Важным условием правильного использования мощности и получения
наиболее высоких скоростей моторного судна является его управляемость.
Управляемость заключает два понятия: устойчивость на курсе и
поворотливость.
Под устойчивостью на курсе понимают способность мотосудна сохранять
направление своего движения, а способность изменять направление и
двигаться по криволинейной траектории называют поворотливостью. Как
видно из определения, устойчивость на курсе и поворотливость отвечают
прямо противоположным требованиям. В самом деле, чем лучше устойчивость
на курсе, тем труднее изменить направление движения.
Рис. 15. Схема обтекания руля.
Рис. 16. Давление воды на перо руля.
При положении руля в ДП судна перо руля симметрично обтекается
струями воды. Если руль переложить на угол а (рис. 15), то струи воды на
некотором удалении от точки А разделяются, а в точке В вновь сходятся.
Струи, обтекающие в рассматриваемом случае руль с правовго борта, должны
пройти большее расстояние, чем струи, обтекающие руль с левого борта.
Известно, что возрастание скорости потока жидкости всегда сопровождается
понижением давления. Вследствие появившейся разности давлений возникает
сила Ра (рис. 16). Эту силу можно разложить на две составляющие: _
перпендикулярную ДП силу Рх, называемую разворачивающей, и лежащую
параллельно ДП силу Ру, называемую лобовым сопротивлением руля.
До некоторого значения угла перекладки а преимущественно возрастает
составляющая Рх, а затем начинает резко увеличиваться лобовое
сопротивление руля Ру. Найдено, что таким критическим значением угла
перекладки руля является угол 35°, и большие углы невыгодны.
При отклонении пера руля ЦТ судна начинает описывать некоторую кривую
линию, называемую циркуляцией. Так как руль находится в корме судна, то
приложенная к рулю разворачивающая сила Рх вызывает сначала уклонение
кормы в сторону поворота, т. е. судно в начале поворота движется как бы
бортом, дрейфует, а ЦТ судна движется в сторону, противоположную
повороту.
Рис. 17. График для определения коэффициента К
при расчете площади руля.
В последующие моменты поворота силы приходят в равновесие, и кривая
циркуляции приближается к дуге окружности. Поворотливость измеряется
радиусом (диаметром) этой дуги, называемым радиусом (диаметром)
циркуляции.
Для водоизмещающих малотоннажных судов радиус циркуляции равен 1,5-2
длинам корпуса, а для глиссирующих может быть значительно больше. Для
глиссирующих судов, движущихся с большими скоростями, продолжительность
начального периода циркуляции пренебрежимо мала и не имеет значения при
определении радиуса циркуляции. При правильно спроектированных обводах
глиссер на циркуляции скользит под действием центробежных сил - дрейфует
лагом на внешнюю сторону циркуляции с креном внутрь поворота. Это
подскальзывание- дрейф - увеличивает радиус циркуляции глиссирующих
судов.
При увеличенном радиусе циркуляции рекомендуется устанавливать в нос от
ЦТ судна небольшой стабилизатор (<перо>). В начальный момент поворота,
при отклонении ДП от направления движения набегающие струи воды будут
воздействовать на этот стабилизатор и помогут быстрее развернуть
мотосудно. Для этой же цели усиленный киль или дейдвуд рекомендуется
срезать в корме, чтобы тем самым как бы сдвинуть площадь подводной части
ДП к носу.
В общем случае поворотливость улучшается с возрастанием скорости и
площади пера руля, однако следует иметь в виду, особенно для
глиссирующих судов, что с увеличением скорости возрастает центробежная
сила, вызывающая боковой дрейф и увеличивающая радиус циркуляции.
Рис. 18. Типы рулей в зависимости от
расположения пера относительно оси вращения руля: а - обыкновенный; б -
балансирный; в - полубалансирный.
Коэффициент К, рекомендуется определять по графику на рис. 17,
заимствованному из книги В. А. Пономарева <Проектирование и постройка
деревянных катеров>, М., Речиздат, 1946. График учитывает размещение
руля: полностью погруженный под днищем руль примерно в два раза
эффективнее руля за кормой, работающего вблизи свободной поверхности
воды; следовательно, в первом случае требуется меньшая площадь руля.
По расположению пера руля относительно оси вращения рули подразделяются
на обыкновенные, у которых все перо руля помещено позади оси вращения (
рис. 18, а)\ балансирные, у которых часть пера находится впереди оси
вращения и называется балансиром, или компенсатором (рис. 18, б);
и полубалансирные, у которых также имеется компенсатор, но меньших по
высоте размеров (рис. 18, в).
