SetTitle("1.2. ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РУЛЯ"); ?> Обеспечение поворотливости корабля достигается ис­пользованием средств управления и движения корабля. в зависимости от конструкции и характера их использо­вания средства управления подразделяются на главные (ГСУ) и вспомогательные (ВСУ). Действие ГСУ зависит от скорости хода корабля или от характера работы дви­жителей. К главным средствам управления относятся рули различных типов и поворотные насадки(1).

Вспомогательные средства управления представляют со­бой движительно-рулевые комплексы, действие которых не связано с работой главных двигателей корабля. К вспо­могательным средствам управления относятся подрули­вающие устройства (ПУ), активные рули (АР), выдвиж­ные движительно-рулевые колонки (ВДРК) и поворот­ные колонки (ПК). В определенных условиях на неко­торых проектах кораблей и подводных лодок вспомога­тельные средства управления могут быть использованы и как основные средства движения.

Главные средства управления. Рули и их геометрические характеристики

Корабельный руль представляет собой крыло симме­тричного профиля. По способу соединения пера руля с корпусом корабля рули бывают простые, полуподвесные и подвесные, по положению оси баллера относительно пера руля — небалансирные и балансирные(2) (рис. 1.1). На кораблях устанавливаются только балансирные или полубалансирные рули. Отношение площади балансирной части руля к остальной называется коэффициентом компенсации руля. Обычно он колеблется в преде­лах от 0,2 до 0,3. Наиболее важные геометрические ха­рактеристики руля: его площадь Sp, относительное удли­нение λр, форма и относительная толщина профиля по­перечного сечения Δр.

Площадь пера руля Sp составляет в среднем около 2% погруженной площади диаметральной плоскости (LxT).

Относительное удлинение λр = h²p/Sp, где hp — высота пера руля, обычно колеблется в пределах от 0,4 до 2,5.


Рис. 1.1. Классификация рулей

Относительная толщина профиля поперечного сечения руля Δр = lp/bр, где lр— наибольшая толщина профиля, а bp — средняя ширина руля, обычно равна 0,15—0,18.

Высота (размах) руля hp обычно определяется усло­виями его размещения в кормовом подзоре.

На одновинтовых кораблях устанавливается один руль, который размещается за винтом.

Двухвинтовые и трехвинтовые корабли могут иметь один или два руля. В первом случае руль располагается в диаметральной плоскости (ДП), а во втором — симме­трично за бортовыми винтами.

Положение руля относительно набегающего на него по­тока характеризуется углом перекладки руля ар и углом атаки а.

Углом перекладки руля ар называется угол поворота руля, измеренный в плоскости, перпендикулярной к оси баллера. ар морских судов обычно ограничивается 35° Углом атаки руля а называется угол, образо­ванный плоскостью симметрии руля и плоскостью, прохо­дящей через ось баллера и совпадающей с направлением набегающего потока.


Рис. 1.2. Пропульсивная наделка на руле

Для повышения пропульсивного к. п. д. гребного винта на рулях иногда устанавливают пропульсивные (груше­видные) наделки (рис. 1.2). Положительный эффект пропульсивных наделок сводится к выравниванию попутного потока и уменьшению завихрений при работе винта.

Поворотные насадки представляют собой на­правляющую насадку гребного винта, укрепленную на вер­тикальном баллере, ось которого пересекается с осью гребного винта в плоскости диска винта (рис. 1.3). Пово­ротная направляющая насадка является частью движительного комплекса и одновременно служит органом упра­вления, заменяя руль.

Выведенная из ДП насадка работает как кольцевое крыло, на котором возникает боковая подъемная сила, вызывающая поворот корабля. Возникающий на баллере насадки гидродинамический момент (как на переднем, так и на заднем ходу) стремится увеличить угол ее перекладки. Чтобы снизить влияние этого отрицательного мо­мента, в хвостовой части насадки устанавливается стаби­лизатор с симметричным профилем.


Рис. 1.3. Поворотная насадка



Вспомогательные средства управления(3)

Активный руль (рис. 1.4) представляет собой обычный руль с установленным на нем вспомогательным винтом в короткой насадке. Винт приводится в действие электродвигателем, размещенным в герметичном корпусе.

Мощность электродвигателя составляет около 8—10% мощности главной энергетической установки, а диаметр вспомогательного винта принимается равным 20—25% ос­новного. Активный руль обеспечивает движение корабля со скоростью 3—4 уз. Наиболее эффективно его исполь­зование в режиме, близком к швартовному. Такой руль обеспечивает разворот корабля без хода, практически на месте. Привод активного руля допускает его разворот от­носительно ДП корабля до 70—90°. При выключенном электромоторе активный руль действует, как обычный.


