.

Гидродинамические силы, влияющие на рулевое устройство малотоннажного судна

Рулевое устройство судна обеспечивает устойчивость и управляемость плавсредством на спокойной воде и при сильном волнении. В статье приведены примеры и методы необходимых расчетов для определения гидродинамических сил.

Определение гидродинамических сил и моментов, действующих на судовой руль

Расчет ГДХ руля необходим для выбора прочностных размеров рулевого устройства и определения мощности рулевого привода (рулевой машины). В этом случае наиболее важной является информация о нормальной силе N, действующей на рулевое устройство судна, и моменте относительно баллера М.

Момент, преодолеваемый рулевым приводом, состоит из двух компонентов: момента гидродинамической природы и момента трения в подшипниках опор. Для приближенной оценки момент трения можно принимать как 20 % гидродинамического момента, более точно он может быть рассчитан в соответствии с формулами теории прочности. Методика расчета гидродинамических усилий для общего случая расположения руля за гребным винтом и корпусом судна имеет сложный характер, и ее изложение выходит за рамки настоящего издания.

Однако для маломерных судов, для которых характерно использование относительно простой конструктивной схемы движительно-рулевого комплекса, указанная методика может быть упрощена. Ниже приводится приближенная методика, использование которой возможно при следующих допущениях:

  • руль — подвесной (простой), близкий к прямоугольному, расположен по оси вращения гребного винта;
  • значения высоты руля и диаметра ГВ близки друг другу;
  • отстояние нижней кромки руля от продольной оси ГВ составляет a1 ≥ 0,5Rp, кавитация руля отсутствует (к ≥ 2,5).

Методика расчета

Гидродинамические усилия, действующие на рулевое устройство судна, рассчитываются для следующего условного маневра: судно движется прямолинейно передним ходом с рулем, переложенным на постоянный угол. При расчете последовательно определяется безразмерные гидродинамические характеристики изолированного руля, руля с учетом влияния корпуса, руля с учетом влияния ГВ и корпуса; вычисляются силы и моменты, действующие на рулевое устройство судна.

1
Безразмерные ГДХ изолированного руля: производная коэффициента нормальной силы CNRa
 полагается равной производной коэффициента подъемной силы CYRa

CNRaCYRa;        Форм. 1

коэффициент центра давления:

CPR=KtCPλ,         Форм. 2

где:

  • CPλ — зависимость коэффициента центра давления от удлинения (рис. 1);
  • Kt — поправочный коэффициент, учитывающий значение относительной толщины руля (рис. 2).
Коэффициент центра давления при перекладки руля
Рис. 1 Зависимость коэффициента центра давления от удлинения и угла перекладки руля

2 Безразмерные ГДХ руля с учетом влияния корпуса определяются только в тех случаях, когда руль расположен в кормовом подзоре судна, движущегося в водоизмещающем или переходном режиме. Для рулей, установленных под днищем судов, движущихся в глиссирующем или переходном режимах, безразмерные ГДХ с учетом влияния корпуса соответствуют безразмерным ГДХ изолированного руля.

Диаграмма зависимости коэффициента от толщины руля
Рис. 2 Зависимость коэффициента Kt от относительной толщины руля
Производная коэффициента нормальной силы CNRHa
определяется по формуле:

CNRHa=KHCNRa,         Форм. 3

где:

  • KH — коэффициент влияния корпуса (рис. 3).
Коэффициент общей полноты
Рис. 3 Зависимость коэффициентов KH и ΔСPH

Коэффициент центра давления CPRH определяется по формуле:

CPRH=CPR+CPH,         Форм. 4

где:

  • ΔCPH — поправка к коэффициенту центра давления, обусловленная корпусом судна (см. рис. 3).

3 Безразмерные ГДХ руля с учетом влияния ГВ и корпуса.

Производная коэффициента нормальной силы

 CNRHpa 

определяется по формуле:

CNRHpa=CNRaH(1Ки),         Форм. 5

где:

Коэффициент центра давления

 CPRHp 

определяют по формуле:

CPRHp=CPRH+CPR,         Форм. 6

где:

  • △CPR — поправка к коэффициенту центра давления, обусловленная влиянием ГВ.

Для определения поправки △CPR вычисляют эффективное удлинение руля:

λэ=2CYRpa1,76πCYRpa,         Форм. 7

где:

Для полученных значений λэ определяют величины

 CPR0э

и 

CPR0 

(рис. 4) и далее их разность:

CPR=CPR0эCPR0.         Форм. 8

По найденным значениям CNRHpa
и

 CPRHp 

определяются коэффициенты нормальной силы и момента на баллере:

CNRHp=CNRHpaδR;         Форм. 9

CmRHp=CNRHp(CPRHpKδR),        Форм. 10

где:

  • KδR — коэффициент компенсации.
Диаграмма - удлинение руля
Рис. 4 Зависимость CPR0 от удлинения руля

4 Гидродинамические силы и моменты, действующие на рулевое устройство судна, определяются следующими выражениями:

N=CNRHpρνcp22AR;         Форм. 11

M=CmRHpρνcp22ARbR,         Форм. 12

где:

Величина момента на баллере может регулироваться выбором коэффициента компенсации руля. При назначении коэффициента компенсации чрезмерно большим по сравнению с коэффициентом центра давления рулевое устройство судна получается перебалансированным, при противоположном соотношении коэффициента компенсации и коэффициента центра давления — недобалансированным (рис. 5).

