судно с винтом правого вращения
Управление маневрами катера
Большое значение имеет направление вращения гребного винта. Если смотреть в корму судна, идущего передним ходом, то винт «правого вращения» вращается по часовой стрелке, а «левого»— против. В любом случае лопасти работающего гребного винта отбрасывают назад большие массы воды, что дает дополнительную скорость потоку, обтекающему перо руля. Поэтому-то даже при равной скорости хода моторное судно всегда лучше слушается руля, чем парусное или буксируемое.
Необходимо учитывать и другой эффект от работы винта—поперечную реакцию потока, отбрасывающую корму катера в сторону в зависимости от направления вращения винта. Корма одновинтового судна с винтом левого вращения на переднем ходу, даже если руль поставлен прямо, всегда немного уклоняется вправо, а нос влево. Происходит это потому, что часть закручиваемого против часовой стрелки («влево») потока попадает на нижнюю часть левой плоскости стоящего в ДП руля; это и создает усилие, заносящее корму вправо.
На заднем же ходу, поток отбрасываемый винтом, заставляет корму отклоняться влево, а нос идет вправо; это является следствием того, что поток более интенсивно действует на левый борт корпуса судна.
При винте правого вращения отклонение кормы будет происходить в обратных направлениях—на переднем ходу влево, на заднем — вправо.
Следует помнить, что на заднем ходу моторные суда, как правило, руля не слушаются и разворачиваются в основном под воздействием винта, как описано выше. Чем больше диаметр винта и меньше его число оборотов, тем сильнее сказывается это влияние.
Необходимо учитывать также и влияние крена и дифферента. При крене борт, уходящий в воду, встречает большее сопротивление воды, поэтому катер (без вмешательства рулевого) стремится повернуть в сторону накрененного борта.
Дифферент на нос (посадка «свиньей») не только увеличивает сопротивление воды и уменьшает скорость, но и делает судно неустойчивым на курсе. Наилучшая управляемость обычно бывает при небольшом дифференте катера на корму (порядка 5—8 см); чрезмерный дифферент на корму так же нежелателен, как и на нос.
Влияние гребного винта на поворотливость судна
Большое значение на поворотливость судна имеет направление вращения гребного винта. Если смотреть в корму судна, идущего передним ходом, то винт «правого вращения» вращается по часовой стрелке, а «левого» — против. В любом случае лопасти работающего гребного винта отбрасывают назад большие массы воды, что дает дополнительную скорость потоку, обтекающему перо руля.
При работе гребного винта на передний ход действуют три силы: сила набрасываемой струи С, сила реакции R и сила попутного потока В (рис. 12, а).
На переднем ходу при положении руля прямо, при вращении гребного винта по часовой стрелке, лопасть 1 отбрасывает воду с силой С1. Эта сила направлена вниз и в сторону от судна и на отклонение кормы действия не оказывает. Лопасть 2 отбрасывает воду справа налево, на нижнюю часть пера руля с силой C2, которая стремится отклонить корму влево. Лопасть 3 отбрасывает воду вверх и в сторону от судна с силой C3 и на отклонение кормы влияния не оказывает. Лопасть 4 отбрасывает воду с силой C4 вправо, на верхнюю часть пера руля. Эта сила стремится отклонить корму вправо. Вследствие того, что давление в нижней части руля больше, чем в верхней, сила C2 больше силы C4 и корма пойдет влево, а нос — вправо.
При движении судна за его кормой образуется разреженное пространство, в которое устремляется находящаяся сзади судна вода, образуя попутное течение.
Сила попутного потока В имеет вообще незначительную величину, но совместно с силой набрасывания струи будет больше силы реакции, т. е. C + B > R. Вследствие того, что сумма сил набрасываемой струи и попутного потока больше, чем сила реакции воды, корма судна пойдет влево.
На заднем ходу гребной винт правого вращения вращается против хода часовой стрелки и отбрасывает воду под корму судна.
В этом случае, вращающиеся струи воды набрасываются лопастями, проходящими положения 2 и 4, на кормовые обводы и действуют на левый обвод с силой C2, а на правый обвод — с силой C4.
Так как струя, набрасываемая лопастью сверху вниз на левый обвод, скользит вдоль корпуса (положение лопасти 2), то сила C4 оказывается больше силы C2, в результате чего корма судна уклоняется влево. В ту же сторону будут отклонять корму и силы реакции воды R, так как винт правого вращения в данном случае вращается против часовой стрелки. Поэтому для удержания на курсе судна, идущего задним ходом, надо переложить руль на некоторый угол вправо. Как только руль отклонится от диаметральной плоскости, на него начнут действовать две силы: сила встречного давления воды и сила всасываемой струи. Всасываемая струя возникает при работе на задний ход, как течение воды, направленное навстречу судну, идущему задним ходом. Из-за того, что сила всасываемой струи невелика, действие руля на заднем ходу будет хуже, чем на переднем ходу. Если руль переложен вправо, то силы А и В будут отклонять корму судна вправо, т. е. будут противодействовать силам С и R, и судно будет идти прямо. Если руль переложен влево, то силы А и В, действуя в одном направлении с силами С и R, будут отклонять корму судна влево.
Останавливая судно, идущее передним ходом, командуют мотористу «Стоп!», а затем «Назад». При остановке винта судно идет по инерции вперед, при этом исчезают силы С и R, а сила попутного потока В уменьшается. С первыми оборотами винта на задний ход резко возрастают силы противодействия воды и начинает расти сила набрасываемой струи С. Все три силы С, R и В при работе винта правого вращения действуют в одном направлении и резко отклоняют корму судна справа налево. Для удержания судна на курсе надо переложить руль на некоторый угол влево. Переложенный руль окажет противодействие силам С, R и В и отклонит нос судна влево. По мере гашения инерции переднего хода руль надо постепенно отводить и, к моменту остановки судна, переложить его на другой борт, чтобы удержать корму от забрасывания влево.
