Руль и гребной винт судна

На судне, имеющем один винт правого вращения, руль, отклоняя струю воды от винта, прилагает силу в кормовой час­ти судна. Руль представляет собой устройство, предназначенное для изменения направления движения судна. Он устанавливается в задней части судна под водой и подключается к рулевой машине на мостике судна.

Гребной винт (пропеллер) служит для создания тяги и движения судна вперед. Он приводится во вращение двигателем судна, создавая поток воды, который направляется назад и толкает судно вперед.

Силу от действия руля можно разложить на поперечную и продольную составляющие. Для управления судном нам нужна поперечная составляющая; продольная составляющая вызывает уменьшение скорости судна и является потерей с навигацион­ной точки зрения, но она может быть именно той силой, которую необходимо использовать во время подхода к причалу (рис. 1).

В случае когда необходимо замедлить ход, не работая машиной назад, можно использовать, насколько это возможно, полную перекладку руля на борт.

Сила от действия руля, угол дрейфа на циркуляции и поперечное сопротивление корпуса

Для того чтобы понять, как действует Поперечная остойчивость суднапоперечная сила от действия руля на судно, следующее передним ходом, рассмотрим ее влияние по отношению к ЦТ и ЦВ. Поскольку поперечная сила от действия руля смещает ЦТ вместе с судном, ЦВ можно рассматривать как условную опору, а ЦТ как вес, который предстоит поднять (приложение В, 1). После преодоления инерции ЦТ судна смещается в сторону, обратную повороту, и создает угол дрейфа, в результате которого борт судна встречает подводное со­противление. Положение ЦВ играет центральную роль в рас­пределении поперечного гидро­динамического сопротивления.

“Искусство управления судном включает эффек­тивное использование сил, которыми мы можем управлять, для преодоления действия сил, не поддающихся контролю”.

Чарльз X. Коттер. “Капитан и его судно”

Влияние поперечного сопро­тивления впереди ЦВ двояко: оно помогает развороту, потому что создает то же самое направ­ление вращения, что и попереч­ная сила от действия руля, и, наоборот, оно смещает ЦВ на­зад, укорачивая тем самым ры­чаг управления (рис. 2). С по­явлением поперечного сопро­тивления вращающий момент слагается из момента руля (управления) и момента попереч­ного сопротивления (приложе­ние В, 2).

Поперечное сопротивление, возникающее в кормовой части судна от ЦВ, уменьшает Способы расчета управляемости маломерного суднаугол дрейфа, отчего снижается и ве­личина самого поперечного со­противления. Угол дрейфа опре­деляется отношением между по­перечным сопротивлением в кормовой части судна от ЦВ и поперечной силой от действия руля к сопротивлению трения корпуса судна.

Узкое судно имеет сравни­тельно более протяженную под­водную площадь в корму от ЦВ и встречает относительно боль­шее поперечное сопротивление по корме, что приводит к меньшему углу дрейфа и вследствие этого к большей циркуляции (рис. 3).

Широкое судно встре­чает относительно большее под­водное сопротивление впереди ЦВ и меньшее поперечное со­противление в корму от него, что приводит к большему углу дрейфа и вследствие этого к от­носительно меньшей циркуля­ции (приложение В, 3).

Центр вращения и его перемещениеПоперечное сопротивление вызывает потерю скорости суд­на, пропорциональную углу дрейфа и величине площади подводной поверхности. Когда разворот установится, и скорость снизится, минимальные измене­ния угла дрейфа и положение ЦВ будут сбалансированы сила­ми поперечного сопротивления и руля.

Инерция поперечного движения

Если руль поставлен прямо, судно продолжает разворачи­ваться влево: в дополнение к инерции вращения возникает вращательный момент, создаваемый инерцией поперечного движения судна и поперечным сопротивлением впереди ЦВ (рис. 4). Инерция поперечного движения действует как сила, точка приложения которой на­ходится в ЦТ судна. Точка при­ложения поперечного сопротив­ления находится в ЦТ судна. Точка приложения поперечного сопротивления находится при­мерно в середине между но­сом и ЦВ.

Чтобы остановить разворот, необходимо положить руль на другой борт, в нашем случае — право на борт (рис. 5). Причи­на того, что для выпрямления судна требуется больше време­ни и больший угол перекладки руля, чем для начала разворо­та, заключается в том, что по­перечное сопротивление некото­рое время продолжает действо­вать на носовую часть корпуса, создавая вращение, противопо­ложное по направлению враще­нию, создаваемому рулем (при­ложения В, 5).

