враздрай, направление равнодействующей может быть изменено на любой угол.

Рисунок 2.33 - Неподвижные несоосные насадки

Крыльчатые движители. Впервые крыльчатый движитель, получивший практическое применение, был предложен в 1926 г. австрийским инженером Шнейдером. Крыльчатый движитель (рис. 2.34.) - это устройство, использующееся не только для создания упора, но и для изменения его направления. Помимо этого, крыльчатый движитель позволяет регулировать его гидродинамические характеристики, т. е. сочетает в себе свойства движителя регулируемого шага и средства управления.



Рисунок 2.34 - Крыльчатый движитель

В настоящее время крыльчатые движители применяются на судах как в качестве основного движителя (буксиры, паромы, плавкраны, рыболовные суда), так и в виде вспомогательного средства управления (большие морские суда - пассажирские, танкеры и т. д.). В первом случае движитель располагается непосредственно под днищем судна, во втором - чаще всего в поперечном канале корпуса.

Конструктивно крыльчатый движитель представляет собой диск (ротор) с вертикальной осью вращения, установленный заподлицо с днищевой обшивкой (либо с платформой, если движитель расположен в поперечном канале). Диск несет на себе четыре-восемь поворотных вертикальных лопастей, размещенных на равном расстоянии друг от друга по окружности диска и представляющих собой профилированные крылья. При вращении движителя каждая лопасть совершает вращательное движение по отношению к диску и вместе с диском относительно воды. В воде находятся только лопасти, а механизмы вращения диска и поворота лопастей размещены внутри корпуса судна.

Рисунок 2.35 - Принцип действия КД

Для уяснения принципа действия КД рассмотрим рис. 2.35. Как видно из рисунка, при вращении диска лопасти поворачиваются так, что перпендикуляры, восстановленные из середины хорд лопастей, в любой момент времени пересекаются в одной точке N. Эта точка называется центром управления. Лопасть движется в воде подобно крылу со скоростью v, являющейся геометрической суммой окружной скорости и скорости поступательного вместе с судном перемещения диска. При движении лопасти под углом атаки на ней возникает сила, составляющая которой Р создает упор лопасти в направлении движения судна, а окружная составляющая Т образует момент относительно центра диска, преодолеваемый машиной. С помощью привода лопастей центр управления N может быть установлен в любой точке внутри окружности.

Перемещение точки N вдоль диаметра движителя изменяет величину упора, зависящую от длины отрезка ON. Направление упора перпендикулярно этому отрезку.

Регулируя величину упора, можно осуществить все режимы движения судна от «полного хода вперед» через «Стоп» до «Полного хода назад». Положение «Стоп» соответствует совмещению точки N с центром диска О. В этот момент упор лопастей равен нулю.

Перемещением точки N в стороны от диаметра меняется не только величина, но и направление упора, т. е. производится поворот судна. Скорость и направление вращения диска движителя при этом могут оставаться постоянными.

Управление судном при помощи КД показано на рис. 2.36. Суда, оборудованные крыльчатыми движителями, имеют ряд преимуществ перед винтовыми:

- сочетание функций винта и руля, вследствие чего отпадает необходимость в рулевом устройстве;

- возможность направления силы тяги в любую сторону;

- некоторое повышение к. п. д. установки в сравнении с ВФШ;

- возможность расположения буксировщика при буксировке лагом как в носовой, так и в кормовой оконечности судна, так как упор буксировщика на переднем и заднем ходу одинаков;

- осуществление перемены хода без реверса двигателя;

- возможность создания упора в направлении, перпендикулярном борту швартующегося судна при любом положении буксировщика.

Рисунок 2.36 - Управление судном с помощью КД а) - вперед; б) - стоп; в) назад; г) - поворот вправо; д) поворот влево.

Хорошие маневренные качества судов с КД позволяют особо выгодно использовать эти движители на буксировщиках.

Судно, имеющее КД, способно легко разворачиваться в любом направлении даже из положения «Стоп». Наличие двух КД позволяет судну двигаться лагом (со скоростью около 2 уз). Можно осуществлять плавное наращивание (практически от нуля) и гашение скорости. Это имеет значение при подходе к судам, причалам и т. д.