Маневренные характеристики судна при различных режимах работы гребного винта с правым вращением сгруппированы в таблице 1. Влияние винта левого вращения на поворотливость судна будет обратным влиянию винта правого вращения.
Двухвинтовые суда
Двухвинтовые суда имеют лучшие маневренные качества, чем одновинтовые. Достаточно отметить, что их можно развернуть на месте, работая машинами в разные стороны «враздрай».
Такая возможность очень важна для пассажирских лайнеров, заходящих в стесненные порты, ледоколов, буксиров, плавкранов и т. д.
Лучшая маневренность достигается тем, что каждый из винтов отнесен на некоторое расстояние от диаметральной плоскости, благодаря чему появляется разворачивающий момент, обеспечивающий поворот судна, даже без руля, в ту или иную сторону.
Двухвинтовые суда обладают тем большей поворотливостью, чем меньше их длина и чем шире разнесены их винты.
При работе обоих винтов на передний или задний ходы судно хорошо слушается руля. В отличие от одновинтового судна, двухвинтовое при работающих обоих винтах разного шага на задний или передний ход при положении руля «прямо» будет двигаться по прямому направлению, не уклоняясь в стороны.
Работа гребных винтов двухвинтового судна
К недостаткам двухвинтовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в диаметральной плоскости руля. Поэтому на малых скоростях, когда основная часть силы, возникающей на руле при его перекладке, создается за счет струи воды, набрасываемой винтом на руль, главным способом управления является маневр машинами.
Рис. 1.23. Поведение двухвинтового судна при различных режимах работы винтов
Анализ маневрирования двухвинтовыми судами позволяет сделать следующие выводы (рис. 1.23):
двухвинтовое судно с помощью машин можно развернуть на месте, что очень важно в стесненной акватории. Это положение справедливо для судов, имеющих достаточно мощные двигатели и значительный разнос винтов от диаметральной плоскости судна;
тормозной путь и время торможения двухвинтового судна будут меньше, а при работе машин на задний ход (при винтах разного шага) судно не уклоняется с курса, что очень важно при следовании в узкостях и каналах;
малая осадка, малый разнос винтов, слабые двигатели и большие их обороты снижают маневренные качества двухвинтовых судов.
Судно с одним винтом правого шага и обычным рулем. Часть 1
Суда с винтом фиксированного шага
Основное назначение гребных винтов — это создание силы тяги для поступательного движения судна с определенной скоростью.
Для этого необходимо создать движущую силу, преодолевающую сопротивление движению.
Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.
Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой:
где R — сила сопротивления; V — скорость движения.
Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус — движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.
Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход). Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70 — 80 % от тяги винта в режиме полного хода.
На судах морского флота преимущественно установлены четырехлопастные винты (рис. 1.21). В зависимости от направления вращения они разделяются на винты правого и левого вращения (шага). Винт правого вращения у судна, идущего передним ходом, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения — против часовой стрелки.
Рис. 1.21. Четырехлопастной гребной винт
Одновинтовые суда чаще всего имеют винты правого вращения; двухвинтовые с левого борта — винт левого вращения, с правого — правого вращения.
Работа гребного винта
При вращении гребной винт образует за кормой струю воды, закрученную в сторону его вращения. Совершенно очевидно, что этот спиральный вихревой поток воды действует на перо руля и корпус, оказывая влияние на управляемость судна.
Рассмотрим качественную сторону этого влияния при совместной работе винта и руля при различных ходах и положениях пера руля (рис. 1.22).
Гребной винт левого шага
Судно неподвижно относительно воды. Перо руля находится в диаметральной плоскости. Как только машине будет дан ход вперед и винт начнет вращаться, нос судна вначале будет незначительно уклоняться влево.
Объяснить это можно тем, что при малых оборотах винт своими развернутыми лопастями как бы загребает воду и забрасывает корму вправо, а нос идет влево.
По мере увеличения оборотов винта нос судна установится на первоначальный курс и затем уклонится вправо.
Происходит это потому, что при работе винт набрасывает воду на перо руля, причем струя воды, набрасываемая винтом на нижнюю часть руля, создает гидродинамическое давление, которое уклоняет корму влево, а нос — вправо.
Следовательно, при работе винта правого шага вперед, при положении «прямо руль», нос судна в конечном итоге уклоняется в сторону вращения винта.
Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Винт одновинтового судна, начавший вращаться на задний ход, своими развернутыми лопастями как бы загребает воду с левой стороны, обтекает правый борт и, оказывая на него давление, заставляет корму разворачиваться влево, а нос — вправо.
Судно имеет ход назад, винт работает назад. До тех пор, пока судно не приобретет достаточную скорость заднего хода, положение пера руля на поворотливость судна влияния не оказывает. Как отмечалось ранее, на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта, направленная в правую часть обводов корпуса, вследствие чего нос судна идет вправо. Как только судно разовьет определенную скорость заднего хода и перо руля будет находиться в массе встречного потока воды, образованного движением судна, положение пера может заставить судно пойти кормой в сторону переложенного руля. В этом случае на руль будут действовать две силы: сила встречной воды, возникающая от движения судна назад, и сила всасываемой струи, порождаемая засасывающим действием винта при его работе на задний ход.
Одновинтовые суда слушаются руля на заднем ходу лучше, когда винт не работает и судно движется назад с наибольшей скоростью. Однако рассчитывать на непогрешимость работы руля одновинтового судна на заднем ходу (особенно для поворота носа судна влево) можно только в штилевую погоду при достаточной осадке.
Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При положении «прямо руль» нос судна может уклоняться или вправо, или влево (обычно вправо). При положении «право на борт» нос судна уклоняется вправо. При положении «лево на борт» нос судна уклоняется влево. Струя воды от гребного винта создает гидродинамическое давление на перо руля значительно большей силы, чем от встречного потока при движении судна назад.
Рис. 1.22. Поведение одновинтового судна при работе гребного винта правого вращения
Из всего сказанного можно сделать следующий вывод, что судно, двигающееся передним или задним ходом, круче и быстрее разворачивается в сторону шага винта.
