Средства и способы улучшения маневренных характеристик судна

Средства активного управления

Для улучшения маневренных характеристик при управлении судном на малых скоро­стях на некоторых судах используются средства активного управления (САУ).

К ним относятся:

крыльчатые движители,

активные рули,

подруливающие устройства,

поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.

 

Крыльчатые движители (КД).

 

Применяются в качестве основного движителя на буксирах, паромах, плавкранах, ры­боловных судах и в виде вспомогательного средства управления на больших пассажирских судах и танкерах.
КД позволяет создавать силу тяги в любом направлении и изменять ее величину. Конструктивно КД представляет собой диск с вертикальной осью вращения, установленный заподлицо с корпусом в днищевой его части, на котором установлены верти­кальные поворотные лопасти (от 4 до 8).
В воде находятся только лопасти, а механизмы вращения диска и поворота лопастей размещены внутри корпуса судна. При вращении диска лопасти поворачиваются таким образом, что перпендикуляры, проведенные из середины лопастей пересекаются в точке N, называемой центром управления.

При движении лопасти возникает подъемная сила R, составляющая которой Р создает силу тяги в направлении движения судна. Силы лобового сопротивления r преодолеваются силовой установкой.

С помощью привода лопастей центр управления N может быть установлен в любой точке внутри окружности, тем самым изменяя направление и величину силы тяги. Переме­щение центра управления вдоль вертикального диаметра изменяет величину силы тяги от “полного хода вперед“- в верхнем положении, через “стоп” - в центре, до “полного хода назад” - в нижнем положении.
Перемещением центра управления в стороны от вертикаль­ного диаметра меняется не только величина, но и направление силы тяги, т.е. производятся повороты судна. Скорость и направление вращения диска КД при этом могут оставаться постоянными.
Таким образом, КД сочетает в себе функции винта и руля и суда, имеющие его в качестве основного движителя не имеют рулевого устройства, а их хорошая поворот­ливость обеспечивается изменением направления силы тяги.
Суда, оснащенные КД обла­дают хорошими тормозными качествами. Время торможения у них значительно меньше, чем у судов с гребными винтами, а длина тормозного пути не превосходит длины корпуса.

К недостаткам КД относятся:

сложность конструкции и его относительно большая масса;

суда, имеющие КД в качестве основного движителя, не приспособлены для плавания в открытом море, т.к. на волнении диск и лопасти подвергаются большим напряжениям;

при плавании во льдах КД требует надежной конструктивной защиты;

увеличивается фактическая осадка судна.

 

 

 

Активные рули (АР).

 

Это рули с установленными на них вспомогательными винтами, расположенными обычно на задней кромке пера руля. Активными рулями оборудовано большое количество транспортных и промысловых судов. АР перекладывается с борта на борт обычной рулевой машиной, но с целью повышения эффективности руля предельные углы его перекладки увеличиваются до 70° - 90°. АР используется на малых скоростях до 5 узлов.
При больших скоростях винт АР отключается и перекладка руля осуществляется в обычных пределах - до 35° на каждый борт. При перекладке АР на нем возникает боковая сила Рру, к которой до­бавляется составляющая силы тяги винта Ру. Чем больше угол перекладки, тем больше величина Ру, достигающая максимума Р при угле перекладки равном 90°.

АР позволяет осуществлять повороты не только на малых скоростях, но и при отсутст­вии хода. При маневрировании на стесненных акваториях винт АР может использоваться в качестве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна.

К недостаткам АР относится усложнение конструкции пера руля и повышение сопро­тивления движению судна при больших скоростях.

 

 

Подруливающие устройства (ПУ)

Необходимость создания эффективных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами. ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном ДП судна независимо от работы главных движите­лей и рулевого устройства.
Подруливающими устройствами оборудованы большое коли­чесво судов самого разного назначения, в том числе практически все суда типа Ро-Ро. В сочетании с винтом и рулем ПУ обеспечивают высокую маневренность судна:возможность разворота на месте при отсутствии хода.

При этом центр вращения располагается позади ЦТ судна на расстоянии примерно равном 0,15 L, где L - длина судна;

отход от причала практически лагом:

 

Руль перекладывается в сторону причала, дается самый малый ход вперед, ПУ включа­ется в сторону от причала. За счет струи от винта, набрасываемой на руль, появляется боко­вая сила руля Рру, которая вместе с силой Рпу отводит судно от причала. Продольная со­ставляюшая скорости Vx за счет инерционности судна в начальный период работы винта будет небольшой по величине;

при движении судна совместная работа винта, руля и ПУ обеспечивает высокую пово­ротливость судна, поскольку сила тяги ПУ может создавать дополнительный момент, способствующий развороту в ту или иную сторону.