Путь торможения судна с КД обычно не превышает длины корпуса, так как выступающие лопасти движителя быстро гасят инерцию; существенно сокращается и время торможения. Буксировщик с КД затрачивает на прием буксира на ходу на 30-40% времени меньше, чем винтовой буксир, а при сильном ветре и течении время сокращается в 3-4 раза. При швартовке транспортных судов к причалу примерно в 5 раз сокращается время, необходимое для соответствующего маневрирования буксировщика.

Необходимо отметить и некоторые недостатки судов, оборудованных КД:

- суда, имеющие КД в качестве основного движителя, для плавания в открытом море не приспособлены, так как на волнении несущий диск и лопасти будут подвергаться чрезмерным напряжениям;

- для плавания во льду КД требует надежной конструктивной защиты;

- сложность конструкции самих КД и относительно большая масса (10 кг на 1 л.с. и более) позволяет применять их лишь при небольших мощностях нереверсивного двигателя;

- КД увеличивают фактическую осадку судна.

Вспомогательные устройства управления (ВУУ) характерны тем, что для их работы включения главных двигателей не требуется, поскольку ВСУ оборудованы собственными двигателями. Предназначены ВУУ для обеспечения управляемости судна только на предельно малых скоростях и без хода, и эффективность их, как правило, растет по мере уменьшения скорости хода. Судно, оборудованное ВУУ, должно иметь обычный руль или любое другое РУ. Иногда ВУУ устанавливаются на суда, снабженные ГДРУ.

Вспомогательные устройства управления по характеру своего воздействия на судно подразделяются на подруливающие устройства и вспомогательные движительно-рулевые устройства, изгибающие устройства и буксирные устройства.

Подруливающие устройства (ПУ) является одним из наиболее распространенных вспомогательных средств управления судном. Оно представляет собой автономную систему, независимую от главных двигателей, размещенную в корпусе судна. ПУ, кроме откидных винтовых колонок, создают поперечную силу (тягу ПУ) путем засасывания забортной воды и выбрасывания ее в поперечном по отношению к ДП судна направлении.

Подруливающее устройство предназначается для управления судном в условиях, в которых эффективность основных средств управления оказывается недостаточной. Подруливающее устройство должно обеспечивать маневрирование судна, не имеющего хода, при швартовных операциях, при отходе от стенки, при развороте в условиях ветра и течения, оно должно способствовать маневрированию судна на малых скоростях при самостоятельном движении на акваториях портов, при различных ограничениях фарватера, в узостях и т. п.

Носовые и кормовые подруливающие устройства. Общим конструктивным признаком этих ПУ является наличие поперечного канала в корпусе судна и встроенного в него импеллера или насоса.

Носовые ПУ (НПУ) и кормовые ПУ (КПУ) различают по месту расположения на судне. Для увеличения действующего на судно вращающего момента носовое ПУ размещают на возможно большем удалении от миделя (рис. 2.37).

Рисунок 2.37 - Установка кормового ПУ на судне: а) общий вид установки на судне с ВРШ; б) схема размещения каналов КПУ в обход валопровода: 1 - выше туннеля валопровода; 2 - ниже туннеля валопровода.

Кормовое ПУ устанавливают в дополнение к носовому для обеспечения судну движения лагом или других специальных маневров. Для увеличения вращающего момента кормовое ПУ также размещают возможно дальше от миделя. Размещение КПУ вызывает обычно значительные трудности, связанные с расположением в этом районе валопроводов гребных винтов. На судах с большой осадкой КПУ может размещаться ниже линии гребного вала (рис. 2.37). На судах с малой осадкой применяют КПУ с каналами сложной формы. Мощность КПУ обычно меньше или равна мощности НПУ.

По числу каналов ПУ разделяются на одно- и двухканальные. Наиболее распространены одноканальные ПУ, которые предназначаются для работы на оба борта и имеют симметричную, относительно ДП судна, конструкцию (рис. 2.38).

Двухканальные ПУ могут представлять собой комбинацию двух ПУ одностороннего действия (рис. 2.39).