Таблица поведения одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения
Поведение одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения в штилевую погоду приведены в табл. 1.1.
Б. Карлов, В. Певзнер, П. Слепенков УЧЕБНИК СУДОВОДИТЕЛЯ ЛЮБИТЕЛЯ(Управление маломерными судами)
§ 46. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ
1. Влияние гребного винта
Управление судном во многом зависит не только от руля, но и от конструкции винта, скорости его вращения и обводов кормовой части судна.
Гребные винты изготовляются из чугуна, стали и бронзы. Наилучшими винтами для катеров следует считать винты из бронзы, так как они легки, хорошо шлифуются и стойки против коррозии в воде. Винты характеризуются диаметром, шагом и коэффициентом полезного действия.
Диаметром винта называют диаметр окружности, описываемой крайними точками лопастей.
Шагом винта называют расстояние вдоль оси винта, на которое перемещается за один полный оборот любая точка винта.
Коэффициент полезного действия (к. п. д) винта определяется отношением мощности, развиваемой гребным винтом, к мощности, затрачиваемой на его вращение.
В основе работы гребного винта лежит гидродинамическая сила, создаваемая разрежением на одной и давлением на другой поверхности лопасти.
Современные судовые движители еще очень несовершенны. Так, гребные винты в среднем около половины мощности, отдаваемой им двигателем, тратят бесполезно, например, на винто образное закручивание частиц воды в струе.
На катерах применяются двух-, трех- и реже четырехлопастные винты. На промысловых катерах иногда ставятся винты с поворотными лопастями или так называемые винты с регулируемым шагом, которые позволяют плавно изменять скорость или направление хода судна при постоянном одностороннем вращении гребного вала. При этом отпадает необходимость в реверсировании двигателя.
Винты различаются по направлению их вращения. Винт, вращающийся по часовой стрелке (если смотреть на него с кормы в нос), называется винтом правого вращения, против часовой стрелки — левого вращения. При движении вперед под кормовым подзором корпуса суд-па впереди и позади руля образуется попутный (рис. 103) поток воды и возникают силы, которые действуют па руль и влияют на поворотливость судна. Скорость попутного потока тем больше, чем полнее и тупее обводы кормы.
Разрежение на выпуклой стороне лопасти, называемой стороной засасывания, подсасывает воду к винту, а давление на плоской стороне, называемой нагнетающей, отбрасывает воду от винта. Скорость отбрасываемой струи примерно вдвое больше подсасываемой. Реакция отбрасываемой воды воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее судну. Эта сила, приводящая судно в движение, называется упором.
В потоке воды, отбрасываемой винтом, частицы движутся не прямолинейно, а винтообразно. Попутный поток как бы тянется за судном и величина его зависит от формы кормовой части судка. Поток несколько изменяет давление на руль, отведенный из диаметральной плоскости судна.
Совокупное действие всех потоков оказывает заметное влияние на управляемость судна; оно зависит от положения руля, величины и изменения скорости хода, формы корпуса, конструкции и режима работы винта. Поэтому каждое судно имеет свои индивидуальные особенности действия винта на руль, которые судоводитель должен внимательно изучать на практике (таблица 4).
ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИНТА ПРАВОГО ВРАЩЕНИЯ РУЛЯ НА ПОВЕДЕНИЕ СУДНА
Положение судна относительно воды
Винт левого вращения при равных прочих условиях даст противоположные приведенным в таблице результаты.
Если на судне установлен винт правого вращения, то судно будет лучше поворачиваться вправо, диаметр циркуляции вправо будет меньше, чем влево. На заднем ходу поворотливость судна обычно хуже. Судно с винтом правого вращения на заднем ходу лучше поворачивается кормой влево, чем вправо. Поэтому на переднем ходу на судне с винтом правого шага к причалу стремятся подойти левым бортом, так как при этом с переменой хода на задний корма будет поджиматься к стенке.
На некоторых моторных яхтах и катерах устанавливаются по два мотора, имеющих каждый свои вал и винт. В этом случае винты обычно вращаются в разные стороны. Они могут быть установлены или с вращением наружу, т. е. в верхней ч. ста лопасти идут от середины к борту, или с вращением внутрь, когда лопасти в верхней части идут от борта к середине. То или другое направление вращения винтов, а также наклон осей винтов и валов к горизонтальной и диаметральной плоскостям имеют большое значение в отношении поворотливости.
2. Влияние ветра
Каждое судно подвержено действию ветра в разной степени. В зависимости от направления и силы ветра меняется управление судном и его маневренные качества. Часто не только малое, по и большое судно не может противостоять ветру ни рулем, ни работой винта, оно не может удержаться на якоре, подойти к причалу или отойти от него. С изменением силы и направления ветра меняется путь и скорость судна. Действие ветра на судно зависит от его силы и направления, от общей площади подводной части, от парусности судна, его осадки и водоизмещения.
Рис. 104. Увальчивость и рыскливость судна: а — увальчивость; б — рыскливость
Борт судна, обращенный к ветру, называют наветренным, а противолежащий ему — подветренным. Ветер, дующий в корму, называется попутным ветром, а ветер, дующий в нос,— встречным, противным или лобовым ветром. При швартовых операциях ветер, дующий в сторону причала, называют навальным, или прижимным, а ветер противоположного направления (от стенки причала) называют отвальным, или отжимным.
Ветер при постоянном направлении в долине реки будет менять направление относительно судна, следующего по изгибам этой реки. При движении судна около устьев рек и речек, мимо оврагов и балок, особенно мимо высоких берегов, может подуть сильный, меняющийся по направлению шквальный ветер. Ветер, отраженный от высоких причальных стенок, от высокого берега, может резко менять свое направление, завихряться, изменяться по силе, а иногда совсем прекращаться. Это часто ощущается при входе в камеру шлюза из нижнего бьефа.
Шквал, т. е. внезапное появление сильного ветра или резкое изменение его направления или силы, опасен для мелких судов. Особенно опасен шквал с частыми изменениями направления и скорости ветра по сравнению с ранее действующим ветром. Сильнее всего шквал действует вначале и особенно после штиля.
