1.8. Силы и моменты средств управления МПО

Средства управления обеспечивают поступательное движение МПО в заданном направлении при поддержании в определенных пределах его кинематических параметров. К ним прежде всего относят главные движители, которые сообщают МПО линейную скорость перемещения центра масс. Управление направлением движения достигается с помощью гидродинамических, а на экранопланах и судах на воздушной подушке аэродинамических вертикальных рулей, подруливающих устройств или движительно-рулевых колонок. На подводных аппаратах для стабилизации крена и дифферента используют горизонтальные гидродинамические рули, элероны, закрылки.

При работе средств управления возможны и некоторые побочные явления. Так, движитель помимо силы тяги создает дифферентующий момент. Гидродинамические рули образуют поворачивающий момент на корпусе относительно вертикальной оси и одновременно дополнительное сопротивление в продольном направлении, а также боковую силу, создающую неконтролируемый снос корабля. При анализе сил и моментов средств управления рассматривают главные управляющие силовые воздействия и сопутствующие им возмущающие факторы.

Наиболее распространенным типом движителя МПО является гребной винт, упор или сила тяги которого создается за счет реакции воды, отбрасываемой при его вращении лопастями. Форма лопастей образована винтовыми поверхностями. МПО, которые не имеют непосредственного контакта с водой — суда на воздушной подушке, снабжают воздушными винтами, а экранопланы — турбореактивными двигателями. На некоторых судах устанавливают винты регулируемого шага (ВРШ), у которых изменяется положение лопастей и таким образом обеспечивается регулирование силы тяги. Для быстроходных подводных аппаратов используют соосные гребные винты противоположного вращения, благодаря чему достигается взаимная компенсация кренящих моментов, сопутствующих работе винтов.

Помимо винтов на судах встречаются крыльчатые движители, гребные колеса, водометные движители. Однако широкого распространения эти устройства не получили.

Высокая эффективность, простота конструкции и передачи мощности от двигателя, низкая стоимость изготовления, надежность эксплуатации делают гребной винт одним из самых экономичных судовых движителей.

Сила тяги гребного винта вдоль оси вала опеделяется формулой [14]

где - частота вращения и диаметр винта; - коэффициент упора, который определяется конструктивными особенностями и шагом винта , а также углом направления потока жидкости относительно оси винта .

Гребные винты позволяют изменять скорость МПО в широких пределах, обеспечивают простоту управления при высоком коэффициенте полезного действия. Как следует из (1.41), изменение силы тяги винта, а значит и скорости МПО, возможно за счет вариации частоты вращения винта или коэффициента упора. В первом случае управление скоростью хода МПО достигается изменением частоты вращения вала главного двигателя, а во втором поворотом лопастей гребного винта, т. е. установкой разного шага винта в при неизменной скорости вращения главного двигателя.

При проектировании МПО, строительстве корпуса, монтаже движителей и механизмов главной энергетической установки достигается параллельность силы тяги продольной оси МПО. Поэтому проекция упора движителей на продольную ось связанной координатной системы совпадает с величиной тяги при одновальной движительной установке или образуется суммой тяг каждого винта многовальной установки

но при этом проекции силы тяги на вертикальную и поперечную оси равны нулю: .

В подавляющем большинстве случаев движущая сила винта не проходит через начало связанной системы координат и поэтому на корпусе судна появляются дополнительные моменты.

Кренящий момент возникает из-за сопротивления жидкости вращению винта (рис. 1.11, а). Величину момента определяют [14] выражением , которое характеризует

Рис. 1.11. Кренящий (а) поворотный (б) и дифферентующий (в) моменты при работе движителей

кренящий момент для МПО с одним винтом. При многовинтовой схеме движительной установки кренящие моменты каждого винта складывают, если они вращаются в одну сторону, и вычитают при противоположном направлении вращения.