Рисунок 2.38 - Одноканальные ПУ: а) с гребным винтом; б) с крыльчатым движителем

Рисунок 2.39 - Двухканальное ПУ одностороннего действия

Подобная конструкция позволяет несколько повысить эффективность ПУ благодаря более рациональной, несимметричной относительно ДП, профилировке канала и использованию более экономичного импеллера одностороннего действия (например, ВФШ с авиационным профилем сечения лопастей). Однако реализовать эффект от расширения выходной части канала и соответствующего снижения скорости в струе ПУ, как правило, не удается. При обычной длине канала, не превышающей четырех его диаметров, эффективное расширение выходной части канала, возможно только при большом угле раствора диффузора, приводящем к не компенсируемым вязкостным потерям. Кроме того, расширение канала приводит к росту разрежения на засасывающей стороне импеллера, увеличивая тем самым опасность кавитации. Стоимость таких ПУ выше стоимости эквивалентного по тяге одноканального ПУ, а их размещение на судне требует больше места.

Двухканальные симметричные ПУ устанавливают при необходимости разделения мощности ПУ, т.е. в тех случаях, когда осадка судна не допускает размещения одного ПУ достаточно большого диаметра.

Применяются также ПУ со сложной формой канала (Т-образной, Z-образной), с различного вида заслонками (рис. 2.40). Преимуществом такого ПУ является возможность использования достаточно простых импеллеров одностороннего действия (например, осевых насосов), а также возможность организации надводного выброса, что обеспечивает им способность к действию на ходу судна. Эффективность ПУ со сложной формой каналов ниже обычной.

Рисунок 2.40 - ПУ с каналом Т-образной формы и заслонками

Рисунок 2.41 - Формы входной (выходной) части канала: а) скругленная; б) коническая; в) с уступом.

По типу используемого импеллера ПУ разделяются на ПУ с ВРШ, реверсивными ВФШ, двумя ВФШ противоположного вращения, крыльчатыми движителями, а также ПУ с центробежными, осевыми и эжекционными насосами. ПУ с крыльчатым движителем называют ротаторными, а с винтами или насосами - водометными. Применение импеллера того или иного типа определяется его эффективностью в конкретных условиях размещения, видом энергоснабжения, различными специальными требованиями к ПУ.

Канал ПУ. Наиболее распространенной формой канала одноканальных, симметричных ПУ является цилиндрическая, круглая в сечении у ПУ с гребными винтами или прямоугольная у ПУ с крыльчатыми движителями.

Особое значение для эффективности ПУ имеют входная и выходная части канала. Конфигурация входной части канала ПУ должна обеспечивать отсутствие отрыва потока, благоприятное распределение давления и минимум сопротивления входу жидкости.

Конфигурация выходной части канала должна обеспечивать устойчивый отрыв струи и минимум потерь на выходе, т. е. иметь острые кромки. Необходимость одновременного удовлетворения обоих требований приводит для симметричных ПУ к компромиссным решениям. Наибольшее распространение среди таких решений получило незначительное округление кромок отверстий канала. Иногда используются конические раструбы, но эта форма является уступкой технологии, и ее применение нежелательно.

Большой интерес представляет ступенчатая форма, позволяющая совместить устойчивый отрыв выходящей струи с минимумом потерь на входе.

Защитные решетки. Защитные решетки устанавливают во входных отверстиях каналов ПУ для предотвращения поломок и засорения ПУ посторонними предметами (рис. 1.42). Следует оговорить, что установка решеток не только защищает ПУ, но и в определенной мере способствует скоплению в его канале посторонних предметов. Поэтому в конструкции ПУ, оборудованного защитными решетками, должна предусматриваться возможность очистки канала от мусора.

Для ПУ с гребными винтами наиболее рациональны вертикальные решетки. При установке ПУ в зоне значительного наклона шпангоутов целесообразно использование горизонтальных решеток с профилировкой, обеспечивающей безотрывное течение в нижней части канала. В некоторых конструкциях применяется смешанный тип решеток, состоящих из вертикальных и горизонтальных элементов. Для защиты каналов ПУ с крыльчатыми движителями обычно применяются горизонтальные решетки. Загромождение сечения канала защитной решеткой во всех случаях не должно превосходить 10%, хотя уже при этом снижение тяги ПУ достигает в зависимости от профилировки и качества исполнения решетки 6-10%. Дальнейшее увеличение загромождения приводит к резкому снижению тяги ПУ (при загромождении, равном 15%, снижение тяги достигает 20%).