Рис. 1.4. Активный руль

Подруливающее устройство (рис. 1.5) кон­структивно представляет собой цилиндрическую трубу 3 в корпусе судна с размещенным в нем движителем 1, спо­собным создавать тягу в двух противоположных направлениях, перпендикулярных к ДП.


Рис. 1.5. Принципиальная схема под­руливающего устройства с основ­ными противоположно вращающи­мися винтами

Входные кромки канала для повышения эффективности ПУ закруглены. На входе ПУ устанавливаются защитные решетки 2. Мощность от двигателя 4 передается через вертикальный вал 5, кони­ческий редуктор 6 и горизонтальные валы 7. По типу движителей различают подруливающие устройства с греб­ными винтами (винт фиксированного шага — ВФШ и винт регулируемого шага — ВРШ), крыльчатым движителем или реверсивными насосами. Обычно подруливающее устройство располагается в носовой или кормовой части.


Рис. 1.6. Принципиальная схема выдвижной движительно-рулевой колонки

Иногда применяются два устройства — носовое и кормо­вое. Как показывает опыт эксплуатации, эффективность действия подруливающих устройств резко снижается с увеличением скорости хода.

Выдвижная движительно-рулевая колонка (рис. 1.6). Движителем в ВДРК является винт 1, расположенный в направляющей насадке 2. Мощность к винту передается от электродвигателя 3 через вертикальный вал 4, верхний цилиндрический редуктор 5, вертикальный шлицевой вал 6, расположенный внутри баллера колонки 7, и нижний угло­вой редуктор 8. Механизм поворота 9 обеспечивает раз­ворот комплекса винт — насадка на любой угол. Подъем и опускание комплекса производятся с помощью меха­низма подъема 10 в виде телескопического гидроцилиндра.

Поворотные колонки по своему принципиальному устройству схожи с ВДРК, но не имеют механизма подъ­ема. В ряде случаев используются откидные поворотные колонки.

Из перечисленных выше САУ наиболее эффективны ВДРК: Они могут убираться на ходу корабля и не соз­дают дополнительного сопротивления.

Эффективность любого САУ характеризуется удельной тягой, т. е. тягой на единицу затраченной мощности. Обычно она составляет не менее 10 кгс/л. с. САУ может использоваться как совместно с главным движительно-рулевым комплексом, так и самостоятельно. Они находят широкое применение для швартовки, разво­рота в узкости при отсутствии хода и малых ходах.

Действие руля и гидродинамические силы, возникающие на нем

При перекладке руля на угол αр на передней его пло­скости вследствие уменьшения скорости потока возникает область повышенного давления. На задней плоскости, где скорость потока увеличивается, давление понижается. Раз­ность давлений приводит к возникновению результирую­щей гидродинамической силы Rp, направленной почти перпендикулярно к плоскости пера руля и приложенной в центре его давления(4).

Величина Rp зависит от площади пера руля, угла атаки и примерно пропорциональна квадрату скорости по­тока воды, набегающего на руль.

Для рассмотрения действия руля равнодействующую Rp раскладывают на составляющие в осях координат, неиз­менно связанных с кораблем: Rpy (подъемная сила), Rpx (лобовое сопротивление) и составляющие относи­тельно оси баллера Rpn и Rpt (нормальная и танген­циальная соответственно) (рис. 1.7).


Рис. 1.7. Гидродинами­ческие силы, действую­щие на руль

Гидродинамические силы связаны с равнодействующей и между собой следующими отношениями:


Действие руля на переднем ходу (рис. 1.8, а). Пе­рекладка руля на переднем ходу сопровождается появле­нием боковой гидродинамической силы Rpy. Прикладывая в центре тяжести корабля G две равные и противополож­но направленные силы Rpy получают момент Rpyl. Дей­ствие момента RPyl сопровождается обратным смещением корабля и появлением угла дрейфа α. Наличие угла дрей­фа приводит к образованию боковой силы Fy, приложен­ной в центре сопротивления корабля и обратной по направлению Rpy. Таким образом, разворачивающий момент при движении корабля на переднем ходу определится как сумма моментов от сил RPy и Fy:





Рис. 1.8. Силы, действующие на корабль при перекладке руля

Действие руля на заднем ходу (рис. 1.8,6). На заднем ходу перекладка руля также вызывает появление си­лы RPy действие момента RPyl и возникновение дрейфа корабля. Появление дрейфа также сопровождается воз­никновением силы Fy и действием момента Fyx. Однако действие Fyx противоположно по направлению дейст­вию Rpyl.

