Маневровые качества судов

Устойчивость на курсе

К основным маневренным качествам судна относятся: ходкость, циркуляция и управляемость. Для уверенного, а правильного управления маломерным судном судоводителю необходимо знать эти качества, другие маневренные элементы и факторы, влияющие на управляемость судна.

Ходкость - это способность судна двигаться с определенной скоростью при заданной мощности двигателя, преодолевая при этом силы сопротивления движению.

На ходкость судна влияют четыре вида сопротивления:

• cопротивление трения – зависит от площади смоченной поверхности судна, от качества ее обработки и степени обрастания;
• сопротивление формы - зависит от обтекаемости корпуса судна, которая и свою тем лучше чем острее кормовая оконечность и чем больше длинна судна по сравнению с шириной;
• волновое сопротивление - зависит от формы носовой оконечности и длины судна, чем длиннее судо тем меньше волнообразование;
• брызговое сопротивление - зависит от отношения ширины корпуса к его длине.

Вывод:

1. Наименьшее сопротивление воды испытывают водоизмещающие судна узким корпусом, круглоскулыми обводами и заостренными носовыми и кормовыми оконечностями.
2. У глиссирующих судов, при отсутствии волнения, широкий плоскодонный корпус с т ранцевой кормой обеспечивает наименьшее сопротивление воды при наибольшей гидродинамической подъемной силе.

Более мореходны глиссирующие суда с килеватым или полукилеватым корпусом. Повышение скорости этих судов достигается продольными реданами и скуловыми брызгоотбойниками.

Циркуляцией судна называется кривая, которую описывает центр тяжести судна за время его поворота на 360^о с переложенным на борт рулем (рис.1). Эта кривая близка к окружности, а диаметр служит мерой поворотливости судна.

Рис.1. Циркуляция

У маломерных судов диаметр циркуляции составляет, как правило, две - три длины корпуса. Скорость судна на циркуляции уменьшается до 30%. Кроме диаметра циркуляции следует знать и ее время, т.е. время, за которое судно сделает поворот 360^о.

Названные элементы циркуляции зависят от водоизмещения судна и характера размещения груза по его длине, а также от скорости хода. На малой скорости диаметр циркуляции меньше.

Рассмотрим порядок определения элементов циркуляции катера (рис. 2).

Рис.2. Определение элементов циркуляции

Катер на заданном ходу пересекает под прямым углом (90^о) створ АА₁. В момент пересечения створа руль перекладывается право на борт, включается секундомер и секстаном измеряется горизонтальный угол а между створом и знаком Б. При повороте катера на 180^о и пересечении им створа АА₁ на обратном курсе останавливается секундомер и измеряется угол.

Показания секундомера будут соответствовать времени так называемой неустановившейся циркуляции, т.е. поворота катера на 180^о.

Для определения диаметра циркуляции берется крупномасштабная карта (план), отложив на которой измеренные углы наносятся точка М₁ и точка М₂. Расстояние между этими точками есть диаметр циркуляции.

С достаточной точностью диаметр циркуляции можно определить и без измерения углов секстаном. Для этого в моменты пересечения створа АА₁ за борт бросаются легкие вехи или буйки, а затем при помощи линя измеряется расстояние между ними. Это расстояние и принимается за диаметр циркуляции.

Управляемость - это способность судна удерживать на ходу заданное направление движения- при неизменном положении руля (устойчивость на курсе) и изменять на ходу направление своего движения под действием руля.

Понятие «устойчивость на курсе» и «поворотливость” являются противоречивыми, однако эти качества присущи практически всем судам и характеризуют управляемость.

Действие руля на переднем ходу

На переднем ходу при выключенном двигателе и прямом положении руля встречные струи воды обтекают корпус и руль симметрично, не вызывая сил, уклоняющих нос или корму судна (рис. 3).

Рис.3. Руль «прямо»

При отклонении же руля на некоторый угол вправо (рис. 4) на него начинают давить встречные струи с силой F, а с левой стороны руля образуется разряженное пространство.

Рис.4. Руль «вправо»

Сила F является равнодействующей сил F₁ и F₂. При этом сила F₂ действует в противоположенном направлении движению катера и следовательно уменьшает его скорость, а сила F₁ отбрасывает руль с кормой мой влево, тем самым обеспечивается поворот носа катера вправо. На этом примере делается вывод: нос катера на переднем ходу покатится в ту сторону, в какую положен руль.

Действие руля на заднем ходу

На заднем ходу при выключенном двигателе и прямом положении руля сил, уклоняющих корму не появляется. Поэтому катер будет двигаться без изменения направления (рис. 5).

Рис.5. Руль «прямо»

Если руль положить вправо, то встречные струи воды начнут давить на его левую сторону с кой – то силой F перпендикулярно рулю (рис. 6).

Рис.6. Руль «вправо»

Действие работы винта на переднем ходу

При работающем винте, отбрасываемая им струя воды оказывает определенное действие на корпус судна и перо руля, тем самым влияя на устойчивость на курсе и поворотливость судна. Частицы воды при этом движутся не по прямой линии, а образуют вихревой поток в виде спирали. Рассмотрим как работающий винт правого вращения с четырьмя лопастями влияет на устойчивость судна (рис. 7).