Закрытия канала. У быстроходных судов и судов с полными носовыми обводами дополнительное сопротивление воды, которое связано с наличием входных отверстий и сквозного канала, соединяющего оба борта, может достигать значительной величины (рис. 2. 42).



Рисунок 2.42 - Устройство для закрытия каналов ПУ: а) заслонка; б) жалюзи

Наилучшим способом практической ликвидации дополнительного сопротивления является полное закрытие входных отверстий канала ПУ. Наибольшее распространение получили два типа устройств, для закрытия отверстий каналов: заслонки и жалюзи (рис. 2.42). Заслонки не увеличивают сопротивления тракта и соответственно не снижают эффективности ПУ. Выход за габариты судна делает их легко уязвимыми при швартовных и других подобных операциях. Жалюзи, наоборот, менее подвержены повреждениям, но, как и другие виды защитных решеток, снижают эффективность ПУ.

Откидные винтовые колонки. Откидные винтовые колонки используются в основном как ПУ в средствах активного позиционирования на буровых установках и судах. Конструктивно они проще, чем винтовые поворотные колонки и создают упор только вдоль одного предусмотренного для них направления. Обычно на одном объекте устанавливается несколько откидных винтовых колонок, направленных в разные стороны. При перемещении объекта в новое положение откидные винтовые колонки убираются для уменьшения сопротивления.

Вспомогательные движительно-рулевые устройства (ВДРУ), в отличие от ПУ, могут создавать необходимую тягу, направление которой меняется в широких пределах.

Использование ВДРУ определяется необходимостью улучшения маневренных качеств судов отдельных типов или составов в тех случаях, когда главные устройства управления не удовлетворяют предъявляемым к этим качествам требованиям. В качестве ВДРУ могут использоваться активные рули, носовые рули, поворотные винтовые колонки, силовые приставки и вспомогательные суда-кантовщики.

Активные рули (АР) - это рули с установленными на них вспомогательными винтами, расположенными обычно за задней кромкой пера. Винт, как правило, имеет направляющую насадку, которая повышает его к. п. д. и защищает от повреждений.

Энергия к винту может быть подведена двумя путями:

от водопогружных электродвигателей, размещенных в бульбе образной наделке на пере руля (рис. 2.43);

посредством конической зубчатой передачи и вертикального вала, проходящего через расточку баллера руля.

Рисунок 2.43 - Активный руль с водопогружным двигателем. 1 - баллер; 2 - перо руля; 3 - кабели; 4 - бульбообразная наделка; 5 - водопогружной электродвигатель; 6 - гребной винт

В последнем случае приводной двигатель располагается в румпельном отделении.

Винт активного руля устанавливают так, чтобы его ось находилась на одной линии с осью основного гребного винта.

Активный руль перекладывается с борта на борт обычной рулевой машиной, но с целью увеличения эффективности действия угол перекладки должен быть не менее 70°. Когда судно следует под главным движителем (винт АР не работает) со скоростью более 5 уз, перекладка руля осуществляется в обычных пределах - 35° на оба борта. Для этой цели на рулевых машинах устанавливают ограничители, сблокированные с датчиком, помещенным на гребном валу, или управляемые с мостика.

Схема действия активного руля показана на рис. 2.44. При перекладке пера руля на нем возникает боковая сила Р_у, к которой добавляется составляющая Р_у упора винта. В результате увеличивается боковая сила, действующая на корму судна, и при повороте руля на 90° относительно ДП судна эффект разворачивающего действия винта АР будет максимальным.

Рисунок 2.44 - Схема действия активного руля

Из опыта эксплуатации активных рулей можно сделать некоторые выводы об их достоинствах. Так, активный руль:

- позволяет осуществлять повороты не только на малом ходу, но и при полном отсутствии хода;

- может служить запасным движителем, причем судно способно двигаться только с его помощью при полном сохранении управляемости;

- при маневрах на стесненной акватории используется и как основной движитель.