Таким образом, разворот корабля на заднем ходу бу­дет происходить под действием разности моментов;


Поэтому управляемость кораблем под действием руля на заднем ходу значительно хуже, чем на переднем. Вы­ход из установившейся циркуляции заднего хода с по­мощью одного руля практически невозможен.

Момент равнодействующей относительно оси баллера называется гидродинамическим моментом на баллере. Его величина определяется зависимостью


где а — отстояние оси баллера от передней кромки руля;

Xр — отстояние центра давления от передней кром­ки руля.


Рис. 1.9. Гидродинамические моменты на баллере простого и балансирного руля

У балансирного руля (рис. 1.9) при малых углах пере­кладки центр давления располагается впереди, а при больших — позади оси баллера. У простого руля по мере увеличения угла перекладки центр давления все время удаляется от оси вращения. Это приводит к постоянному возрастанию гидродинамического момента на баллере. При этом для перекладки руля нужна рулевая машина боль­шой мощности.

Циркуляция корабля

При выводе руля из ДП на некоторый угол корабль начнет совершать криволинейное движение по незамкну­той кривой спирального типа. Траектория, описываемая центром тяжести корабля (ЦТ), в этом случае называется циркуляцией (рис. 1.10).


Рис. 1.10. Циркуляция корабля

Когда движение корабля установится, циркуляция становится окружностью. Диа­метр этой окружности называется диаметром цир­куляции Dц.

Характеристики циркуляционной кривой:

- выдвиг l1; — расстояние, проходимое центром тя­жести корабля в направлении прямого курса от момента начала перекладки руля до поворота на 90°; величина выдвига меняется в пределах 0,6—1,2 Dц;

— прямое смещение l2 — расстояние по перпен­дикуляру к первоначальному курсу, на которое смещается центр тяжести корабля в сторону циркуляции к моменту его поворота на 90°; величина прямого смещения изме­няется в пределах 0,25—0,50 Dц;

— обратное смещение l3 — наибольшее рас­стояние, на которое смещается центр тяжести корабля от направления первоначального курса в сторону, обратную циркуляции; величина обратного смещения обычно не пре­восходит полуширины корабля;

— тактический диаметр DT — кратчайшее рас­стояние между положением диаметральной плоскости ко­рабля на первоначальном и обратном курсах; величина тактического диаметра обычно колеблется в пределах 0,9-1,2 Dц;

— период циркуляции Т — время, необходимое кораблю для совершения полного поворота на 360°. Пе­риод циркуляции зависит от скорости корабля и равен примерно 3—5 мин.

Для оценки поворотливости корабля пользуются относительным диаметром циркуляции, кото­рый определяется из отношения Dц/L. Его значение для быстроходных кораблей обычно колеблется в пределах 4—7.

При изучении циркуляции ее условно подразделяют на три периода.

Маневренный период длится от начала до конца перекладки руля (10—15с).

Эволюционный период начинается с момента окончания перекладки руля до поворота корабля на 90— 180°, когда силы, действующие на корабль, приходят в равновесие. После этого начинается период устано­вившейся циркуляции, который продолжается, пока не будет изменено положение руля.

Крен корабля на циркуляции

Перекладка руля на корабле, следующем прямолинейным курсом, приводит к искривлению траектории движе­ния в сторону, обратную перекладке руля. В результате возникает центробежная сила, момент которой вызывает небольшой крен на тот борт, куда был переложен руль.

Этот крен обусловливается также моментом боковой силы, действующей на руль. По мере изменения кривизны тра­ектории центробежная сила сначала уменьшается, а затем увеличивается. Под действием момента этой силы, прило­женной к ЦТ корабля, корабль начинает крениться в сто­рону, обратную направлению перекладки руля, причем первое наклонение корабля тем больше, чем больший угол крена он имел в сторону перекладки руля (рис. l.ll).


Рис. 1.11. Силы, кренящие корабль на установившейся циркуляции

Максимальное наклонение корабля в сторону, обрат­ную направлению перекладки руля, называется динами­ческим углом крена. Обычно динамический угол крена превосходит крен на установившейся циркуляции в 1,3 2 раза. Максимальное значение угла крена на уста­новившейся циркуляции определяется по формуле Г. А. Фирсова:


Где V0 — скорость корабля на прямом курсе до начала циркуляции, м/с;

T - средняя осадка корабля, м;

h - начальная поперечная метацентрическая высо­та, м;

L —длина корабля, м; Zg — ордината центра тяжести корабля, м. Из формулы следует, что в определенных условиях вы­полнять циркуляцию на большой скорости опасно. Особен­но важно это учитывать при плавании на попутном вол­нении и при выполнении поворота на ветер.