Рис.7. Силы набрасываемой струи

Лопасть 1 винта при движении по часовой стрелке сверху вниз бросает воду с силой F₁ которая направлена вниз и никакого влияния на смещение кормы в сторону не оказывает. Лопасть 2 бросает воду с силой F₂ на нижнюю часть пера руля и стремиться отклонить корму влево Сила F₃ при движении лопасти 3 снизу вверх направлена вверх и на отклонение кормы в сторону не влияет. Лопасть 4 при движении слева направо бросает воду с силой F₄ на верхнюю часть пера руля. Эта сила стремится отклонить корму вправо. Таким образом на перо руля действуют две противоположно направленные сипы F₂ и F₄ Учитывая, что в нижней части руля гидростатическое давление всегда больше, чем в верхней, то сила F₂ превышает силу F₄ и уклоняет корму влево.

Вывод: при вращении винта из-за набрасывания воды на руль возникает ряд сил, которые при своем взаимодействии образуют только одну силу набрасываемой струи F₁ давление которой на руль стремится сместить корму судна влево и изменить его курс вправо.

При аналогичном рассмотрении примера с винтом левого вращения вывод будет противоположным, т.е. сила набрасываемой струи F стремится уклонить корму вправо, а курс судна изменить влево. Лопасти вращающегося винта встречают сопротивление воды, которое называется силой реакции (рис. 8).

Рис.8. Силы реакции

Движению лопасти 1 противодействует сила реакции R₁, которая стремится столкнуть лопасть, а вместе с ней и корму судна влево. Сила R₂ стремится оттолкнуть лопасть 2 вверх, а следовательно, и поднять корму. Движению лопасти З противодействует сила реакции R₃, направленная слева направо и стремящаяся оттолкнуть лопасть, а вместе с ней и корму вправо. Сила реакции R₄ направлена вниз и стремится осадить корму.

Таким образом, силы реакции R₂ и R₄ на отклонение кормы в какую-либо сторону влияния не оказывают, но они являются причиной дрожания кормы, которая хорошо наблюдается на быстроходных катерах.

В то же время силы R₁ и R₃ оказывают действие на корму, стремясь ее отклонить в противоположных направлениях.

В связи с тем, что сила R₃ действует в более плотной среде больше силы R₁. Сложив эти две силы получается одна результатирующая сила реакции R, вращении винта будет стремиться уклонять корму катера вправо, а нос разворачивать влево.

В случае, если на катере установленный винт левого вращения, то сила реакции R будет уклонять корму влево, а нос разворачивать вправо.

Корме сил набрасываемой струи и реакции при движении катера вперед возникает еще и сила попутного потока.На переднем ходу катер своим корпусом вытесняет воду, образуя за кормой разряженное пространство. Вытесненная корпусом вода, обтекая борта, устремляется в то пространство и заполняет его. Поскольку этот процесс во время движения идет непрерывно, то с кормы катера образуется и действует попутный поток воды, называемый попутным следом. Этот поток оказывает непрерывное давление на кормовые обводы судна и на лопасти винта. Максимальную величину сила потока имеет на поверхности воды, а на глубине уровня киля исчезает полностью.

Давление потока на кормовые обводы распределяется равномерно и практически никакого влияния на отклонение кормы не оказывает. Этого нельзя сказать о давлении силы потока на лопасти винта. Попутный поток с наибольшей силой Н давит на лопасть, которая находится при вращении винта в крайнем верхнем положении (рис. 9).

Рис.9. Действие силы попутного потока

Разложив эту силу на составляющие, получается, что сила h по своей величии значительно больше силы i и расположена перпендикулярно к лопасти. Эта сила h и будет уклонять корму в влево, а нос вправо. При винте левого вращения на переднем ходу сила попутного потока h будет стремиться уклонить корму вправо, а нос судна влево. Сила попутного потока при движении судна оказывает свое действие и тогда, когда винт не вращается.

Рассмотренные примеры позволяют сделать заключение, что на устойчивость судна, имеющего передний ход руль а положении прямо, влияют три силы (рис. 10):

• сила набрасываемой струи F;
• сила реакции R;
• сила попутного потока h

Рис.10. Действие сил на корму судна

Вывод:

1. На установившемся переднем ходу моторного судна, имеющего один винт правого вращения и руль в диаметральной плоскости, нос судна стремится уклоняться вправо. Чтобы удержать судно на курсе необходимо переложить руль на несколько градусов влево.
2. При винте левого вращения на переднем ходу с рулем в положении "прямо" нос судна будет уклоняться влево.

Влияние работы винта на заднем ходу

Рассмотрение этого вопроса производится для моторного судна (катера) с четырех лопастным винтом правого шага с установившимся задним ходом и с положением руля “прямо”. При атом на заднем ходу винт вращается против часовой стрелки.