Кроме того:

- при совместной работе в результате противоположного вращения основного винта и винта АР снижаются потери на закручивание потока основного винта, что способствует увеличению пропульсивного к. п. д. комплекса;

- применение АР в сочетании с носовыми подруливающими устройствами позволяет обеспечивать движение судна лагом;

- маневренные качества судна еще более улучшаются, если в качестве движителя АР используется ВРШ.

Но при этом:

- наличие АР усложняет и утяжеляет конструкцию пера руля;

- в общем случае полное сопротивление судна за счет применения активного руля вместо обычного может увеличиваться на 6- 15%;

- этот недостаток можно несколько компенсировать применением ВРШ;

- упор винта АР, как и всякого винта фиксированного шага, на заднем ходу меньше упора переднего хода; этот недостаток в известной мере может быть устранен за счет применения ВРШ.

Активные рули, широко применявшиеся в зарубежном и отечественном судостроении в течение 50-70-х годов, в настоящее время устанавливаются на суда сравнительно редко.

Носовые рули. Для улучшения поворотливости и уменьшения ширины ходовой полосы, занимаемой толкаемым составом или крупнотоннажным грузовым теплоходом при прохождении крутых поворотов, на реках находят применение носовые опускающиеся рули. Эти рули размещаются в сквозных нишах корпуса в носовой части передней баржи толкаемого состава или судна с санными обводами и составляют с ДП судна угол 35 -45°. Подъем и опускание носовых рулей производятся с помощью специального дистанционно управляемого привода. В обычных условиях эксплуатации рули подняты, за пределы корпуса судна не выступают и их не используют. При движении по лимитирующему перекату реки носовой руль того борта судна, в сторону которого осуществляется поворот, опускается и на нем возникает боковая сила, способствующая повороту судна или состава.

Поворотные винтовые колонки. Поворотные винтовые колонки (ПВК) уже описывались в разделе главных движительно-рулевых устройств. В качестве ВДРУ ПВК применяются на судах, к которым предъявляются высокие требования в отношении управляемости на предельно малых скоростях хода, а также на судах, которым по условиям эксплуатации необходимо длительное время без хода удерживать в определенном положении ДП или находиться в определенной точке открытого моря. К таким судам относятся рыбоперерабатывающие базы, океанографические и научно-исследовательские суда, кабелеукладчики, суда для обслуживания нефтяных промыслов, плавучие буровые установки и др. ПВК, используемые как ВДРУ, обычно менее мощные, чем ПВК ГДРУ, и выполняются, как правило, откидывающимися или выдвижными. Это позволяет убрать устройство внутрь корпуса, если надобность в нем отсутствует, что предотвращает увеличение сопротивления воды движению судна из-за лобового сопротивления ПВК, а также поломки последних.

Силовые приставки и вспомогательные суда- кантовщики. Силовые приставки (автономные плавучие движительно-рулевые агрегаты) и вспомогательные суда пришвартовываются к борту в носовой части судна или состава для улучшения их управляемости в сложных условиях эксплуатации.

Они применяются в речном плавании при недостаточном обеспечении судна или состава главными и вспомогательными устройствами управления и поэтому отнесены к ВДРУ.

К ВДРУ относятся также вспомогательные буксиры-кантовщики использующиеся в морских портах для перемещения крупных морских судов, не обладающих автономностью в отношении управляемости.

Изгибающие устройства составных судов или толкаемых составов представляют собой специфические устройства, рабочим органом которых служит сам корпус судна либо корпуса барж толкаемого состава (рис. 2.45).

Рисунок 2.45. Схема изгибающего состава

Изгиб составных судов применяется для облегчения прохода крупнотоннажного речного состава по извилистым рекам с узким судовым ходом. Отдельные суда состава счаливаются в нитку и соединяются шарнирно, благодаря чему переднее судно имеет возможность поворачиваться на некоторый угол относительно заднего, что ведет к ломаному изгибу оси состава. Шарнир снабжен размещаемым на палубе устройством принудительного поворота и удержания взаимного положения судов. Изгибающих устройств по длине состава может быть несколько.

Изгиб состава, меняя его форму, приводит к изменению усилий, действующих на движущийся корпус со стороны воды, и тем самым изменяет движение состава. Практическое распространение получили балочные и безбалочные гидравлические устройства, позволяющие осуществлять принудительный поворот одного судна в составе относительно другого на угол, величина которого колеблется в пределах от 13 до 27°.