Если мы поставим руль снова прямо в момент, когда разворот прекратится под действием ру­ля, переложенного на другой борт, разворот влево возобно­вится, потому что мы нарушим баланс сил, который существует между поперечной силой от действия руля, инерцией попе­речного движения и попереч­ным сопротивлением.

До тех пор, пока существует инерция поперечного движения, сущест­вует и поперечное сопротивле­ние; две силы образуют враща­ющую пару, которая регенери­рует разворот, если его не конт­ролировать рулем. Поскольку инерция поперечного движения уменьшается постепенно, необ­ходимо соответственно отводить и руль, чтобы удерживать Движение судна постоянным курсом при изменении режимов работы движителейсудно на постоянном курсе.

Влияние продольной инерции на управляемость судна

Ускорение или замедление, возникающее при увеличении или уменьшении частоты вра­щения винта, оказывает влия­ние на положение ЦВ. Рассмотрим, например, танкер с ди­зельной СЭУ дедвейтом 50 тыс. т, следующий самым малым хо­дом, частотой вращения винта 40 об/мин и скоростью 5,7 уз. Когда мы увеличиваем частоту вращения винта до 65 об/мин, проходит время, прежде чем судно начнет двигаться со ско­ростью 9,3 уз, соответствующей 65 об/мин. В этой задержке виновата продольная инерция. В течение этого времени лобо­вое сопротивление судна увели­чивается еще непропорцио­нально пропульсивной силе, что приводит к смещению вперед ЦВ.

Если на судне, следующем малым ходом относительно во­ды, переложить руль на борт в момент увеличения частоты вращения двигателя, то полу­чим увеличенный упор винта на руль и моментальное увеличе­ние его усилия. Эта улучшен­ная управляемость будет про­должаться до тех пор, пока лобовое сопротивление (впереди) не будет снова соответствовать частоте вращения двигателя.

Если руль удерживать на борту, судно не достигнет ско­рости, указанной в таблице ма­невренных элементов, потому что часть пропульсивной силы преобразуется в поперечную си­лу от действия руля и, кроме этого, судно встречает большее подводное сопротивление во время поворота.

Когда по какой-либо причине нет возможности допустить уве­личения скорости, но необходи­мо уменьшить угловую скорость поворота, лучше вместо того, чтобы отводить руль, как мож­но быстрее уменьшить частоту вращения двигателя. Это необ­ходимо потому, что, когда руль будет поставлен прямо, весь упор винта будет направлен на преодоление инерции продоль­ного движения. Если это будет продолжаться достаточное вре­мя для того, чтобы скорость судна относительно воды увели­чилась, то с уменьшением час­тоты вращения двигателя мы будем иметь избыточное лобо­вое сопротивление, что вызовет снижение управляемости.

Влияние дифферента на управляемость

Когда судно с дифферентом на нос движется относительно воды боком, оно имеет сравнительно большую подводную площадь впереди ЦВ, которая будет встречать большее попе­речное сопротивление. Большая поперечная сила в носовой час­ти судна смещает ЦВ дальше назад и укорачивает рычаг уп­равления. Кроме того, когда судно загружено не полностью и имеет дифферент на нос, винт погружен не так глубоко, что приводит к меньшему его влия­нию на руль, что в свою оче­редь уменьшает момент силы, создаваемой рулем (управляю­щий момент).

Предлагается к прочтению: Технико-эксплуатационные характеристики морских судов и плавучих сооружений

При установившемся разво­роте носовая часть имеет боль­шую инерцию вращения, кото­рой противостоит меньший уп­равляющий момент. Чем боль­ше дифферент судна на нос, тем труднее им управлять. Что­бы начать разворот, требуется много времени и еще больше времени требуется, чтобы его остановить. Большая сила попе­речного сопротивления в носо­вой части судна уменьшает циркуляцию судна (приложе­ние В, 4).

Судно с дифферентом на кор­му имеет относительно боль­шую подводную площадь поза­ди ЦВ. Когда судно под дейст­вием руля, положенного на борт, движется относительно воды вперед и в сторону, его носовая часть встречает мень­шее сопротивление воды; вслед­ствие этого ЦВ будет оставаться далеко впереди, создавая отно­сительно длинный рычаг управ­ления. Кроме того, винт погру­жен в воду глубже и создает лучший упор, что увеличивает силу и управляющий момент.

Большая циркуляция судна, имеющего дифферент на корму, вызвана уменьшением влияния более слабой силы поперечного сопротивления в носу и более сильным поперечным сопротив­лением в корме, в результате чего уменьшается угол дрейфа (приложение В, 5).