На заднем ходу движение воды происходит также как и на переднем по спирали, но отбрасывается она теперь не на руль, а под корму катера (рис. 11).

Рис.11. Силы набрасываемой струи на заднем ходу

Рассмотрев действие сил реакции на заднем ходу по аналогии с ранее рассмотренным случаем их действия на переднем ходу, делается заключение, что результирующая сила реакции R уклоняет корму влево (рис.12).

Рис.12. Силы реакции на заднем ходу

При движении судна на заднем ходу, вне зависимости вращается винт или нет, возникает сила сопротивления встречной воды корпусу (N). Кроме того, при вращении винта, последний “засасывает воду” за кормой, вызывая тем самым течение воды навстречу движению корпуса судна (рис. 13), что приводит к возникновению еще одной силы всасываемой струи М.

Рис.13. Сила сопротивления и сила всасываемой струи

Эти две силы в данном случае при нахождении руля в положении “прямо” никакого действия на уклонение кормы не оказывают.

• сила набрасываемой струи F;
• сила реакции R;
• сила сопротивления встречной воды N;
• сила всасываемой струи М

Рис.14. Сила действующие на заднем ходу

Вывод:

1. На установившемся заднем ходу судно, имеющее один винт правого вращения и руль в положении “прямо’, уклоняется кормой влево, а носом вправо.
2. При тех же условиях, но с винтом левого шага корма уклоняется вправо, а нос судна влево.

Поворотливость судна

Поворотливость на переднем ходу

При перекладке руля, например вправо, на установившемся переднем ходу с винтом правого вращения на руль помимо силы встречного потока F, действует и сила воды, отбрасываемой винтом назад, давление которой в 1.3 - 1,7 раз больше давления F. Эта сила называется силой винтовой отработки Q (рис. 15), резко увеличивающей эффективность действия руля, т.е. поворотливость судна.

Рис.15. Силы встречного потока и винтовой отработки

Для винта правого шага действие силы винтовой отработки значительно больше при руле, положенном направо, а для винта левого шага - на левый борт.

Вывод:

1. На переднем ходу при винте правого вращении судно поворачивается лучше вправо и хуже влево, а при винте левого вращения - лучше влево и хуже вправо.
2. Для судна с винтом правого вращения диаметр циркуляции вправо будет меньше диаметра циркуляции влево.

Поворотливость на заднем ходу

При положении руля "прямо" на заднем ходу корма под действием сил набрасываемой ст и реакции отклоняется влево. Если переложить руль влево, то на него начнут действовать силы сопротивления встречной N и всасываемой струи М в том же направлении, что и ранее действовавшие силы F и R (рис 16).

Рис.16. Силы, действующие на заднем ходу. Руль "лево"

Рис.17. ССилы, действующие на заднем ходу. Руль "право"

Вывод: На заднем ходу при винте правого вращения судно лучше поворачивается кормой влево и хуже вправо, а при винте левого вращения - лучше кормой вправо и хуже влево.

Особенности действия сил в начальный период вращения винта

Если стоящему судну, имеющему один винт и руль в положении "прямо", дать передний ход. то в первые секунды корма будет уклоняться в сторону вращения винта. Но как только судно начнет движение это уклонение сначала прекратится, а потом корма пойдет в другую сторону. Это явление объясняется тем, что до начала движения судна вперед, работающий винт тянет корму в сторону своего вращения за счет действия силы реакции R.

Как только начнется поступательное движение судна вперед, на руль оказывает большее действие сила набрасываемой струи F. При даче стоящему судну заднего хода, в начальный момент корма будет уклоняться в противоположную сторону вращения (шага) винта.

Вывод:

1. Для удержания одновинтового судна на прямом курсе в момент включения реверса (дачи переднего хода) судоводитель должен переложить руль на определенный угол в сторону вращения винта:
• при винте правого вращения - руль вправо;
• при винте левого вращения - руль влево.
2. Для удержания судна на курсе при даче заднего хода руль следует переложить несколько на борт, противоположный вращению винта на задний ход: при винте правого вращения - руль вправо; при винте левого вращения - руль влево.
3. Для удержания судна на курсе при начале его поступательного движения после дачи хода руль на непродолжительное время одерживается (перекладывается на некоторый угол в нужную сторону), а затем устанавливается в положение «прямо».

Особенности управляемости судна при переходе с переднего хода на задний

При проведении швартовых операций или необходимости срочно остановить судно (опасность столкновения, предотвращение посадки на мель, оказание помощи человеку за бортом и др.) приходится переходить с переднего хода на задний. В этих случаях судоводитель должен учитывать, что в первые секунды при перемене работы винта правого вращения с переднего хода на задний, корма стремительно покатится влево, при винте левого вращения - вправо.

Причины, влияющие на управляемость

Кроме руля и вращающегося винта на устойчивость и поворотливость судна влияют и другие причины, а также целый ряд конструктивных особенностей судна: отношения главных размерений. формы обводов корпуса, параметров руля и винта. Управляемость зависит и от условий плавания: характера загрузки судна, гидрометеорологических факторов.