Одним из конструкторских бюро Санкт-Петербурга создано гидравлическое изгибающее устройство, позволяющее отклонять толкач от ДП состава и использовать его как большой руль. Это устройство также существенно улучшает управляемость толкаемых составов, особенно при воздействии на них ветра.

Буксирные устройства служат для передачи движущей силы с буксира на буксируемый объект (судно, плот, буровую установку и т. п.), могут рассматриваться как вспомогательное средство управления, поскольку эта сила дополняет те силы, которые создают основные СУ буксируемого объекта.

В морских условиях при отсутствии ветра и волнения буксировка больших трудностей не представляет и может быть выполнена любыми судами. В штормовых условиях на буксирном тросе возникают большие усилия, поэтому буксировка крупных объектов (плавдоков, кранов и т.п.) осуществляется специальными океанскими буксирами, которые оборудованы автоматическими буксирными лебедками, подтравливающими буксирный трос в момент рывка. В качестве буксирного троса используют буксирную линию с 2-кратным запасом на разрывное усилие и 6-кратным - на рабочее. Скорость буксировки рассчитывают по упору винта буксира на швартовном режиме и суммарному сопротивлению воды для буксируемого и буксирующего судна. Буксировка может выполняться в кильватер или лагом. Буксировка в кильватер - наиболее простой и удобный способ. Различают буксировку на коротком буксире и на длинном, когда натяжение буксирного троса обеспечивается без выхода его из воды. Ледоколы в Арктике применяют буксировку вплотную. Буксировка лагом применяют обычно на коротких переходах в тихую погоду с небольшими скоростями.

При буксировке по внутренним водным путям используют четыре способа: в кильватер, лагом, бочонком (в первом и третьем счале одно судно, а во втором - два) и безменом (в первом и втором счалах по одному судну, а в третьем - два).

Если в качестве буксирного судна используется не буксир, то такая буксировка называется буксировкой со вспомогательным судном.

Ограничивающие устройства управления служат для ограничения перемещений судна или его стабилизации в определенном положении. К ним относятся тормозные, якорно-швартовные устройства и системы позиционирования.

Тормозные парашюты. Тормозные парашюты по принципу действия и назначению аналогичны авиационным. Система тормозных парашютов может рассматриваться как дополнительное средство торможения для больших судов. Парашюты сбрасывают с бортов, а не с кормы во избежание наматывания тросов на винт. Испытания тормозных парашютов в Японии на танкере дедвейтом 50 тыс. т при скорости 10,5 уз показали, что 2 парашюта диаметром 3 м с каждого борта позволяют вдвое сократить тормозной путь и на 20% время торможения.

Тормозные щиты. Идея применения бортовых тормозных щитов была высказана впервые за рубежом (в Нидерландах) и в Советском Союзе. Первоначально считалось, что тормозные щиты можно устанавливать в любом месте судна, но в дальнейшем было признано целесообразным иметь их в кормовой части. Это упростило систему гидравлического управления и улучшило управляемость судна при его движении задним ходом, т. е. при работе гребных винтов на задний ход. С помощью тормозных щитов путь свободного торможения может быть, например, сокращен в 2,6 раза, а время более чем в 3 раза.

Раскрывающийся носовой бульб.

Для обеспечения аварийного торможения носовой бульб крупнотоннажного судна может быть выполнен в виде двух раскрывающихся чаш или в виде закрылков, напоминающих жабры, раскрытые навстречу движению. Эффективность раскрывающегося носового бульба соответствует эффективности тормозных щитов.

Опускающиеся носовые рули. Носовые рули уже были описаны в разделе вспомогательных устройств управления. Их одновременное опускание является довольно эффективным средством торможения толкаемых составов.

Лоты и волокуши. К тормозным устройствам плотов, а иногда и составов относятся лоты и цепи-волокуши, которые опускаются с кормовой части плота и волочатся по грунту. Создающаяся при этом сила трения тормозит движение плота и препятствует перемещению плота за пределы судового хода.