Брызги, переносимые ветром, мешают управлению маломерным судном. Они попадают на карты, приборы, заливают ветровое стекло. Ветер осложняет подход судна к причалу, шлюзование и другие операции.
Площадь парусности судна определяется общей площадью надводного борта корпуса, надстроек и устройств, оказывающих сопротивление ветру. Точка приложения равнодействующей всех сил действия ветра называется центром парусности. Боковой ветер сбивает судно с направления, заданного ему курсом, т. е. создает дрейф судна. Дрейф уменьшается с увеличением скорости хода судна; он тем меньше, чем больше осадка судна.
От взаимного расположения центра тяжести и центра парусности зависят свойства судна, которые называют увальчивостью или рыскливостью. Увальчивостью или стремлением уклониться от ветра обладает судно, у которого центр парусности находится к носу от центра тяжести. Рыскливостью или стремлением идти к ветру обладают суда, у которых центр парусности расположен к корме от центра тяжести (рис. 104). Следовательно, эти свойства судна можно регулировать перемещением грузов или пассажиров на судне в нос или в корму. Для держания судна на курсе при увальчивости приходится перекладывать руль на ветер, а при рыскливости — под ветер. В обоих случаях руль находится не в диаметральной плоскости судна и создает дополнительное сопротивление, что уменьшает скорость хода. Однако рыскливое судно ведет себя лучше увальчивого в штормовых условиях, когда положение судна носом к волне безопаснее, чем по волне или бортом к ней.
3. Влияние крена и дифферента
Креном называется поперечное наклонение судна на один из бортов. Дифферентом называется продольное наклонение судна на нос или на корму.
Крен и дифферент могут образовываться в результате перемещения людей, грузов, при качке, поворотах. Углы крепа могут дойти до опасно критических, особенно при наличии в катере воды и ее переливании. Перемещение воды в сторону малейшего наклонения маломерного судна способствует образованию еще большего крена и дифферента и может повлечь за собой опрокидывание судна.
Для того чтобы предотвратить перевертывание катера от переливания попавшей в него воды, ее нужно отливать.
При крене давление со стороны накрененного борта больше и судно стремится уклониться в сторону повышенного борта. Поэтому для удержания судна на курсе приходится перекладывать руль в сторону накрененного борта, что увеличивает силу сопротивления и соответственно уменьшает скорость хода.
При крутых поворотах на большой скорости крен особенно велик. Осадка от крена увеличивается.
При дифференте на нос устойчивость судна на курсе ухудшается, увеличивается рыскливость, уменьшается скорость. При большом дифференте на корму судно становится увальчивым, плохо держится на курсе и очень реагирует на ветер и волну Нормальным считается незначительный дифферент на корму, при котором обычно улучшается поворотливость и ходкость судна.
4. Влияние волнения
Волнение затрудняет плавание, вызывает качку, сильная волна осложняет работу гребного винта, который вместе с кормой может периодически оголяться. Это понижает упор винта, уменьшает скорость движения судна, снижает действие винта на перо руля. В момент оголения носа и особенно винта судно сразу же становится сильно подверженным действию ветра, сбивается с курса; для судов с подвесными моторами это имеет место даже при небольшом волнении. Сильные удары волн могут повредить корпус, механизмы, смыть людей за борт и причинить другие неприятности. Выход винта из воды вредно отражается на двигателе, а также на корпусе судна. Удары волн мешают своевременно и быстро перекладывать руль. На волне труднее выбрать и удержать заданный курс.
При встречных волнах, если они не останавливают судно, управлять им несколько легче, чем при попутных и бортовых При встречных волнах судно лучше держится на курсе.
На мелководье волнение не только мешает управлять судном, но может вызвать повреждение днища корпуса от удара о дно или поломку руля и винта.
5. Влияние течения
Течение оказывает большое влияние на управление и маневренные элементы судна относительно грунта (берегов)
При ходе против течения судно хорошо слушается руля, уменьшается инерция судна и его легче остановить. Сложнее управлять рулем на поворотах судна при попутном течении, при котором судно хуже слушается руля. Следовательно, при движении вниз по течению труднее выполнять различные маневры. С увеличением скорости течения увеличивается расстояние, необходимое для поворота судна, идущего вниз, так как удлиняется и искажается кривая циркуляции, если ее рисовать относительно берега.
Лучшие условия управления судном и, в частности, его остановкой при движении против течения используются судоводителями при подходе к причалу и швартовке, т. е. судно, идущее по течению, подходит к причалу или берегу после разворота ниже причала на обратный курс.
Особенно неприятны свальные течения, проходящие под углом к основному потоку, так как они вызывают резкое смещение судна с избранного курса (снос с курса). Подобно свальному течению действует поток (течение) в относительно спокойной реке, водохранилище, озере, в море, например в местах впадения притоков, речек, при сгонно-нагонных явлениях. Наибольший снос испытывает судно при следовании бортом к течению. Направление и скорость течения могут непрерывно меняться от действия приливов, отливов, ветра, особенно в устьях и на берегах рек, а также за различными мысами и островами.
Чтобы предупредить снос судна течением с курса, можно переложить руль и уклониться по направлению на это течение. Тогда судно пойдет по направлению равнодействующей скорости течения и своего хода. Угол поправки на течение определяют глазомерно по наблюдению за береговыми и плавучими знаками.
6. Влияние узкостей
На широком водном пространстве вытесняемая судном вода расходится при его движении во все стороны. Влияние ширины фарватера при управлении судном определяется изменением характера потока, условиями волнообразования, возникновением дополнительного сопротивления. Поэтому в узкостях может быть много причин, сбивающих судно с курса и затрудняющих управление им.