Для больших водоизмещающих судов относительное значение кренящего момента винтов невелико, так как частота вращения их гребных валов мала, а корпуса характеризуются высокой остойчивостью. Но эти моменты могут быть значительными при высокооборотных дви- жительных установках, устанавливаемых на судах на воздушной подушке и некоторых подводных аппаратах. На этих МПО вдоль одной оси вала располагают два соосных винта с противоположным вращением и разным направлением разворота лопастей. Этим достигается одинаковое направление сил тяги винтов и взаимная компенсация кренящих моментов.

Аналогичным способом компенсируют кренящий момент при двух- вальных движительных установках с противоположным вращением винтов.

Поворотный момент (момент рыскания) возникает на корпусе корабля с двумя гребными валами, при разной силе тяги каждого из винтов. Использовав обозначения рис. 1.11, б, запишем

Раздельное управление каждым винтом позволяет изменять направление движения и осуществлять поворот судна даже при отсутствии хода.

Возникновение дифферентующего момента иллюстрируется рис. 1.11, в, а его величина

где - ордината приложения силы тяги и связанных осях, определяемая величиной смещения линии вала относительно плоскости палубы корабля.

У большинства МПО линия вала проходит ниже центра масс . Возникающий при этом положительный момент создает дифферент на корму, что повышает устойчивость движения. Но суда на воздушной подушке и экранопланы имеют движители, расположенные выше центра масс которые создают дифферент на нос. Чтобы скомпенсировать отрицательный момент движителя требуется предварительная балансировка корабля. Но при этом возможно появление отрицательного дифферента по мере увеличения скорости хода. Устойчивость движения снижается, а в неблагоприятных погодных условиях (интенсивное волнение моря, сильный боковой ветер) возможна аварийная ситуация, связанная с замывом носовой части судна. Для предотвращения аварии МПО этого типа должны располагать техническими средствами текущей балансировки, а также, снижать силу тяги и скорость хода.

Применяемые в настоящее время средства управления направлением движения многообразны. Наибольшее распространение получили гидродинамические

рули, поворотные кольцевые насадки на гребные винты, подруливающие устройства и поворотные винтовые движительно-рулевые колонки. Гидродинамические рули и поворотные кольцевые насадки на гребных винтах эффективны лишь при интенсивной работе главных движителей, их применяют на МПО, обладающих значительными скоростями перемещения. МПО, которые в рабочем режиме имеют предельно малые скорости, снабжают поворотными винтовыми колонками.

На рис. 1.12 схематически изображен руль направления надводного судна. Он представляет собой крыло симметричного профиля 1, которое поворачивается вокруг баллера 2 и располагается в потоке воды за кормой судна. Для увеличения эффективности руля его размещают в струе гребных винтов.

Действие руля основано на том, что при его повороте из нейтрального положения на поверхности крыла возникает гидродинамическая сила. Так как она не проходит через начало связанной системы координат, то возникает момент относительно вертикальной оси .

Величину гидродинамической силы вертикального руля определяют из выражения

где - скорость потока воды у поверхности руля, которая отличается от скорости потока относительно корпуса судна на величину скорости струи от винтов; - площадь руля; - безразмерный коэффициент гидродинамической силы на руле, который нелинейным образом зависит от угла перекладки руля угла дрейфа и угловой скорости корабля . Эта сила приложена к определенной точке на поверхности руля и по отношению к ней направлена нормально (рис. 1.13). Точку приложения силы можно переместить на баллер и через него связать с корпусом корабля, но в соответствии с законами статической механики необходимо дополнительно учесть момент силы относительно баллера

Рис. 1.12. Руль надводного судна

Рис. 1.13. Гидродинамическая сила руля на корпусе МПО

который образует сопротивление для привода рулевого устройства.

Гидродинамическая сила руля, приведенная к корпусу МПО, образует на связанных осях проекции

где - скоростной напор на руле, , - коэффициенты продольной и поперечной составляющих гидродинамической силы на руле. Первая из них располагается вдоль продольной оси и создает дополнительное сопротивление движению. Поэтому интенсивная работа руля приводит к дополнительному расходу топлива в главной энергетической установке корабля и снижает среднюю скорость хода.