Якорно-швартовные устройства. Эти устройства широко используют в качестве дополнительного средств управления при маневрировании судов для ограничения перемещений и подтягивание их к береговым и плавучим сооружениям или постановке на якорь. Они способствуют также отвалу судна от причала при сильном ветре и течении навальных направлений.

Якорное устройство, помимо удержания судна в определенной позиции и обеспечения отвала судна от причала, может использоваться для экстренного торможения, для чего вытравливается якорь с небольшим количеством якорной цепи, обеспечивающей протаскивание якоря по дну.

Автошвартовые устройства отличаются от обычных швартовных наличием автоматического контроля за натяжением судовых концов. В портах с сильными приливными явлениями такие устройства облегчают работу команды и увеличивают безопасность судна у причала, предотвращая обрыв и провисание концов.



3. Навигационный план проводки судна по БДЛК

3.1 Особенности выполнения поворота в канале

Обычно при рассмотрении процесса поворота описание движения судна производят в функции времени, хотя контроль его выполнения осуществляется по изменению курса. Это усложняет работу оператора при маневрировании и требует планирования и контроля двух параметров одновременно - времени и угла поворота. Кроме того, необходимо знать время задержки поворота Т() для состояний в грузу и в балласте при различных углах перекладки руля.

Для того, чтобы облегчить работу оператора и уточнить технологию выполнения испытательных маневров, которые используются при определении динамических свойств судна, как объекта управления, произведем оценку характера изменения угла курса (угловой скорости) в функции угла поворота.

Как следует из анализа результатов натурных наблюдений судов между углом изменения курса и временем существует зависимость, близкая к линейной (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Зависимость угла курса от времени при повороте т/х «Капитан Темкин» в грузу, в балласте. 1 - угол перекладки 15^о, 2 - угол перекладки 35^о



Для того, чтобы упростить задачу судоводителя, иметь возможность автоматизировать контроль траектории при повороте и прогнозировать движение при изменении первоначального плана, необходимо уменьшить количество контролируемых параметров, установить их зависимость от угла курса и исследовать формализованные модели поворота.

В первоначальный период в процессе перекладки руля на заданный угол судно сохраняет неизменным курс. Это время иногда в судовождении называют “мертвый промежуток”, а путь, проходимый за это время “предварительным путем циркуляции”.

Для получения представления о пределах изменения времени Т() были проведены испытания на ММ “Pilot” для углов перекладки руля 5, 10, 15, 20 и 35 вправо для т/х “Капитан Темкин” в грузу и т/х “Харитон Греку” в балласте, результаты которых приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Зависимость времени задержки поворота от угла перекладки руля

Название теплохода	Угол перекладки в градусах
	5	10	15	20	25	30	35
Капитан Темкин в грузу Т(),с	42	36.5	31	26	20.5	15	10
Харитон Греку в балласте Т(),с	52	44	36	29	21	12	5

Зависимость между углом изменения курса и временем поворота t имеет вид:

, (18)

где Кt - коэффициент перехода от угла курса ко времени. Иначе уравнение (18) можно переписать в виде

(19)

где - коэффициент перехода от времени к углу изменения курса.

Значения коэффициентов уравнения, полученные по результатам натурных наблюдений, приведены в таблице 3.2.

Учитывая, что в качестве управляемого параметра обычно используется угол изменения курса, значение которого непрерывно контролируется по гирокомпасу, то интересно проследить за ходом изменения элементов циркуляции от управляемого параметра.

Таблица 3.2

Коэффициенты зависимости задержки поворота от угла курса и времени

Название теплохода	Коэффициенты и размерность	Угол перекладки
		Вправо	Влево
		15	30	15	30
Капитан Темкин в грузу	К,град/мин	34,5	50,0	43,5	52,6
	Кt, с/град	1,74	1,20	1,38	1,14
	Т(), с	31	15	22	15
Харитон Греку в балласте	К,град/мин	33,5	41,3	32,0	39,1
	Кt, с/град	1,79	1,45	1,88	1,53
	Т(), с	35	12	22	12

Процесс изменения угловой скорости в функции угла курса можно описать дифференциальным уравнением второго порядка:

(20)

где - постоянная угла курса по угловой скорости, характеризующая увеличение сопротивления движению судна за счет вращения;

- постоянная угла курса по угловой скорости, характеризующая изменение силы упора винта; - текущее значение угловой скорости;

- установившееся значение угловой скорости.