7. Влияние глубин и осадка движущегося судна
При переходе судна из глубоководного фарватера на мелководье возрастает волнообразование, увеличивается сопротивление и уменьшается скорость хода. На мелководье при достаточно большой скорости хода судно получит дифферент на корму, а около середины судна заметно понизится уровень воды— образуется большая впадина, где уменьшится сила поддержания. Поэтому судно может увеличить осадку по сравнению с осадкой на глубокой воде. Чем больше осадка судна, тем меньше зазор между корпусом и дном, а следовательно, относительно больше скорость потока воды под корпусом. Поэтому судно во время движения на мелководье будет подсасываться ко дну (как правило, кормой). Это явление особенно характерно для судов с плоскими днищами. Дополнительная осадка судна растет с увеличением скорости хода и может быть причиной повреждения корпуса или винтов при проходе через участок с малыми глубинами. Увеличение осадки во время движения по мелководью у некоторых типов судов доходит до 0,5 м.
В случае неожиданного подхода к мелкому месту носовая часть судна может резко «оттолкнуться» от него из-за внезапно возросшего сопротивления воды, а также потому, что перед носовой частью вода будет вытесняться на мелкое место, сталкивая судно на большую глубину.
Если судно идет по мелководью с переменной глубиной, то правильное направление движения судна приходится удерживать частым вращением штурвального колеса. Чем уже и мельче фарватер и чем быстрее движется судно, тем быстрее и беспорядочнее кормовые волны будут догонять судно, действуя на его корму неравномерно, то с одной, то с другой стороны. При этом все время меняется давление воды на перо руля. Описанные явления вызывают рыскливость судна, особенно при подходе о: глубокого места к мелкому. Это опаснее всего при расхождении со встречными судами, так как может вызвать постановку судна на мель, повреждение корпуса, столкновение судов.
Следовательно, на мелководном фарватере следует уменьшать ход, чтобы уменьшить дополнительную осадку и рыскливость судна и тем самым обеспечить большую безопасность движения и улучшить управляемость.
| Оглавление | Продолжение |
Гребной винт-мультипитч
Задачу согласования элементов гребного винта с сопротивлением мотолодки при изменении ее нагрузки помогает решить винт изменяемого шага типа «мультипитч».
На рисунке представлена схема устройства такого винта, выпускаемого Черноморским судостроительным заводом. Ступица винта изготовлена из нержавеющей стали и коррозионно-стойкого алюминиевого сплава; лопасти изготавливают литьем под давлением из полиамидных смол. Все три лопасти взаимозаменяемы и имеют на комле жестко закрепленные пальцы 2, которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 и входят в пазы поводка 4. При повороте лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения или уменьшения шага винта. На поводке нанесена шкала, причем среднее деление ее соответствует конструктивному шагу, равному 240 мм. Пределы изменения шага составляют 200-320 мм, дисковое отношение винта — 0.48.
Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет внутренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора «Вихрь». От осевого перемещения по втулке винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8.
Винт имеет диаметр 240 мм и массу не более 0.71 кг (винт новой конструкции — целиком из полиамидных смол — весит 0.45 кг). Для изменения шага достаточно 3-5 мин, причем снимать винт с мотора не требуется, так же как и специально подходить к берегу. Конструкция защищена авторским свидетельством №454146.
Совмещая в себе как бы несколько сменных гребных винтов разного шага, мультипитч не лишен недостатков. Например, КПД винта при всех значениях шага, кроме конструктивного, оказывается меньше КПД винтов фиксированного шага, рассчитанных специально на эти промежуточные режимы. Это объясняется тем, что для изменения геометрического шага винта (уменьшения или увеличения его) в мультипитче, как и в винте регулируемого шага, вся лопасть поворачивается на какой-то угол. Так как этот угол постоянен для всей лопасти, значение геометрического шага на различных радиусах лопасти изменяется не на одинаковую величину и распределение шага по радиусу лопасти искажается. Например, при повороте лопасти в сторону уменьшения шага на постоянный угол шаг сечений у конца лопасти уменьшается в значительно большей степени, чем у комля. При достаточно большом повороте лопасти концевые сечения даже могут получить отрицательный угол атаки — создавать упор заднего хода при неизменном направлении вращения гребного вала. Кроме того, при развороте лопасти профиль поперечного сечения ее уже не ложится на спрямленную винтовую линию, а приобретает S-образную форму, что также приводит к искажению кромочного шага.
Тем не менее, возможность плавного изменения шага в зависимости от нагрузки лодки позволяет получить наиболее оптимальный и экономичный режим работы подвесного мотора. При установке шага важно иметь возможность проконтролировать частоту вращения коленчатого вала двигателя во избежание его перегрузки при чрезмерном уменьшении шага.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДНА
1. Влияние гребного винта на управляемость судна
Управление судном во многом зависит не только от руля, но и от конструкции винта, скорости его вращения и обводов кормовой части судна.
Гребные винты изготовляются из чугуна, стали и бронзы. Наилучшими винтами для катеров следует считать винты из бронзы, так как они легки, хорошо шлифуются и стойки против коррозии в воде. Винты характеризуются диаметром, шагом и коэффициентом полезного действия.
Диаметром винта называют диаметр окружности, описываемой крайними точками лопастей.
Шагом винта называют расстояние вдоль оси винта, на которое перемещается за один полный оборот любая точка винта.
Рис. 103. Образование потоков винтов
Коэффициент полезного действия (к. п. д) винта определяется отношением мощности, развиваемой гребным винтом, к мощности, затрачиваемой на его вращение.
В основе работы гребного винта лежит гидродинамическая сила, создаваемая разрежением на одной и давлением на другой поверхности лопасти.
Современные судовые движители еще очень несовершенны. Так, гребные винты в среднем около половины мощности, отдаваемой им двигателем, тратят бесполезно, например, на винто образное закручивание частиц воды в струе.
На катерах применяются двух-, трех- и реже четырехлопастные винты. На промысловых катерах иногда ставятся винты с поворотными лопастями или так называемые винты с регулируемым шагом, которые позволяют плавно изменять скорость или направление хода судна при постоянном одностороннем вращении гребного вала. При этом отпадает необходимость в реверсировании двигателя.