Уменьшение скорости судна с помощью руля и гребного винта

В море предпочтительна пе­рекладка руля на углы менее 20°, это обеспечивает хорошую управляемость и, относительно малое снижение скорости. Од­нако когда необходимо умень­шить скорость, можно с успе­хом использовать эффект сни­жения скорости действием руля, перекладывая его попеременно с одного борта на другой (так называемая циклическая пере­кладка руля — Rudder Cycling). В зависимости от наличия про­странства и возможности позво­лить уклониться судну с курса необходимо удерживать руль на одном борту длительное или ко­роткое время. Создаваемое бор­том судна Подготовка судна к швартовым операциямпоперечное сопротив­ление способствует уменьше­нию скорости судна. Крупно­тоннажные танкеры, имеющие чрезмерную осадку, при пово­роте на полном ходу теряют в скорости значительно больше, чем танкеры меньшего размера.

На танкере дедвейтом 477 тыс. т, имеющем скорость 14,4 уз, после остановки маши­ны требуется 62 мин, чтобы скорость упала до 5 уз (инерци­онные испытания), и потребова­лось только 5,5 мин для подоб­ного снижения скорости с 14,4 до 5 уз, когда был осуществлен поворот на 150°, положив руль 35° на борт и сохраняя полный ход машины! В обоих случаях судно было в грузу, имело осад­ку 92 фута и коэффициент пло­щади пера руля при этой осадке 1/60. Коэффициент площади пера руля — отношение смо­ченной поверхности пера руля к продольной подводной площади судна. Тот же самый танкер дедвейтом 477 тыс. т в балласте с коэффициентом площади пера руля 1/27 не только имеет меньшую инерцию движения, но также относительно боль­шую площадь пера руля. Эти два фактора делают цикличес­кую перекладку руля с малы­ми изменениями курса более эффективной в балласте, чем в грузу.

В отношении уменьшения скорости движения с помощью гребного винта следует отме­тить, что на судне, следующем с полной скоростью, винт, работающий на 20 % своей мощно­сти, встречает большее сопро­тивление воды, чем застопорен­ный винт. Самый малый ход вперед, установленный после того, как судно следовало пол­ным ходом вперед, оказывает вначале в чем-то лучшее тормо­жение, чем немедленная, пол­ная остановка гребного винта. Для более быстрой остановки судна с полного хода вперед винт, работающий назад на 20 % своей мощности, вначале более эффективен, чем винт, работающий назад на полную мощность, когда большая часть его усилия теряется из-за ка­витации.

Циркуляция судна

Если на судне, не имевшем хода относительно воды, пере­ложить руль на борт и дать полный ход вперед, то полный поворот займет менее половины того пространства, чем в случае полного поворота, начатого с полного хода вперед. Поворачи­ваясь вначале на месте, судно набирает ход вперед, и с увели­чением инерции движения раз­ворот становится все шире. Инерция покоя — вот что по­зволяет судну сделать короткий поворот с места и препятствует продольному ускорению.

Пример. Танкер дедвейтом 477 тыс. т в полном грузу, СЭУ турбина, L/B = 6, осадка 92 фута, угол перекладки руля 35°, начальная скорость 14,4 уз, конечная скорость 3 уз. Машина работа­ет на полный ход, начальная частота вращения турбины 89, конечная — 78 об/мин. Время, затраченное на полную циркуляцию, 16,5 мин.

После перекладки руля на борт суд­но начинает медленно поворачиваться, и только после того – как оно разверну­лось примерно на 10°, начинает нарастать вращательное движение. Вычисление маневренности маломерного судна на криволинейной траекторииУгловая скорость поворота достигает максимума между 10 и 90° разворота и становится постоянной с меньшим значением, когда судно приобретает установившуюся поступательную скорость (см. Поперечное сопротивлениеПриложение В. Вращательное движение).

Теоретически диаметр цирку­ляции AL и 3L (где: L – длина между перпендикулярами) для отношений L/B, равных 9 и 5 соответственно (см. Длинные плечи при продольном движенииПоперечное и продольное движение судна). Однако многое зависит от числа факторов, влияющих на угол дрейфа, таких, как дифферент и глубина под килем.

Циркуляция на постоянной высокой скорости ненамного больше, чем циркуляция на по­стоянной низкой скорости из-за большей инерции движения, относительно более длинного ры­чага управления и вследствие этого меньшего угла дрейфа.

Пример. Танкер дедвейтом 50 тыс. т, СЭУ турбина, L/B = 8, осадка в грузу на ровном киле 41 фут 8 дюймов, в бал­ласте — носом 20 и кормой 26 футов.