 

 

 

Поворотные винтовые колонки (ПВК)

ПВК представляют собой гребной винт, направление тяги которого может изменяться на 360° за счет поворота относительно вертикальной оси. Применяются в качестве главных движителей на судах, к управляемости которых предъявляются особенно высокие требова­ния, но скорость которых невелика (плавкраны, портовые буксиры, пожарные суда).
Как вспомогательное движительно-рулевое устройство ПВК используются на судах, на которых по условиям работы необходимо длительное время удерживаться на месте в открытом море (кабелеукладчики, океанографические суда, плавучие буровые установки и др.). В этом случае ПВК являются подруливающими устройствами навесного типа.

Улучшение маневренных характеристик судна, оснащенного ПВК, достигается за счет возможности изменения силы тяги по направлению и величине.

 

 

Раздельные поворотные насадки (РПН)

Поворотная насадка - это стальное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше чем выходного. Гребной винт распола­гается в наиболее узком ее сечении.
Поэтому увеличивается скорость протекания жидкости через сечение винта и, следовательно, повышается его КПД. Поворотная насадка устанавли­вается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль, причем в этом качестве насадка имеет большую эффективность, чем обычный руль, поскольку боковая сила, разворачивающая судно, создается за счет изменения направления силы тяги винта, которая существенно больше боковой силы руля.

РПН устанавливаются на двухвинтовых судах и имеют конструкцию привода, позво­ляющую выполнять раздельную их перекладку. РПН установлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания и обеспечивают их высокие манев­ренные характеристики.

Разворотом поворотных насадок и изменением силы тяги винтов можно приложить боковую силу к любой точке ДП в пределах корпуса судна и вне его:

 

винты работают враздрай, РПН переложены внутрь:

В этом случае боковая сила Ру приложена к ДП вне корпуса судна и создает значи­тельный разворачивающий момент за счет увеличения плеча ее действия; судно быстро разворачивается влево совместно с перемещением ЦТ судна вправо;

винты работают враздрай, РПН переложены наружу:

 

В этом случае боковая сила приложена к ДП внутри корпуса и вызывает боковое пе­ремещение судна влево совместно с разворотом вправо. Если точку приложения силы со­вместить с ЦТ, то будет наблюдаться чистое боковое перемещение без разворота.

 

Из новых средств управления следует выделить двойные рули Шиллинга, позволяющие изменить направление тяги винтов на 360˚, движительно-рулевые комплексы типа «Азипод» и «Трипод», рули Бекера-Ястрема.

 

 

Двойные рули Шиллинга

Два пера руля особой конфигурации, улучшающей условия обтекания их потоком воды, располагаются за винтом судна. При следовании судна полным ходом плоскости перьев располагаются параллельно друг другу и разворачиваются синхронно на 35º.

 

Двойные рули Шиллинга

 

При необходимости производства маневров перья рулей могут разворачиваться раз­дельно, что резко улучшает управляемость судна, особенно на малых скоростях движения, поскольку изменяется направление потока воды от винта.

Для экстренного торможения судна не нужно изменять направление вращения глав­ного двигателя. Два пера руля разворачиваются таким образом, чтобы поток от винта менял свое направление на обратное (см. рисунок).

 

Экстренное торможение судна двойными винтами Шиллинга

 

При сложном маневрировании судном управляет, как правило, сам капитан с помощью джойстика.

 

 

Руль Бекера-Ястрема

Руль Бекера-Ястрема состоит из трех частей: цилиндра, который при своем вращении способствует установлению ламинарного потока вдоль обеих сторон пера руля (предложено Ястремом), основного пера руля и закрылка, который разворачивается на угол, в два раза превышающий угол разворота пера руля.

 

Морской руль Бекера-Ястрема

 

Благодаря такой конструкции можно направить поток от винта перпендикулярно ДП судна и тем самым резко сократить диаметр циркуляции судна.