Решение дифференциального уравнения (20) имеет вид

, (21)

где - коэффициент затухания колебаний;

- собственная круговая частота колебаний.

График зависимости угловой скорости от угла курса, построенный по формуле (21), приведен на рисунке 3.2. На этом же рисунке штриховой линией приведена аппроксимация этой зависимости полиномом шестой степени.

Обычно для практических целей судовождения считают, что сила упора винта в процессе циркуляции остается неизменной. Тогда расчет безразмерной угловой скорости можно произвести по приближенной формуле

, (22)

где - безразмерная угловая скорость; - установившаяся безразмерная угловая скорость;- постоянная угловой скорости по углу изменения курса; - угол изменения курса. Процесс изменения угла дрейфа при повороте в функции угла курса описывается дифференциальным уравнением первого порядка



(23)

где - постоянная угла дрейфа по углу курса;

- установившийся угол дрейфа.

Рис. 3.2 Изменение угловой скорости в функции угла курса

Решение уравнения (23) имеет вид

. (24)

Для расчета текущего значения кривизны траектории в функции угла изменения курса предлагается использовать выражение:

, (25)

где - установившееся значение радиуса циркуляции;

- коэффициент изменения радиуса циркуляции.

Для расчета текущего значения линейной скорости в функции угла курса предлагается выражение, с учетом зависимости Першица Р.Я.:

. (26)

Для получения значений коэффициентов в уравнениях (24) -(26) по результатам натурных было разработано две процедуры их определения:

- по сетке экспоненциальных кривых;

- по касательной к начальной части графика.

При использовании сеток кривых по результатам наблюдений определяют значение угла поворота, при котором наблюдаемый параметр достигает установившегося значения и в районе этого значения с интервалом 5-10 градусов строят экспоненты. На полученные кривые наносят экспериментальные точки и путем графической интерполяции определяют значение коэффициента для каждой точки, а полученные результаты усредняют.

При использовании касательной к начальной точке кривой сначала наносят результаты эксперимента на график и выполняют сглаживание. Затем строят касательную к кривой до пересечения с горизонтальной линией, проведенной через точки установившегося движения. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс и получают значение коэффициента.

По полученным зависимостям производят расчет положения ПП:

. (27)

Анализ характера изменения элементов циркуляции в функции угла курса для т/х “Микола Бажан” для угла перекладки 35 градусов показывает, что все параметры достигают установившегося значения, за исключением скорости, при повороте на угол около 20⁰. Такое представление элементов циркуляции позволяет наглядно проследить за характером их изменения при повороте и учитывать при практическом маневрировании, использовании аппроксимаций при разработке автоматизированных систем управления движением судна и при выполнении маневрирования. Это существенно упрощает и облегчает контроль выполнения поворота.

Формализованная модель изменения положения полюса поворота используется для оптимизации расстановки буксиров при кантовочных операциях в порту и при визуальной оценке положения судна относительно знаков навигационного ограждения и его состояния.

3.2 Одерживание поворотов

Среди характеристик устойчивости, информация о которых отсутствует на судне, наиболее важными являются характеристики одерживания поворота - угол _о() и время t₀(); постоянная времени задержки поворота Т(); зона неустойчивости диаграммы управляемости - предельный угол обратной поворотливости _ро и угловая скорость самопроизвольной циркуляции ₀. На указанные характеристики определяющее влияние оказывают параметры зоны неустойчивости диаграммы управляемости.

Согласно рекомендациям Е.Б Юдина, основанным на расчетном исследовании управляемого движения судов постоянным курсом, для обеспечения удовлетворительной эксплуатационной устойчивости необходимо, чтобы угловая скорость самопроизвольной циркуляции не превышала 0.2 от угловой скорости при =30⁰ т.е. . При этом значение _ро невелико и позволяет обеспечивать качественное удержание судна на курсе при ручном и автоматическом управлении рулем. Эта рекомендация принята в качестве нормативного требования для российского Регистра судоходства. При этом отмечается, что значение _ро не зависит от площади пера руля.