Винты различаются по направлению их вращения. Винт, вращающийся по часовой стрелке (если смотреть на него с кормы в нос), называется винтом правого вращения, против часовой стрелки — левого вращения. При движении вперед под кормовым подзором корпуса суд-па впереди и позади руля образуется попутный (рис. 103) поток воды и возникают силы, которые действуют па руль и влияют на поворотливость судна. Скорость попутного потока тем больше, чем полнее и тупее обводы кормы.
Разрежение на выпуклой стороне лопасти, называемой стороной засасывания, подсасывает воду к винту, а давление на плоской стороне, называемой нагнетающей, отбрасывает воду от винта. Скорость отбрасываемой струи примерно вдвое больше подсасываемой. Реакция отбрасываемой воды воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее судну. Эта сила, приводящая судно в движение, называется упором.
В потоке воды, отбрасываемой винтом, частицы движутся не прямолинейно, а винтообразно. Попутный поток как бы тянется за судном и величина его зависит от формы кормовой части судка. Поток несколько изменяет давление на руль, отведенный из диаметральной плоскости судна.
Совокупное действие всех потоков оказывает заметное влияние на управляемость судна; оно зависит от положения руля, величины и изменения скорости хода, формы корпуса, конструкции и режима работы винта. Поэтому каждое судно имеет свои индивидуальные особенности действия винта на руль, которые судоводитель должен внимательно изучать на практике (таблица 4).
ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИНТА ПРАВОГО ВРАЩЕНИЯ РУЛЯ НА ПОВЕДЕНИЕ СУДНА
Положение судна относительно воды
Винт левого вращения при равных прочих условиях даст противоположные приведенным в таблице результаты.
Если на судне установлен винт правого вращения, то судно будет лучше поворачиваться вправо, диаметр циркуляции вправо будет меньше, чем влево. На заднем ходу поворотливость судна обычно хуже. Судно с винтом правого вращения на заднем ходу лучше поворачивается кормой влево, чем вправо. Поэтому на переднем ходу на судне с винтом правого шага к причалу стремятся подойти левым бортом, так как при этом с переменой хода на задний корма будет поджиматься к стенке.
На некоторых моторных яхтах и катерах устанавливаются по два мотора, имеющих каждый свои вал и винт. В этом случае винты обычно вращаются в разные стороны. Они могут быть установлены или с вращением наружу, т. е. в верхней ч. ста лопасти идут от середины к борту, или с вращением внутрь, когда лопасти в верхней части идут от борта к середине. То или другое направление вращения винтов, а также наклон осей винтов и валов к горизонтальной и диаметральной плоскостям имеют большое значение в отношении поворотливости.
2. Влияние ветра
Каждое судно подвержено действию ветра в разной степени. В зависимости от направления и силы ветра меняется управление судном и его маневренные качества. Часто не только малое, по и большое судно не может противостоять ветру ни рулем, ни работой винта, оно не может удержаться на якоре, подойти к причалу или отойти от него. С изменением силы и направления ветра меняется путь и скорость судна. Действие ветра на судно зависит от его силы и направления, от общей площади подводной части, от парусности судна, его осадки и водоизмещения.
Рис. 104. Увальчивость и рыскливость судна: а — увальчивость; б — рыскливость
Борт судна, обращенный к ветру, называют наветренным, а противолежащий ему — подветренным. Ветер, дующий в корму, называется попутным ветром, а ветер, дующий в нос,— встречным, противным или лобовым ветром. При швартовых операциях ветер, дующий в сторону причала, называют навальным, или прижимным, а ветер противоположного направления (от стенки причала) называют отвальным, или отжимным.
Ветер при постоянном направлении в долине реки будет менять направление относительно судна, следующего по изгибам этой реки. При движении судна около устьев рек и речек, мимо оврагов и балок, особенно мимо высоких берегов, может подуть сильный, меняющийся по направлению шквальный ветер. Ветер, отраженный от высоких причальных стенок, от высокого берега, может резко менять свое направление, завихряться, изменяться по силе, а иногда совсем прекращаться. Это часто ощущается при входе в камеру шлюза из нижнего бьефа.
Шквал, т. е. внезапное появление сильного ветра или резкое изменение его направления или силы, опасен для мелких судов. Особенно опасен шквал с частыми изменениями направления и скорости ветра по сравнению с ранее действующим ветром. Сильнее всего шквал действует вначале и особенно после штиля.
Брызги, переносимые ветром, мешают управлению маломерным судном. Они попадают на карты, приборы, заливают ветровое стекло. Ветер осложняет подход судна к причалу, шлюзование и другие операции.
Площадь парусности судна определяется общей площадью надводного борта корпуса, надстроек и устройств, оказывающих сопротивление ветру. Точка приложения равнодействующей всех сил действия ветра называется центром парусности. Боковой ветер сбивает судно с направления, заданного ему курсом, т. е. создает дрейф судна. Дрейф уменьшается с увеличением скорости хода судна; он тем меньше, чем больше осадка судна.
От взаимного расположения центра тяжести и центра парусности зависят свойства судна, которые называют увальчивостью или рыскливостью. Увальчивостью или стремлением уклониться от ветра обладает судно, у которого центр парусности находится к носу от центра тяжести. Рыскливостью или стремлением идти к ветру обладают суда, у которых центр парусности расположен к корме от центра тяжести (рис. 104). Следовательно, эти свойства судна можно регулировать перемещением грузов или пассажиров на судне в нос или в корму. Для держания судна на курсе при увальчивости приходится перекладывать руль на ветер, а при рыскливости — под ветер. В обоих случаях руль находится не в диаметральной плоскости судна и создает дополнительное сопротивление, что уменьшает скорость хода. Однако рыскливое судно ведет себя лучше увальчивого в штормовых условиях, когда положение судна носом к волне безопаснее, чем по волне или бортом к ней.
3. Влияние крена и дифферента
Креном называется поперечное наклонение судна на один из бортов. Дифферентом называется продольное наклонение судна на нос или на корму.