 

 

О возможности швартовки судна под управлением ЭВМ

В связи с внедрением на судах мирового флота движительно-рулевых комплексов типа «Азипод» и «Трипод», дополненных носовыми подруливающими устройствами, появилась возможность произвести автоматическую швартовку судна.
На суперсо­временных пассажирских лайнерах капитан намечает на электронной карте маршрут судна и конечное положение контура судна у причала. Затем включает режим автоматической швар­товки и судно само подходит точно к указанному месту швартовки.
При этом автоматически учитываются погодные условия и течение. Судно само удерживается у причала. После заводки и закрепления швартовов режим автоматической швартовки отключается.

 

 

Использование якорного устройства для улучшения маневренных характеристик судна

 

Судовое якорное устройство позволяет существенно расширить возможности судна при маневрировании в стесненных условиях, особенно если оно не имеет САУ. Это достига­ется благодаря использованию держащей силы отданного якоря совместно с силами от гребного винта и руля. У судна появляется точка опоры, относительно которой оно будет разворачиваться. Рассмотрим схему действующих на судно сил при маневрировании с от­данным якорем.

На судно действуют три силы: боковая сила руля Рру, сила тяги винта Ре и держащая сила якоря Ря, которую можно регулировать по величине длиной вытравленной якорной цепи.

 

 

Развороты судна

При разворотах, для предотвращения продольного перемещения судна, режим работы машины выбирается так, чтобы Ре< Ря. Боковая сила руля Рру, возникающая от набрасы­ваемой на руль винтовой струи, создает разворачивающий судно момент.
Разворот происхо­дит за счет забрасывания кормы в сторону, обратную переложенному рулю. При этом носо­вая оконечность судна будет двигаться по круговой траектории вокруг отданного якоря.

 

 

Продольное движение судна

Режим работы силовой установки выбирается так, чтобы Ре> Ря. В результате, при движении судна якорь протаскивается по грунту. Боковая сила руля (угол его перекладки ) должна компенсировать разворачивающий момент, создаваемый силами Ре и Ря, поскольку они действуют в разных плоскостях.
Тормозящая сила якоря позволяет увеличивать частоту оборотов винта и, следовательно, существенно повышать эффективность руля, сохраняя хорошую управляемость судна без увеличения его скорости. Уменьшая силу тяги винта, можно практически сразу остановить судно.

 

 

Торможение судна якорями, отданными на грунт

Торможение судна якорями, отданными на грунт, может производиться несколькими способами.

Основные рекомендации сводятся к тому, чтобы судно при этом имело минимальный ход, грунт не был каменистым и не было запрета на отдачу якорей.

При первом способе длина вытравленной за борт цепи не должна превышать полу­тора глубин места. Якорь при этом не забирает грунт, чем сводится к минимуму опасность обрыва якорной цепи. Как этого достичь?

Пламмер в своей книге «Маневрирование судов в узкостях» так описывает порядок отдачи якоря с целью торможения судна. После подачи команды "отдать якорь" ослаб­ляют стопор, чтобы якорная цепь свободно шла по барабану.
Якорь настолько быстро ударится о грунт, что образуется слабина якорь-цепи в несколько метров, а затем на не­сколько мгновений якорь-цепь сама перестанет травиться.
В этот момент стопор должен быть зажат как можно крепче. В этом случае даже, если судно и обладает значительной инерцией переднего хода, якорь-цепь можно надежно застопорить до того как она полу­чит сильное натяжение.
Затем якорь вместо того, чтобы держать, выйдет из грунта, по­скольку якорь-цепь в это время направлена почти вертикально, и начнет ползти по грунту, не задерживаясь за него.

Если якорь отдан и вытравлен только короткий отрезок якорь-цепи, рыскание судна будет почти наверняка устранено. Пламмер рекомендует отдавать якорь вышеуказанным способом и в том случае, если судно начинает рыскать в непосредственной близости от встречного судна, когда уже некогда принимать какие-либо иные меры.

Экспериментальные исследования показали, что при протаскивании якоря по грунту (имеется в виду мягкий грунт и горизонтальное положение веретена якоря) он при заборе грунта развивает на время 1.0-1.5 с повышенную держащую силу, превышающую разрывное усилие цепи.
Особенностью якоря Холла является то, что он, протаскиваясь по грунту, собирает перед собой вал, через который он через определенное время переваливается, затем вновь забирает грунт, развивая при этом повышенную держащую силу.

 

При втором способе держащая сила якоря используется в полную меру. Следова­тельно, длина вытравленной за борт якорной цепи должна быть достаточной для развития якорем полной держащей силы, но при этом, чтобы якорь-цепь не оборвалась, длина вытравленной за борт цепи должна быть не менее указанной в таблице.