Вследствие наличия компенсаторов полубалансирные и балансирные рули
требуют меньшего усилия для перекладывания при равном с обыкновенными
рулями давлении на перо руля. Площадь компенсаторов полубалансирных и
балансирных рулей составляет от 0,10 до 0,30 полной площади пера руля,
определяемой по графику рис. 17.
По форме сечения пера рули подразделяют на пластинчатые и обтекаемые.
Первые проще в изготовлении, однако вторые улучшают управляемость и
ходовые качества. При удачном расположении за гребным винтом рули
обтекаемой формы, улучшая работу винта, могут увеличить скорость на
5-10%, однако на больших скоростях (более 100 км/ч) начинают
кавитировать и работают плохо.
Повышенное давление с одной стороны руля, отклоненного от ДП, й
пониженное с другой стороны приводят к перетеканию воды через
горизонтальные кромки руля, что снижает его эффективность. Кроме того,
при установке руля за кормой в зону пониженного давления может
засасываться атмосферный воздух. Это явление, называемое аэрацией, резко
уменьшает разворачивающую силу Рх. Для предотвращения этих явлений
рекомендуется по нижней кромке рулей устанавливать концевую шайбу (см.
рис. 201) шириной, равной двум-трем толщинам профиля пера руля, зазор
между днищем и погруженным рулем делают минимальным (см. рис. 18, а), а
на пере навешенного за транцем руля в плоскости днища устанавливают с
обеих сторон пластины (подобно антикавитационной плите подвесных
моторов).
Площадь пера руля глиссирующего судна можно ориентировочно принимать
равной
S =(0,18-5- 0,20) LT,
где Т - осадка в состоянии покоя.
Выбирая размеры руля, следует помнить, что при равных площадях
эффективнее работают рули узкие с большой высотой.
Для уменьшения изгибающего момента, действующего на баллер руля, верхнюю
кромку пера лучше делать длиннее, чем нижнюю (рис. 18, б). В этом случае
точка приложения силы Ра переместится вверх, ближе к месту крепления
баллера, и изгибающий момент уменьшится.
Кроме названных выше основных факторов, на работу руля влияет
расположение его относительно винта. Руль рекомендуется помещать (по
возможности) за гребным винтом на расстоянии от него 0,15-0,20 диаметра
винта так, чтобы площади пера руля выше и ниже оси винта были равны (см.
рис. 18, а).
Управляемость судна зависит также от ряда конструктивных и
эксплуатационных факторов, влияние которых сказывается по-разному на
различных режимах движения. К эксплуатационным факторам относятся крен,
дифферент, ветер, волнение, мелководье и пр. (в книге не
рассматриваются). Для проектировщика интерес представляют конструктивные
элементы: соотношение главных размере-ний, обводы подводной части
корпуса и направление вращения винтов.
Наибольшее влияние на управляемость при движении в режиме плавания
оказывает соотношение длины L и ширины В мотосудна чем больше значение
LIB, тем мотосудно устойчивее на курсе и, следовательно, тем хуже его
поворотливость.
Лучшей устойчивостью на курсе среди О-образных корпусов обладают суда с
килеватым днищем и ясно выраженным дейдвудом. Среди полуглиссирующих
судов худшей устойчивостью на курсе отличаются суда с плоским и
слабокилеватым днищами. В случае большой рыскливости устойчивость на
курсе можно улучшить, установив в кормовой части днища один или два
продольных плавника (см., например, рис. 75), назначение которых
противоположно назначению стабилизаторов (перьев) в носовой части. Роль
кормовых плавников могут выполнять и кронштейны гребных валов, стойки
для навески рулей (если они имеются) и стойки кормовых крыльев судов на
подводных крыльях. Однако при относительно большой длине эти детали,
улучшая устойчивость на курсе, могут значительно ухудшить
поворотливость, о чем следует помнить при выборе их размеров, это
особенно относится к быстроходным глиссирующим мотосудам.
При эксплуатации необходимо учитывать влияние направления вращения
гребного винта на управляемость. Если на судне винт правого вращения, то
на переднем ходу лучше выполняется правый поворот (с меньшим диаметром
циркуляции), а на заднем ходу - левый поворот; при переходе с переднего
хода на задний в первый момент корма резко отклоняется влево (при прямом
положении руля); при включении переднего хода у стоящего судна корму
забрасывает вправо (при прямом положении руля). Когда гребной винт
левого вращения, наблюдается обратная картина.