Крен и дифферент могут образовываться в результате перемещения людей, грузов, при качке, поворотах. Углы крепа могут дойти до опасно критических, особенно при наличии в катере воды и ее переливании. Перемещение воды в сторону малейшего наклонения маломерного судна способствует образованию еще большего крена и дифферента и может повлечь за собой опрокидывание судна.
Для того чтобы предотвратить перевертывание катера от переливания попавшей в него воды, ее нужно отливать.
При крене давление со стороны накрененного борта больше и судно стремится уклониться в сторону повышенного борта. Поэтому для удержания судна на курсе приходится перекладывать руль в сторону накрененного борта, что увеличивает силу сопротивления и соответственно уменьшает скорость хода.
При крутых поворотах на большой скорости крен особенно велик. Осадка от крена увеличивается.
При дифференте на нос устойчивость судна на курсе ухудшается, увеличивается рыскливость, уменьшается скорость. При большом дифференте на корму судно становится увальчивым, плохо держится на курсе и очень реагирует на ветер и волну Нормальным считается незначительный дифферент на корму, при котором обычно улучшается поворотливость и ходкость судна.
4. Влияние волнения
Волнение затрудняет плавание, вызывает качку, сильная волна осложняет работу гребного винта, который вместе с кормой может периодически оголяться. Это понижает упор винта, уменьшает скорость движения судна, снижает действие винта на перо руля. В момент оголения носа и особенно винта судно сразу же становится сильно подверженным действию ветра, сбивается с курса; для судов с подвесными моторами это имеет место даже при небольшом волнении. Сильные удары волн могут повредить корпус, механизмы, смыть людей за борт и причинить другие неприятности. Выход винта из воды вредно отражается на двигателе, а также на корпусе судна. Удары волн мешают своевременно и быстро перекладывать руль. На волне труднее выбрать и удержать заданный курс.
При встречных волнах, если они не останавливают судно, управлять им несколько легче, чем при попутных и бортовых При встречных волнах судно лучше держится на курсе.
На мелководье волнение не только мешает управлять судном, но может вызвать повреждение днища корпуса от удара о дно или поломку руля и винта.
5. Влияние течения
Течение оказывает большое влияние на управление и маневренные элементы судна относительно грунта (берегов)
При ходе против течения судно хорошо слушается руля, уменьшается инерция судна и его легче остановить. Сложнее управлять рулем на поворотах судна при попутном течении, при котором судно хуже слушается руля. Следовательно, при движении вниз по течению труднее выполнять различные маневры. С увеличением скорости течения увеличивается расстояние, необходимое для поворота судна, идущего вниз, так как удлиняется и искажается кривая циркуляции, если ее рисовать относительно берега.
Лучшие условия управления судном и, в частности, его остановкой при движении против течения используются судоводителями при подходе к причалу и швартовке, т. е. судно, идущее по течению, подходит к причалу или берегу после разворота ниже причала на обратный курс.
Особенно неприятны свальные течения, проходящие под углом к основному потоку, так как они вызывают резкое смещение судна с избранного курса (снос с курса). Подобно свальному течению действует поток (течение) в относительно спокойной реке, водохранилище, озере, в море, например в местах впадения притоков, речек, при сгонно-нагонных явлениях. Наибольший снос испытывает судно при следовании бортом к течению. Направление и скорость течения могут непрерывно меняться от действия приливов, отливов, ветра, особенно в устьях и на берегах рек, а также за различными мысами и островами.
Чтобы предупредить снос судна течением с курса, можно переложить руль и уклониться по направлению на это течение. Тогда судно пойдет по направлению равнодействующей скорости течения и своего хода. Угол поправки на течение определяют глазомерно по наблюдению за береговыми и плавучими знаками.
6. Влияние узкостей
На широком водном пространстве вытесняемая судном вода расходится при его движении во все стороны. Влияние ширины фарватера при управлении судном определяется изменением характера потока, условиями волнообразования, возникновением дополнительного сопротивления. Поэтому в узкостях может быть много причин, сбивающих судно с курса и затрудняющих управление им.
7. Влияние глубин и осадка движущегося судна
При переходе судна из глубоководного фарватера на мелководье возрастает волнообразование, увеличивается сопротивление и уменьшается скорость хода. На мелководье при достаточно большой скорости хода судно получит дифферент на корму, а около середины судна заметно понизится уровень воды— образуется большая впадина, где уменьшится сила поддержания. Поэтому судно может увеличить осадку по сравнению с осадкой на глубокой воде. Чем больше осадка судна, тем меньше зазор между корпусом и дном, а следовательно, относительно больше скорость потока воды под корпусом. Поэтому судно во время движения на мелководье будет подсасываться ко дну (как правило, кормой). Это явление особенно характерно для судов с плоскими днищами. Дополнительная осадка судна растет с увеличением скорости хода и может быть причиной повреждения корпуса или винтов при проходе через участок с малыми глубинами. Увеличение осадки во время движения по мелководью у некоторых типов судов доходит до 0,5 м.
В случае неожиданного подхода к мелкому месту носовая часть судна может резко «оттолкнуться» от него из-за внезапно возросшего сопротивления воды, а также потому, что перед носовой частью вода будет вытесняться на мелкое место, сталкивая судно на большую глубину.
Если судно идет по мелководью с переменной глубиной, то правильное направление движения судна приходится удерживать частым вращением штурвального колеса. Чем уже и мельче фарватер и чем быстрее движется судно, тем быстрее и беспорядочнее кормовые волны будут догонять судно, действуя на его корму неравномерно, то с одной, то с другой стороны. При этом все время меняется давление воды на перо руля. Описанные явления вызывают рыскливость судна, особенно при подходе о: глубокого места к мелкому. Это опаснее всего при расхождении со встречными судами, так как может вызвать постановку судна на мель, повреждение корпуса, столкновение судов.
Следовательно, на мелководном фарватере следует уменьшать ход, чтобы уменьшить дополнительную осадку и рыскливость судна и тем самым обеспечить большую безопасность движения и улучшить управляемость.