 

Скорость судна, узлы	10	8	6	4	2	1
Необходимая длина цепи (м) при калибре цепи 43 мм и более	300	240	180	120	60	30
Необходимая длина цепи (м) при калибре цепи менее 43 мм	250	200	150	100	50	25

 

Как видно из таблицы, необходимая длина цепи в большой степени зависит от скорости судна на момент отдачи якоря. Для практических целей можно сформулировать так: на узел скорости - одна смычка.

Установлено, что при отклонении веретена якоря на 5º от горизонтали он теряет примерно 1/4 часть держащей силы. Если отклонение веретена доходит до 15º, то держащая сила якоря ослабевает более чем на половину.

Судоводителям следует помнить, что работа машины на задний ход на мелководье менее эффективна, а в условиях узкости подчас и опасна из-за разворота судна. !!!!!

Исследования по применению якорей, отданных в воду не до грунта, показали их высо­кую эффективность. При отдаче двух якорей с 2-3 смычками цепи тормозной путь судна сокращался на 30-50%. Больший эффект был отмечен при пассивном торможении и при малых начальных скоростях. Испытания проводились на 10 типах судов водоизмещением до 62 тысяч тонн.

Очень важно то обстоятельство, что на малых скоростях хода сопротивление отданных в воду якорей с 3-4 смычками цепи превышает величину сопротивления корпуса судна в 2 раза. А это позволяет резко улучшить управляемость судна, так как центр вращения смещается в нос. Даже если только одни якоря опустить в воду поворотливость судна значительно улучша­ется.

 

 

Работа маневренно - движительного комплекса судна в переменном режиме (СПОСОБ КИКЕНГА)

Развороты судна на ограниченной акватории можно осуществлять и без отдачи якоря при работе движительно-рулевого устройства в переменном режиме. На судне с ВФШ пра­вого вращения можно произвести разворот вправо, а с ВРШ – то же, но с большей эффек­тивностью.

Рассмотрим методологию проведения разворота на примере судна с ВФШ пра­вого вращения:

в начальный момент, когда судно остановлено относительно воды, руль перекладыва­ется право на борт и дается ход вперед. Возникающая за счет винтовой струи боковая сила руля забрасывает корму влево;

как только судно начнет движение вперед машине дают задний ход. Возникающие при реверсе нескомпенсированные боковые силы от работы винта, направленные влево, будут способствовать развороту судна. Как только судно начнет движение назад повторяют действия по предыдущему пункту.

Эффективность разворота судна с ВРШ через правый борт обусловлена тем, что при винте левого вращения, коим обладают абсолютное большинство судов с ВРШ, на перед­нем ходу в работу включается сила реакции воды на вращение винта.

 

 

 

Способы уменьшения тормозного пути судна на глубокой воде

Транспортные суда, особенно крупнотоннажные, имеют большие тормозные пути обусловленные их значительной инерционностью и низкой энерговооруженностью (мощ­ность двигателя на единицу водоизмещения).
Поэтому при экстренном торможении для предотвращения аварии необходимо предпринимать действия для уменьшения тормозного пути. Существующие конструктивные решения задачи (использование выдвигаемых из корпуса тормозных щитов, тормозных парашютов и т.п.) не нашли применения на обычных транспортных судах.
Поэтому практически единственным способом уменьшения пути при экстренном торможении является торможение с использованием перекладок руля. Перело­женный на борт руль и начало движения судна с углом дрейфа увеличивает общее лобовое сопротивление воды, что приводит уменьшению скорости. Особенно резкое снижение ско­рости наблюдается сразу же после перекладки руля.

Методология выполнения маневра заключается в следующем:

руль перекладывается на борт;

при изменении курса на 20° - руль перекладывается на противоположный борт;

при максимальном отклонении от первоначального курса - средний ход вперед;

при выходе на первоначальный курс - руль перекладывается на противоположный борт;

при максимальном отклонении от первоначального курса - малый ход вперед;

при выходе на первоначальный курс - руль перекладывается на противоположный борт;

при максимальном отклонении от первоначального курса - самый малый ход вперед;

при выходе на первоначальный курс - руль перекладывается на противоположный борт, полный ход назад.

При таком способе выполнения маневра судно останавливается на небольшом рас­стоянии от линии первоначального курса (равном примерно половине его длины), а тормоз­ной путь уменьшается примерно на 20%.