Для сравнения: танкер дедвейтом 477 тыс. т в балласте, осадка носом 33,5 и кормой 40 футов, время полной цирку­ляции на полном ходу 14 мин (началь­ная частота вращения турбины 91, ко­нечная — 82 об/мин). Время полной циркуляции на среднем – ходу 22 мин (частота вращения все время 51 об/мин), диаметр циркуляции пример­но на 6 % меньше.

Диаметр циркуляции в грузу обычно больше, чем в балласте. Причина в том, что судно в грузу имеет относительно мень­ший коэффициент площади пе­ра руля и большую инерцию движения и, кроме этого, имеет обычно меньшую глубину под килем.

Однако на глубокой воде нет большой разницы в циркуляциях, так как танкеры в грузу обычно не имеют дифферента, что приводит к сильному поперечному сопротивлению в носо­вой части судна.

 
Ограниченная глубина под килем на мелководье препятст­вует потоку воды под корпусом судна и является причиной ог­раниченного поперечного движения кормовой части. Чем меньше глубина под килем, тем больше накапливается воды в районе кормы, двигающейся вперед, и тем ниже уровень во­ды в носовой части судна, что ведет к меньшему углу дрейфа и вследствие этого к более ши­рокому повороту на мелководье.

Читайте также: Использование радиолокатора для расхождения

Действие ветра изменяет циркуляцию. При нормальном дифференте, когда нос идет на ветер, а корма под ветер, судно поворачивается быстрее. Наобо­рот, когда судно разворачивает­ся носом под ветер, особенно когда у него высокая кормовая надстройка и сравнительно сла­бая машина, поворот происхо­дит медленнее.

Волнение и зыбь оказывают противоположный эффект на разворот. Когда судно повора­чивается носовой частью на зыбь, поперечное сопротивле­ние при состоянии моря, по­могающем развороту, действу­ет на наветренную скулу так, что препятствует развороту (см. Поворот при наличии поперечной силы в носовой части суднаПриложенеие В. Вращательное движение). Когда судно поворачивается по на­правлению волны и зыби, их действие приходится преодоле­вать кормовой частью. И только тогда, когда скорость постоянна и на судно не действуют внеш­ние силы, оно описывает при своем движении на циркуляции действительную окружность.

Сила на пере руля и поперечный упор гребного винта

При заднем ходе сила на пере руля играет незначительную роль. Поскольку судно редко имеет значительный задний ход, то сила, создаваемая давлением воды на перо руля во время заднего хода, мала.

Более того, так как ЦВ на заднем ходу находится ближе к корме, сила от действия руля имеет малый рычаг.

Более мощной силой, чем сила от действия руля на судне, идущем задним ходом, является поперечный упор винта, работа­ющего назад. Когда судно все еще движется вперед относи­тельно воды, а машина работает назад, не вся струя от винта до­стигает кормы. Однако пока ЦВ находится все еще впереди, ре­зультирующая сила имеет длин­ный рычаг. Мы будем считать величину поперечного упора, когда судно все еще движется вперед относительно воды, рав­ной в среднем 5 % мощности на заднем ходу. Когда движение вперед прекращается и устанав­ливается движение назад, эта величина возрастает в среднем до 10 % (рис. 6).

Однако если центр бокового сопротивления сдвигается в корму и устанав­ливается вблизи точки приложения поперечного упора, вращательное движение становится незначительным.

Когда возникает необходи­мость, чтобы судно с винтом правого шага не разворачива­лось вправо, то прежде, чем дать задний ход машине, следу­ет дать толчок машине вперед, переложив руль лево на борт. Когда задний ход установился, поперечный упор обеспечит судну малое вращательное движение. С другой стороны, для разворота судна вправо следует дать толчок вперед, переложив руль право на борт, прежде чем дать машине задний ход. По­ступив таким образом, судно получит вращательное движе­ние и ЦВ переместится вперед. Продольная инерция вначале задерживает развитие заднего хода и в то же время макси­мальный поперечный упор име­ет оптимальный рычаг.

Механическая напряженность дизельного двигателя внутреннего сгоранияСуда с дизельными СЭУ, имеющие большую мощность на заднем ходу и вследствие этого более сильный поперечный упор и более быстрое реагирование машины, чем суда с турбинны­ми установками, легче развер­нуть почти на месте через пра­вый борт. Поперечный упор сильнее на судах с большими медленно вращающимися вин­тами, чем на судах с малыми и быстро вращающимися винтами.

Угол перекладки руля

Увеличение частоты вращения двигателя для лучшей уп­равляемости дает только временный эффект и увеличивает скорость судна. Поэтому в случаях, когда мы не можем позволить иметь большую скорость, лучше не увеличивать частоту вращения двигателя при перекладке руля, например, на 20°, а прежде всего использовать пе­рекладку руля на борт.