Взаимодействие винта, руля и корпуса судна. Управляемость судна на переднем и заднем ходу
Увеличение площади руля ведет к возрастанию поперечной силы руля, но в это же время возрастает демпфирующее действие руля. На практике установлено, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки. Увеличение относительного удлинения руля (отношение высоты руля к его средней ширине) при его неизменной площади приводит к возрастанию поперечной силы руля, что приводит к незначительному улучшению поворотливости. Расположение пера руля в струе, отбрасываемой винтом, способствует увеличению эффективности руля и улучшению поворотливости. Эффект винтовой струи проявляется тем больше, чем большая площадь руля попадает в поток от винта.
Работающий винт участвует одновременно в двух движениях: перемещается поступательно вдоль своей оси со скоростью Ve относительно воды и вращается вокруг той же оси с угловой скоростью ω, пропорциональной числу оборотов в секунду. Элемент лопасти винта можно рассматривать как крыло, движущееся под углом атаки α к потоку жидкости, который работает по принципу подъемной силы, за счет которой создается упор винта Р.Практически на работу движителя существенное влияние оказывают: корпус судна, различные направляющие устройства, а также свободная поверхность жидкости. Между частями такого комплекса возникает гидродинамическое воздействие, обусловленное появлением поперечных сил, которые можно подразделить на: силы, связанные с попутным потоком воды; силы реакции воды на винт; силы струи от винта, набрасываемой на руль или корпус.
При перемещении изолированного корпуса судна (без винтов) в жидкости со скоростью Ve течение жидкости, возникающее в кормовой части из-за создавшегося разрежения после прохождения судна, направлено в сторону Силы, возникающие на винте и руле перемещения судна и называется попутным потоком. В различных сечениях кормовой части судна возникает неравномерное распределение скоростей потока жидкости, в котором будет работать движитель. Интенсивность попутного потока изменяется и по глубине: в верхней части поток будет иметь большую скорость, чем в нижней, поэтому углы атаки при прохождении лопастями верхнего положения имеют наибольшее значение. Лопасть винта в верхнем положении испытывает большие силы сопротивления вращению, чем в нижнем. Таким образом, возникает неуравновешенная сила «в», которая при винте правого вращения стремится переместить корму судна влево. Эта сила возникает только при движении судна вперед и называется силой попутного потока.
Кроме попутного потока на работу винта оказывает влияние и близость поверхности воды: возникает подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта независимо от направления его вращения. Вследствие этого, лопасти в верхнем положении при вращении испытывают меньшую силу реакции воды, чем в нижнем. Т. о. возникает результирующая сила реакции воды «R», всегда направленная в сторону вращения винта: при работе винта вперед стремится сместить корму вправо, а при работе назад – влево. С уменьшением осадки кормой и, особенно при частичном оголении винта боковая сила реакции воды возрастает.
Для более полной оценки влияния боковых сил на поведение судна нужно еще учитывать взаимодействие винтовой струи с рулем и корпусом судна. Гребной винт при вращении вперед или назад не только отбрасывает поток воды в противоположную сторону, но и его закручивает, т. е. придает потоку не только поступательную (аксиальную), но и окружную (тангенциальную) скорость. При этом, независимо от направления вращения винта, в верхней части диска за счет влияния близкой поверхности тангенциальная скорость потока меньше, чем в нижней.
При работе винта правого вращения на передний ход закручивание потока приводит к косому натеканию воды на руль. Скос потока в верхней половине струи направлен вправо, а в нижней – влево. Причем скос потока в нижней части благодаря повышенной тангенциальной скорости больше, чем в верхней, а отсюда и сила воздействия струи на единицу площади руля внизу больше. Если площадь пера руля, попадающая в струю, распределяется поровну между верхней и нижней половинами струи, то на переложенный руль будет воздействовать результирующая сила набрасывания воды или сила набрасываемой струи «с», которая стремится сместить корму влево.
При вращении винта назад закругленный поток воды набрасывается на корму. Т. к. поток закручивается против часовой стрелки, то с правого борта под кормовым подзором создается повышенное давление воды, а с левого борта – пониженное. В связи с перепадом давления результирующая сила – сила набрасывания струи на корпус, всегда направлена влево, т. е. стремится развернуть корму влево. Сила этого потока не влияет на руль, находящийся в прямом положении (в ДП). При руле, положенном вправо, струя потока воды будет оказывать давление на левую сторону пера руля и вызовет понижение давления с его правой стороны – корма будет стремиться идти вправо. При левом положении руля корма судна будет уклоняться в сторону переложенного руля.
Для одновинтового судна с правым шагом вращения, рулем прямоугольной формы, при отсутствии ветра и течения справедливы следующие положения при условии, что винт и руль полностью погружены в воду:
а) в начале движения корма уклоняется вправо, и судно идет влево тем больше, чем больше частота вращения винта;
б) при увеличении скорости движения уклонение судна влево уменьшается;
в) при установившейся скорости движения вперед корма – влево, нос – вправо;
г) при движении вперед по инерции судно имеет небольшое уклонение носа вправо.
а) нос отклоняется в сторону отклоненного руля;
б) поворотливость большинства судов вправо лучше, чем влево.
а) в начале движения назад при любом положении руля корма идет влево, судно поворачивает вправо;
б) при установившейся скорости движения назад уваливание кормы влево можно уменьшить, переложив руль «право»;
в) при движении судна по инерции назад его корма отклоняется в сторону кладки руля.
а) при положении руля «прямо» корма отклоняется влево, нос – вправо;
б) при отклоненном руле нос идет в сторону положенного руля, пока есть ход вперед.
а) при положении руля «прямо» корма пойдет вправо, нос – влево;
б) при отклоненном руле и большой инерции судна назад корма отклонится в сторону положенного руля; по мере уменьшения хода назад отклонение кормы в сторону руля будет уменьшаться и при малой инерции назад нос пойдет в сторону положенного руля, как на переднем ходу судна.