Естественно, удовлетворительный вид зависимости M = f(δR) соответствует промежуточному положению.

При изменении коэффициента компенсации или при необходимости пересчета ГДХ с одного руля на другой однотипный компенсации коэффициент момента определяется по следующей формуле:

CmRHp*=CmRHp+CNRHp(KδRKδR*),         Форм. 13

где:

  • KδR* 

    — измененный коэффициент компенсации.

При расчете по формуле 13 коэффициент нормальной силы

 CNRHp 

считается неизменным.

При рассмотрении вопросов управляемости данные по сопротивлению руля являются второстепенными по сравнению с другими гидродинамическими характеристиками.

Определенную практическую полезность с учетом ходкости имеет информация о сопротивлении непереложенного руля. Для рулей с закругленной передней кромкой и заостренной задней (например, профиль NASA) оно пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением корпуса. Однако для руля с клиновидным профилем указанная величина в 3—4 раза превышает сопротивление непереложенного руля с профилем NASA (рис. 6), что, естественно, должно учитываться в расчетах ходкости.

Пример расчета

Расчет выполняется для круглоскулого судна, размерения и характеристики которого даны в начале статьи; коэффициент компенсации руля KδR = 0,29.

1 Безразмерные ГДХ изолированного руля:

  • производная коэффициента нормальной силы 

    CNRa=CYRa=2,37;
  • коэффициент центра давления

     CPR=KtCPλ

    — по рис. 1, 2 для λ = 1,5 и t = 0,15, Kt = 1,09, результаты расчета CPR приведены в таблице 1.

График зависимости вида балансировки руля
Рис. 5 Зависимость вида CmRHp=f(δR).
1 – перебалансированный руль; 2 – недобалансированный руль; 3 – удовлетворительный вид кривой CmRHp = f(δR)
Таблица 1. Результаты расчета величин нормальной силы и момента на баллере руля
δR°δRCРλCPRCPRHCPRHpCNRHpCmRHpN, кгМ, кГм
0
50,08730,1920,2090,2460,2240,166-0,011108-2,73
100,1740,2040,2220,2590,2370,331-0,0175216-4,34
150,2620,220,240,2770,2550,49-0,0172320-4,27
200,3490,2340,2550,2920,270,665-0,0133434-3,3
250,4360,2580,2810,3180,2960,830,0055421,24
300,5240,2870,3130,340,3280,9980,0386529,4
350,6110,3120,340,3770,3551,1640,075776018,77
400,6980,3480,3790,4160,3941,330,13886834,2
Сопротивление руля от его перекладки
Рис. 6 Зависимость коэффициента сопротивления руля CxR от угла перекладки руля.
1 – профиль NASA; 2 – клиновидный профиль

2 Безразмерные ГДХ руля с учетом влияния корпуса:

  • коэффициент KH — по рис. 3 для δ = 0,65;
  • KH = 1,08;
  • производная коэффициента нормальной силы

     CNRHa=KHCNRa=2,56;
  • поправка

     CPH 

    — по рис. 3 для δ = 0,65

     CPH=0,037;
  • коэффициент центра давления

     CPRH=CPR+CPH;
  • результаты расчета приведены в таблице 1.

3 Безразмерные ГДХ руля с учетом влияния гребного винта и корпуса:

  • коэффициент индукции Kи = 0,256;
  • производная коэффициента нормальной силы 

    CNRHpa=CNRHa(1KИ)=1,905;
  • производная коэффициента подъемной силы с учетом влияния ГВ 

    CYRpa=1,763 

    ;

График зависимостей
Рис. 7 Зависимости коэффициентов нормальной силы и момента на баллере от угла перекладки руля

эффективное удлинение

λэ=2CYRpa1,76πCYRpa=0,936;

  • коэффициенты CPR и CPR0 — по рис. 4 для λэ = 0,936 и λ = 1,5;
  • CPR = 0,18;
  • CPR0 = 0,202;
  • ΔСPR = CPRCPR0 = 0,022;
  • коэффициент центра давления CPRHp = CPRH+ΔСPR; результаты расчета приведены в таблице 1 и на рис. 7;
  • коэффициент нормальной силы 

    CNRHp=CNRpaδR; 

    результаты расчета приведены в таблице 1 и на рис. 7;

  • коэффициент момента CmRHp = CNRHp(CPRHpKδR); результаты расчета приведены в таблице 1 и на рис. 7.
Зависимости силы от перекладки руля
Рис. 8 Зависимости нормальной силы и момента на баллере

4 Гидродинамические силы и моменты, действующие на рулевое устройство судна:

средняя скорость обтекания руля νср = 7,7 м/с:

нормальная сила:

N=CNRHpρνcp22AR=653CNRHp;

результаты расчета приведены в таблице 1 и на рис. 8;

момент на баллере:

M=CmRHpρνcp22ARbR=248CmRHp;

(bR = 0,38 м) — результаты расчета приведены в таблице 1 и на рис. 8.

Читайте также: Способы расчета управляемости малотоннажного судна

Таким образом, из результатов расчета следует, что при максимальной скорости переднего хода 20 км/ч на руле, переложенном на максимальный угол перекладки (35°), возникают следующие гидродинамические усилия:

  • нормальная сила — 760 кг;
  • момент на баллере ~ 18,8 кг·м.
Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Декабрь, 10, 2020 1391 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...