На заднем ходу, когда винт остановился, при перекладке руля на борт имеется некото­рый вращательный эффект. Од­нако поскольку и величина и рычаг силы от действия руля незначительны, этот эффект, может быть легко сведен к нулю слабым ветром в противоположную скулу.

До тех пор, пока судно имеет ход вперед относительно воды, даже если машина работает полным назад, лучше оставить руль на том борту, куда надо повернуть судно. Только тогда, когда судно начнет двигаться назад относительно воды, имеет смысл переложить руль на дру­гой борт (лоцману часто напо­минают, что руль все еще на борту, когда судно движется вперед, а машина работает назад).

Поскольку руль, переложен­ный на борт, частично блокирует приток воды к винту с одной стороны, когда судно идет за­дним ходом, возникает потеря эффективности винта. Угол пе­рекладки руля 15-20° обеспе­чивает лучший приток воды, по сравнению с перекладкой руля на борт. Необходимо помнить, что судно проектируется и стро­ится в основном для переднего хода, так же как машина/кор­пус и винт — для движения вперед. Стоит ли ухудшать и без того уже плохие характери­стики движения большинства танкеров на заднем ходу для того, чтобы получить теоретическое и в лучшем случае на практике небольшое улучшение управляемости? В любом слу­чае, поскольку некоторые капи­таны, кажется, против пере­кладки руля полностью на борт, лоцман может в этом случае поддержать капитана, исполь­зуя перекладку руля только на 20°.

Автор статьи

Владимир Филатов

Старший помощник капитана

Список литературы

1. Аrdleу, R. А. В. Harbour Pilota­ ge. London: Faber & Faber, 1952.
2. Armstrong, M. C. Practical Shih Handling. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1980.
3. Вaer, W . Assessment of Tug Performance. London: International Tug Conference, 1969.
4. Вarlett — Prince, W. Pilot Take Charge. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1956.
5. Bowditch Nathanial, original author. American Practical Navigator: An Epitome of Navigation. Washington, D. C.: U. S. Government Printing Office, 1977.
6. Celerier, Plerre, La Manoeuvre des Navires. Presses Universitalres de France, 1955.
7. Cockcroft, A. N. Nicholls’s Seamanship and Nautical Knowtesge. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1979.
8. Cotter, С. H. The Master and His Ship. London: Maritime Press, 1962.
9. Grenshaw, R. S. Naval Ship-handling. Annapolis: Naval Institute Press, 1975.
10. Danton, G. L. The Theory of Practice of Seamanship. New York: St. Martin, 1965.
11. English, J. W. and B. N. Steel. “The Performance of Lateral Thrust for Ship as Affected by Forward Speed and Proximity of a Wall”. London: N. P. L. Ship Division Report SH R28/62, 1962.
12. Helmers, Kapt. W. “Messergebnisse von wichtige Manoevriereigenschaften”. Hansa (November-December 1961).
13. Laуtоn, C. W . T . Dictionary of Nautical Words and Terms. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1958.
14. Loraht, Michael. “Investigation into High Speed of Underwater Craft”. Nautical Magazine, vol. 200: 5. 1968.
15. Nоrdstrоm, H . F. Screw Propeller Characteristics. Stockholm: Publications of the Swedish State Shihbuildihg Experimental Tank, 1948.
16. Pierens, C . “Draaicirkels”. De Zee, nos. 4-5 (April-May 1970).
17. Plummer, C. J. Ship Handling in Narrow Channels. Cambridge: Cornell Maritime Press, 1966.
18. Sjosirom, Carl H. Effect of Shallow Water on Speed and Trim. New York: S. N. A. M. E., 1965.
19. Stunz, C. R. and R. J. Taуler. Some Aspects of Bow Thruster Desing. New York: S. N. A. M. E., 1965.
20. Terrell Mark. “Anchors A New Approach” Fairplay International Shipping Journal, no. 4, 624, 1972.
21. Troti, B. “Waves, Flow and Drag”. Nauticai Magazine, vol. 206: 6, 1971.
22. Willertоn, P. F. Basic Ship­ handling for Masters, Mates and Pilots. London: Stanford Maritime, 1980.
23. Woerdemann, F. Dampfermanoever. Berlin, Frankfurt/M: Mittler, 1958.
24. Zeevaarikundig Tijdschrift De Zee. Raad voor de Scheepvaart (Shipping Council) reports on collisions in the Amsterdam North Sea Canal: 1964, 4; 1965, 4; 1966, 6; 1970, 7 .