Поперечная составляющая гидродинамической силы на руле смещена по отношению к центру масс на расстояние и поэтому образует момент относительно вертикальной оси

где - длина корпуса МПО; - коэффициент гидродинамического момента руля.

Нетрудно убедиться, что величина момента обращается в ноль, когда руль располагается в диаметральной плоскости корабля или нормально к ней . Максимум момента в зависимости от конструктивных особенностей руля лежит при углах перекладки Поэтому угол поворота пера ограничивают величиной на каждый борт для гидродинамических и для аэродинамических рулей.

Составляющие силы на руле и смещены по отношению к центру масс по вертикали на величину . У МПО, не имеющих контакта с водой, рули располагают выше плоскости палубы . Рули водоизмещающих судов располагаются ниже центра масс . Поэтому гидроаэродинамические силы на рулях создают моменты относительно осей и у связанной системы координат. Продольная составляющая образует дополнительный дифферентующий момент кренящий момент . Первый момент мал и не оказывает заметного влияния на килевую качку МПО. Но влияние работы вертикального руля на бортовую качку оказывается существенным, особенно у малых судов.

Именно наличие момента на корпусе обеспечивает управляемый поворот, изменение курса корабля и стабилизацию угла рыскания. Однако сама боковая сила , создавая полезный управляющий момент, в то же время вызывает дополнительный отрицательный эффект: появляется поперечная скорость поступательного движения

центра масс и неконтролируемый боковой снос корабля, увеличивается угол дрейфа. Это удлиняет действительный путь корабля, снижает среднюю скорость движения, приводит к перерасходу топлива.

Кроме гидродинамических рулей для управления движением судов используют средства активного управления: подруливающие устройства (ПУ) и поворотные вспомогательные движительно-рулевые колонки (ВДРК). Их работа не требует включения главных двигателей, поскольку они оборудуются собственными электроприводами. Средства активного управления предназначены для управления МПО на предельно малых ходах и без хода, когда крайне мала или вообще отсутствует гидродинамическая сила обычного пассивного вертикального руля. Подруливающие устройства создают поперечную движущую силу, ориентация которой относительно корпуса МПО неизменна, а изменяется лишь ее величина и знак. Ориентация силы тяги поворотных движительно-рулевых колонок, величина и знак упора винтов могут изменяться в широких пределах, чем достигается большая гибкость управления.

Подруливающее устройство представляет собой движитель, размещенный в поперечном канале подводной части корпуса судна (рис. 1.14) в носовой и (или) кормовой частях. При наличии носового и кормового подруливающих устройств результирующая боковая сила на корпусе и поворотный момент относительно вертикальной оси образуются положением каждого из них

Сила тяги подруливающих устройств определяется выражением (1.41) для упора винта. Управление тягой осуществляется изменением частоты вращения вала или шага винта, причем соответствующим поворотом лопастей можно изменять направление тяги рулевого борта (положительное направление) на правый (отрицательная тяга). Управление подруливающими устройствами раздельное. Это позволяет создавать самые различные сочетания боковой силы и поворотного момента, изменять характер бокового перемещения и разворота судна. Наиболее интересны случаи создания чистой боковой силы, когда моменты ПУ взаимно компенсируются , а также образование чистого момента в результате равенства и тяг каждого из ПУ . В первом случае реализауется боковое смещение корабля (без разворота) или парирование боковых сил внешних возмущений; во-втором поворот судна без сноса.

Рис. 1.14. Схема подруливающих устройств

Рис. 1.15. Выносная движительно-рулевая колонка

Рис. 1.16. Силы и момент системы ВДРК

Рис. 1.17. Силы на горизонтальном крыле.