Центр вращения корабля

Характер движения корабля на циркуляции опреде­ляется положением точки на его диаметральной плоскости, угол дрейфа которой &beta=0.


Рис. 1.12. Центр вращения корабля

Геометрически положение этой точки определяется пересечением ДП корабля с перпен­дикуляром, опущенным на нее из центра циркуляции (рис. 1.12). Эта точка называется центром вращения корабля. Ее положение по длине корабля ха­рактеризуется значением Lцвв—Rβo. Расстояние lцв, вы­раженное в долях длины корабля L по ватерлинии:


Абсолютное значение этой величины при углах пере­кладки руля, превышающих 20°, лежит в пределах


Центр вращения всегда лежит в носовой оконечности. Отсюда следует важный практический вывод, что управ­ление кораблем на поворотах осуществляется перемеще­нием его кормы. Это необходимо постоянно учитывать при швартовке корабля, проходе узкостей и навигацион­ных опасностей.

Команды, подаваемые на руль. Порядок выполнения поворотов

«Командир корабля назначает курс и скорость кораб­ля через вахтенного офицера»(5). В отдельных случаях (при определении маневренных элементов, поправок при­боров и плавании в узкости) по решению командира ко­рабля право непосредственной подачи команды на руль может быть предоставлено штурману.

Для успешного выполнения поворотов с помощью руля командиру корабля, штурману и вахтенному офицеру должны быть известны следующие данные:

— диаметр циркуляции при перекладке руля на раз­личные углы вправо и влево при различных режимах ра­боты главных машин;

— время описания полной циркуляции и части ее при различных скоростях и комбинациях работающих машин;

— потеря скорости на циркуляции при перекладке руля на установленное число градусов для различных скоро­стей хода;

— «мертвый промежуток» времени от момента подачи команды рулевому до начала фактического поворота;

— возможная величина угла крена корабля на цирку­ляции в зависимости от скорости хода.

Выполняя поворот, руководствуются следующими пра­вилами:

— перед подачей команды на руль необходимо оце­нить обстановку и принять все меры для безопасного вы­полнения маневра;

— прибегать к перекладке руля «на борт» следует только в случае крайней необходимости (при развороте корабля в узкости, для избежания столкновения с другим кораблем, уклонения от обнаруженной навигационной опасности и атак противника);

— необходимо обеспечить возможность быстрого пе­рехода на запасные посты управления рулем;

— при совместном плавании поворот корабля должен быть обозначен установленным флажным или световым сигналом с момента подачи команды на руль до конца по­ворота;

— при изменении курса в строю кильватера поворот следует осуществлять так, чтобы форштевень шел по вну­тренней кромке кильватерной струи впереди идущего ма­телота.

Команды на руль должны подаваться в строгом соот­ветствии с «Командными словами» (приложение к Кора­бельному уставу ВМФ). Поданные команды рулевой обя­зан репетовать громким голосом, предваряя их словом «Есть».

Приняты следующие основные команды на руль:

Команда «Право (лево) на борт» означает, что руль должен быть положен до установленного предела в ука­занную сторону. Команда подается с учетом быстрой перекладки руля.

По команде «Право (лево) руля» рулевой обязан пе­реложить руль на установленное число градусов (для дан­ного корабля) в указанную сторону и доложить: «Руль право (лево) столько-то». В процессе выполнения пово­рота рулевой докладывает через каждые 10° новые зна­чения курса. Эта команда подается при выполнении обыч­ных поворотов на новый курс и совместном маневрирова­нии с однотипными кораблями.

При выполнении поворота с большим или меньшим, чем обычно, диаметром циркуляции подается команда «Столь­ко-то градусов право (лево) руля».

Команда «Отводить» подается при приближении корабля к назначенному курсу (обычно на 10—15°). По этой команде руль отводится в ДП корабля, после чего руле­вой докладывает: «Руль прямо». Аналогичные действия выполняются и по команде «Прямо руль». Команда по­дается при необходимости прервать выполнение поворота. После команд «Отводить» и «Прямо руль» рулевой докла­дывает курс через каждые 3°.

Команда «Одерживать» подается, когда до назначен­ного нового курса осталось 3—5°. По этой команде руль перекладывается на небольшое число градусов в сторону, обратную циркуляции. Рулевой докладывает курс по ком­пасу через каждый градус.

