Движение судна при переложенном руле. Циркуляция

Траектория движения судна, с переложенным рулем называется циркуляцией.

За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными. Процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период - маневренный, продолжается в течение времени перекладки руля и длиться не более 15-20с.

Второй период - эволюционный, начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения.

Третий период - установившийся, начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в пе­реложенном положении.

Переложенный на угол Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №1 - открытая онлайн библиотека руль, как и всякое крыло, развивает подъемную силу - боковую силу руля РУ.(слайд 3)

Для получения наглядного представления о воздействии силы на корпус судна приложим в его ЦТ две силы, равные по модулю силе РУ и направленные в противоположные стороны, как это показано на рис. 1.3. Эти две силы взаимно компенсируются, т. е, не оказывают влияния на корпус судна, но их совместное рассмотрение с боковой силон руля РУ позволяет понять, что корпус судна одновременно ис­пытывает поперечную силу РУ, приложенную в центре тяжести G, и момент боковой силы руля МР относительно вертикальной оси Z, про­ходящей через ЦТ.

Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №2 - открытая онлайн библиотека

Рисунок 1.3. Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начале циркуляции.

В первый период после начала циркуляции под влиянием попереч­ной силы Ру ЦТ судна приобретает боковое перемещение во внеш­нюю сторону циркуляции - обратное смещение. Возникает угол дрей­фа α, а значит и поперечная гидродинамическая сила на корпусе Rу, направленная внутрь циркуляции. Ее точка приложения в соответствии со свойствами крыла смещена в нос от ЦБС (центр бокового сопротивления), положение которого при отсутствии большого дифферента можно считать совпадающим с ЦТ судна. Момент силы Ry-MR в этом первоначальном периоде циркуля­ции имеет тот же знак, что и момент руля Мр, поэтому появляется и начинает быстро возрастать угловая скорость.

В дальнейшем под влиянием поперечной силы Ry траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т. е. радиус циркуляции, который в начале стремился к бесконечности, на­чинает уменьшаться.

Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №3 - открытая онлайн библиотека

Рисунок 1.4. Движение судна под влиянием переложенного руля.

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом RG каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра циркуляции О свою траекторию, радиус кривизны которой отличает­ся от RG (рис. 1.4). При этом каждая такая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. В нос от ЦТ углы дрейфа соответственно уменьшаются.

Если из центра циркуляции О опустить перпендикуляр на ДП, то в полученной точке ПП угол дрейфа равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота (ПП).

Полюс поворота при циркуляции для большинства судов распо­лагается вблизи носовой оконечности на расстоянии примерно 0,4 дли­ны судна от ЦТ, принимаемого на мидель-шпангоуте.

Угол дрейфа ЦТ судна на циркуляции определим по формуле:

Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №4 - открытая онлайн библиотека или приближенно Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №5 - открытая онлайн библиотека (1.1)

где Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №6 - открытая онлайн библиотека - расстояние до ПП от центра тяжести.

Для произвольной по длине судна точки α угол дрейфа: Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №7 - открытая онлайн библиотека

Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №8 - открытая онлайн библиотека (1.2)

где Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №9 - открытая онлайн библиотека - расстояние точки Q от ЦТ (в нос знак (-), в корму (+)). (слайд 4)

На небольшом участке корпуса от ПП до носового перпендикуля­ра поток воды набегает на корпус со стороны внутреннего борта, по­этому углы дрейфа на этом участке имеют знак, противоположный уг­лам дрейфа на участке от ПП до кормового перпендикуляра, на кото­ром поток воды набегает со стороны внешнего борта.

Под углом дрейфа на циркуляции подразумевается угол дрейфа ЦТ судна

На судах, имеющих крутую цир­куляцию, угол дрейфа может дости­гать 20° и более.

Как уже отмечалось, поперечная сила пропорциональна уг­лу атаки, а так как углы дрейфа воз­растают по длине корпуса в сторону кормы, то точка приложения попереч­ной гидродинамической силы Rу, т. е. равнодействующей элементарных по­перечных сил, распределенных по кор­пусу, по мере искривления траектории смещается в сторону кормы, а момент силы МR, постепенно уменьшаясь, в конце концов меняет знак н начинает действовать противоположно моменту руля Мр, т. е. становится демпфирую­щим.

Рост угловой скорости при этом замедляется, а когда моменты Мр и Мв становятся равными по абсолютной величине, угловая скорость стре­мится к установившемуся значению Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №10 - открытая онлайн библиотека .

При движении по криволинейной траектории возникает центро­бежная сила Рц, приложенная к ЦТ судна и направленная по радиу­су циркуляции во внешнюю сторону. Благодаря наличию угла дрейфа эта сила имеет продольную Рux и поперечную Рuу составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила РХ) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к не­которому установившемуся значению Vуст.

Чем лучше поворотливость судна, т. е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем, на крупнотоннажных морских судах во время циркуляции с рулем на борту при повороте на 90° скорость снижается приблизи­тельно на 1/3. а при повороте на 180° - вдвое.

При небольших углах перекладки руля снижение скорости на цир­куляции невелико.

Наиболее типичная траектория судна на циркуляции с рулем, пе­реложенным на борт, показана на рис. 1.5.(слайд 5)

Движение судна при переложенном руле. Циркуляция - №11 - открытая онлайн библиотека

Рис. 1.5. Элементы циркуляции.

Геометрически траектория характеризуется следующими элемен­тами циркуляции:

выдвиг l1-расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направ­лении первоначального курса от начальной точки циркуляции до точ­ки, соответствующей изменению курса на 90°;

прямое смещение l2 - расстояние от линии первоначального курса по нормали до ЦТ судна к моменту изменения курса на 90°;

обратное смещение l3 - максимальное смещение ЦТ судна от ли­нии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворо­та, происходящее в начале циркуляции под влиянием боковой силы ру­ля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно не превы­шает ширину судна, а на некоторых судах не наблюдается вовсе);

тактический диаметр циркуляции Dт- расстояние между поло­жениями ДП судна до качала поворота и в момент изменения курса на 180° (обычно Dт колеблется от 4 до 7 длин судна);

диаметр установившейся циркуляции Dуст - расстояние между по­ложениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающих­ся на 180° при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180° от начального курса движение приобретает установившийся характер, а траектория принимает форму, близкую к окружности.

Поскольку при выполнении практических маневров обычно не приходится изменять курс более чем на 180°, можно считать, что все маневры выполняются при неустановившемся движении, т. е. в манев­ренном и эволюционном периодах.

период циркуляции– понимается время, в течение которого судно поворачивает на 360°