Такое управление выгодно отличается от использования обычного вертикального руля, потому что не приводит к побочным отрицательным факторам. Таким образом реализуется принцип наиболее благоприятного развязанного управления движением, при котором раздельная работа каждого из средств управления оказывает влияние на кинематические параметры, принадлежащие только одной из степеней свободы твердого тела. К сожалению, реализация этого принципа наталкивается на сложности технического исполнения. Сами подруливающие устройства достаточно сложны в изготовлении, не технологичны, дорого стоят и занимают полезное пространство внутри корпуса корабля. Поэтому их используют главным образом на судах, специально предназначенных для выполнения исследований на шельфе и в Океане, на буровых судах и судах для добычи полезных ископаемых, работа которых требует динамического позиционирования или динамической стабилизации в определенной зоне акватории. Сравнительно небольшое число транспортных судов имеют подруливающие устройства для повышения управляемости и маневренности, причем, как правило, на них устанавливают одно кормовое ПУ.

На судах, которые по условиям эксплуатации должны длительное время находиться в определенной точке открытого моря, наряду с подруливающими устройствами, широко применяют поворотные движительно-рулевые колонки. ВДРК (рис. 1.15) предсталяют собой винты, помещенные в кольцевую насадку и вынесенные за пределы корпуса на консоли. Вращение винтов поворотных рулевых колонок обеспечивается электродвигателями. В отличие от подруливающих устройств, они могут создавать продольную и боковую движущие силы и вращающий момент (рис. 1.16). Регулирование частоты вращения винта, изменение шага и направления силы тяги в сочетании с произвольным числом поворачивающихся колонок позволяют использовать ВДРК в самых разнообразных режимах управления судном. Современные поворотные винтовые колонки (трастеры) изготовляют мощностью от 500 до 4500 кВт, их можно использовать не только как средства управления, но и в качестве главных движителей.

Подруливающие устройства и поворотные рулевые колонки обладают общим свойством - создавать движущую силу при отсутствии хода судна.

Рис. 1.18. Горизонтальный руль (1) с закрылком (2): 3 - ось закрылка; 4 - рулевая тяга; 5 - стойка

Поэтому их объединяют термином средства активного управления. Эффективность этих средств управления зависит от соотношения сил тяги и гидродинамических сил на корпусе. Их управляющие усилия снижаются по мере увеличения скорости хода судна относительно воды [14]. Это свойство ограничивает использование средств активного управления режимом позиционирования судна в заданной точке и движением с предельно малой скоростью хода.

На некоторых типах МПО используют гидродинамические и аэродинамические рули, расположенные в горизонтальной плоскости. Силовые и моментные характеристики горизонтальных и вертикальных рулей подобны, но ориентация сил и моментов у них разная. Горизонтальный руль (крыло) в кормовой части корабля создает (рис. 1.17) продольную силу сопротивления движению, вертикальную силу и дифферентующий момент, которые рассчитывают по формулам, аналогичным (1.43), (1.44):

Рис. 1.19. Подъемная сила на на подводных крыльях

Рис. 1.20. Кренящий момент элеронов

где - скоростной напор потока среды на горизонтальном руле; - соответствующие коэффициенты гидроаэродинамических сил и момента на крыле, которые зависят от его ориентации в потоке, определяемой углами наклона крыла и углом атаки , а также от угловой скорости .

Горизонтальные рули используют для создания управляемого дифферента. Этой цели может служить неподвижное кормовое крыло. Так как с увеличением скорости хода растет и повышается дифферент на корму, то увеличивается устойчивость движения. Эффект управления дифферентом усиливается, если используется поворотное горизонтальное крыло. В некоторых схемах оперения МПО передняя часть горизонтального крыла неподвижна, а задняя (закрылок) поворачивается (рис. 1.18).

В судах на подводных крыльях используют горизонтальные рули в носовой и кормовой частях корпуса для создания подъемной силы, компенсирующей вес корабля (рис. 1.19).

С помощью разрезных горизонтальных рулей (элеронов) можно управлять креном МПО. Несвязанные части крыла левого и правого бортов поворачивают в разные стороны (рис. 1.20). Возникающие при этом разнонаправленные вертикальные силы создают кренящий момент относительно продольной оси. Элероны используют на некоторых типах подводных аппаратов для стабилизации крена.