Команда «Так держать» означает, что рулевой дол­жен заметить по компасу с точностью до градуса курс, на котором лежал корабль в момент подачи команды, или направление по береговому ориентиру и удерживать ко­рабль на этом курсе, доложив: «Есть, так держать, на румбе столько-то градусов».

Команда-запрос «На румбе» означает, что рулевой дол­жен заметить курс по компасу и доложить: «На румбе столько-то градусов».

Команда «Столько-то градусов право (лево) по ком­пасу» означает, что рулевой должен изменить курс на указанное число градусов, после чего доложить: «На румбе столько-то градусов». Команда подается в случаях, когда необходимо изменить курс корабля не более чем на 15—25°.

Опытному рулевому могут быть поданы команды: «Пра­во (лево) руля. Курс столько-то градусов»; «Держать в кильватер такому-то кораблю»; «Лечь на створ»; «Оста­вить такой-то предмет справа (слева)» и т. д.

В этом случае рулевой самостоятельно выполняет ука­занные действия и докладывает: «На створе. На румбе столько-то градусов» или «На румбе столько-то градусов» и т. д.

Использование авторулевого

В последние годы для автоматизации управления ко­раблем на заданном курсе основным средством управления рулем являются автоматические стабили-заторы курса (авторулевые). Автоматическое управление курсом по сравнению с ручным облегчает ра­боту вахтенного рулевого и обеспечивает более точное удержание корабля на курсе, уменьшает рыскание и обес­печивает выполнение заданных поворотов. Применение ав­торулевого предусматривает возможность использования программного устройства или системы дистанционного управления. В зависимости от задач, выполняемых авто­рулевым, возможны два режима его работы.

1. Режим стабилизации. В этом режиме авторулевой должен обеспечить движение корабля на прямом курсе с наименьшими углами рыскания.

2. Режим управления. В этом режиме авторулевой дол­жен обеспечить изменение направления движения корабля в соответствии с требованиями эксплуатации. При этом изменение угла курса может быть выполнено с использо­ванием программного регулирования (по заранее задан­ному закону) или с помощью системы дистанционного управления. Система автоматического управления курсом обычно состоит из объекта регулирования и автору­левого (регулятора). Объектом регулирования является корабль, угол курса которого о представляет регулируе­мую величину, а угол отклонения руля ар — управляющее воздействие. Функции авторулевого выполняет специаль­ная следящая система, обеспечивающая отклонение руля.

Принципиальная схема авторулевого включает в себя следующие элементы (рис. 1.13):

1. Датчик фактического курса Кгк обеспечивает из­мерение знака и величины рассогласования (отклонение курса корабля от заданной величины), а также выдачу управляющего сигнала. Функции чувствительного элемента обычно выполняет гирокомпас.

2. Программное устройство — датчик заданного кур­са — обеспечивает программное управление курсом, кото­рый может быть задан вручную, жесткой программой (зигзаг) или корабельной ЭЦВМ.

3. Датчик рассогласования служит для выработки сиг­налов управления при отклонении корабля от заданного курса.

4. Усилительно-преобразующее устройство обеспечивает усиление сигнала управления и выработку корректирующих сигналов, учитывающих скорость ухода корабля с за­данного курса и систематическое одностороннее уклонение корабля с заданного курса под действием различных фак­торов (ветер, волнение, парциальная работа машин и т. д.).


Рис. 1.13. Принципиальная схема авторулевого

Обычно в усилительно-преобразующем устройстве преду­смотрена регулировка параметров авторулевого (чувстви­тельности, коэффициента обратной связи и т. д.) по ма­невренным элементам корабля и фактическим условиям плавания.

5. Исполнительное устройство (рулевой привод) имеет датчик основной отрицательной обратной связи, предназ­наченный для улучшения качества автоматического управления рулем (обеспечивает затухание колебаний ко­рабля около заданного курса — Кзад).

Подготовка авторулевого к действию и включение его производятся в соответствии с эксплуатационными ин­струкциями.

Обслуживание авторулевого на ходу заключается в пе­реключении при необходимости режимов его работы, а также подрегулировании параметров при изменении усло­вий плавания.

(1) К главным средствам управления могут быть отнесены также крыльчатые движители (КД), принцип действия которых рассма­тривается в § 1.9.

(2) Полуподвесные балансирные рули называются полубалансирными.

(3) По принципу действия и характеру использования вспомога­тельные средства управления относятся к средствам активного управления (САУ).

(4) Положение центра давления определяется местом пересечения равнодействующей с плоскостью симметрии руля.

(5) КУ-59 (Воениздат, 1967), ст. 830. 2—17

Вперед
Оглавление
Назад