Силы и моменты, действующие на судно.

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы:  • движущие;  • внешние;  • реактивные.

К движущим силам относятся силы, создаваемые средствами управления: тяга винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления.

К внешним силам относятся силы давления ветра, волнения моря, давления течения.

К реактивным силам относятся силы, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Они разделяются на инерционные — обусловленные инертностью судна и присоединенных масс воды и возникающие только при наличии ускорений. Направление действия инерционных сил всегда противоположно действующему ускорению. Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и воздуха и являются гидродинамическими и аэродинамическими силами.

 

Тяга винта и сопротивление движению судна.

Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой

N_n = RV,

где R — сила сопротивления; V — скорость движения.

 

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус - движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход). Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70—80 % от тяги винта в режиме полного хода.

 

Влияние гребного винта фиксированного шага и руля на управляемость судна

Основное назначение гребных винтов — это создание силы тяги для поступательного движения судна.

 

Рис. 1.2. Четырехлопастной гребной винт

 

На судах морского флота преимущественно установлены четырехлопастные винты. В зависимости от направления вращения они разделяются на винты правого и левого вращения (шага). Винт правого вращения у судна, идущего передним ходом, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения — против часовой стрелки.

Одновинтовые суда чаще всего имеют винты правого вращения; двухвинтовые с левого борта — винт левого вращения, с правого — правого вращения.

При вращении гребной винт образует за кормой струю воды, закрученную в сторону его вращения. Совершенно очевидно, что этот спиральный вихревой поток воды действует на перо руля и корпус, оказывая влияние на управляемость судна. 

Рис. 1.3. Образование струи воды гребным винтом судна

Рассмотрим качественную сторону этого влияния при совместной работе винта и руля при различных ходах и положениях пера руля.

 

Судно неподвижно относительно воды. Перо руля находится в диаметральной плоскости. Как только машине будет дан ход вперед и винт начнет вращаться, нос судна вначале будет незначительно уклоняться влево. Объяснить это можно тем, что при малых оборотах винт своими развернутыми лопастями как бы загребает воду и забрасывает корму вправо, а нос идет влево.

По мере увеличения оборотов винта нос судна установится на первоначальный курс и затем уклонится вправо. Происходит это потому, что при работе винт набрасывает воду на перо руля, причем струя воды, набрасываемая винтом на нижнюю часть руля, создает гидродинамическое давление, которое уклоняет корму влево, а нос — вправо. Следовательно, при работе винта правого шага вперед, при положении «прямо руль», нос судна в конечном итоге уклоняется в сторону вращения винта.

 

Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Винт одновинтового судна, начавший вращаться на задний ход, своими развернутыми лопастями как бы загребает воду с левой стороны, обтекает правый борт и, оказывая на него давление, заставляет корму разворачиваться влево, а нос — вправо.

 

Рис. 1.4. Взаимодействие винтовой струи с корпусом судна при работе гребного винта на задний ход

 

Судно имеет ход назад, винт работает назад. До тех пор, пока судно не приобретет достаточную скорость заднего хода, положение пера руля на поворотливость судна влияния не оказывает. Как отмечалось ранее, на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта, направленная в правую часть обводов корпуса, вследствие чего нос судна идет вправо.

Как только судно разовьет определенную скорость заднего хода и перо руля будет находиться в массе встречного потока воды, образованного движением судна, положение пера может заставить судно пойти кормой в сторону переложенного руля. В этом случае на руль будут действовать две силы: сила встречной воды, возникающая от движения судна назад, и сила всасываемой струи, порождаемая засасывающим действием винта при его работе на задний ход.

Одновинтовые суда слушаются руля на заднем ходу лучше, когда винт не работает и судно движется назад с наибольшей скоростью. Однако рассчитывать на непогрешимость работы руля одновинтового судна на заднем ходу (особенно для поворота носа судна влево) можно только в штилевую погоду при достаточной осадке.

 

Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При положении «прямо руль» нос судна может уклоняться или вправо, или влево (обычно вправо). При положении «право на борт» нос судна уклоняется вправо. При положении «лево на борт» нос судна уклоняется влево. Струя воды от гребного винта создает гидродинамическое давление на перо руля значительно большей силы, чем от встречного потока при движении судна назад.

 

Рис.1.5. Поведение одновинтового судна при работе гребного винта правого вращения

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:  • при совместной работе гребного винта и руля судно, двигающееся передним и задним ходом, круче и быстрее разворачивается в сторону шага винта;  • разворот в сторону шага винта в любом случае осуществляется значительно быстрее, чем в обратную сторону.

Поведение одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения в штилевую погоду приведены в таблице.

Состояние судна	Положение руля	Направление работы винта	Характер движения судна
Судно неподвижно относительно воды	Прямо	Вперед Назад	Нос судна незначительно отклонится влево, остановится и медленно покатится вправо Нос судна покатится вправо, а корма — влево
Судно имеет ход вперед	Прямо Право на борт Лево на борт	Назад	Нос судна начнет разворачиваться вправо, а корма — влево Нос судна начнет разворачиваться влево, а корма — вправо Угловая скорость разворота носа судна вправо начнет возрастать
Судно имеет ход назад	Прямо Право на борт Лево на борт	Назад	Нос судна идет вправо     »     »     »      влево     »     »     »      вправо
Судно имеет ход назад	Прямо	Вперед	Угловая скорость разворота носа судна вправо, начнет уменьшаться, но не станет равна нулю
	Право на борт	Вперед	Если нос судна до этого уклонялся влево, а корма — вправо, то угловая скорость разворота носа судна начнет уменьшаться, затем с прекращением хода будет равна нулю, с началом движения вперед нос судна начнет уклоняться вправо. Если нос судна раньше уклонялся вправо, то с началом работы винта на передний ход угловая скорость разворота вправо начнет увеличиваться
	Лево на борт	Вперед	Если до этого нос судна уклонялся влево, а корма — вправо, то угловая скорость разворота носа влево возрастет.  Если до начала работы винта нос судна уклонялся вправо, то угловая скорость разворота вправо уменьшится, а с прекращением хода назад станет равна нулю. С началом движения вперед нос судна пойдет влево