За счет чего корабль поворачивает
Управление рулем
Действие любого фактора, ведущее к потере скорости, ухудшает управляемость судна. Поворотливость зависит главным образом от отношений длины судна к его ширине и осадки к длине судна: с увеличением этих соотношений поворотливость ухудшается, так как увеличивается сопротивление боковому движению судна по криволинейной траектории.
Действие руля на судно. Предположим, что судно движется вперед по инерции, а ветер, течение и волнение моря отсутствуют.
рис. 66 Действие руля на переднем ходу
При положении руля в ДП (рис. 66, а) перо руля симметрично обтекается встречным потоком воды, поэтому судно продолжает прямолинейное движение. При руле, переложенном на некоторый угол вправо (рис. 66, б) или влево (рис. 66, в) перо руля будет испытывать избыточное давление Р справа или слева от набегающих на него струй воды. Для пояснения действия гидродинамического давления Р на судно приложим к центру тяжести судна G вспомогательные силы P1 и Р2, параллельные Р, равные между собой, но противоположно направленные.
Аналогично можно показать, что в результате перекладки руля при движении судна назад также имеет место потеря скорости, но судно будет поворачиваться в сторону, обратную перекладке руля, и дрейфовать в сторону перекладки. Влияние работы винта на управляемость судна.
Изучение поведения одновинтовых судов при совместной работе руля и винта правого или левого вращения (шага) приводит к выводу, что в любом случае разворот судна в сторону шага винта осуществляется быстрее, чем в обратную.
Циркуляция судна. Если вывести руль из ДП движущегося вперед судна на какой-то угол и удерживать его в этом положении, то судно сначала сдрейфует в сторону, противоположную перекладке руля, а затем начнет плавно поворачиваться в сторону перекладки. При этом центр тяжести судна будет перемещаться по криволинейной траектории, называемой циркуляцией (рис. 67).
Основные элементы циркуляции характеризуют поворотливость судна. К ним относятся: тактический диаметр циркуляции Dц — расстояние между линиями курсов до начала поворота и после поворота на 180°;
рис. 67 Циркуляция судна
Циркуляция судна учитывается при изменении курса в стесненных навигационных условиях, в узкостях, при переходе со створа на створ и т. д. Влияние внешних факторов на управляемость судна. Большое влияние на управляемость оказывают ветер, волнение, мелководье и узкости.
Влияние ветра и волнения на груженое судно будет значительно меньше, чем на судно, идущее в балласте.
При расхождении со встречными судами на мелководье следует учитывать то обстоятельство, что при приближении к местам с большими глубинами судно уклоняется в сторону большей глубины.
Как управлять судном?
С помощью рулевого устройства можно изменять направление движения судна или удерживать его на заданном курсе. В последнем случае задачей рулевого устройства является противодействие внешним силам, таким как ветер или течение, которые могут привести к отклонению судна от заданного курса. Рулевые устройства известны с момента возникновения первых плавучих средств. В древности рулевые устройства представляли собой большие распашные весла, укрепленные на корме, на одном борту или на обоих бортах судна. Во времена средневековья их стали заменять шарнирным рулем, который помещался на ахтерштевне в диаметральной плоскости судна. В таком виде он и сохранился до наших дней.
Типы рулей
а — обыкновенный руль; b —балансирный руль; с — полубалансирный руль (полуподвесной); d — балансирный руль (подвесной); е — полубалансирный руль (полуподвесной); f — активный руль; g — носовое подруливающее устройство (гребные винты противоположного вращения); h — носовое подруливающее устройство (реверсивный гребной винт)
В зависимости от принципа действия различают пассивные и активные рули. Пассивны ми называются рулевые устройства, позволяющие производить поворот судна только во время хода, точнее сказать, во время движения воды относительно корпуса судна. В отличие от него активный руль позволяет осуществлять поворот судна независимо от того, движется оно или стоит. Пассивное рулевое устройство состоит из штурвальной колонки с передачей, рулевой машины и пера руля. В старых конструкциях использовались однослойные рули. В настоящее время главным образом применяют профильные фигурные рули (рис. а). Перо такого руля состоит из двух выпуклых наружных оболочек, имеющих с внутренней стороны ребр а и вертикальные диафрагмы для повышения жесткости. В целом конструкция пера руля цельносварная и полая внутри. Существуют различные способы крепления руля. Его можно на шарнирах прикрепить к ахтерштевню (рис. а) или установить в подпятнике (рис. b). Другие способы закрепления показаны на рисунках с, е.
По положению пера руля относительно оси вращения баллера различают:
— обыкновенный руль — плоскость пера руля расположена за осью вращения;
— полубалансирный руль — только большая часть пера руля находится позади оси вращения, за счет чего возникает уменьшенный момент вращения при перекладке руля;
— балансирный руль — перо руля так расположено по обеим сторонам оси вращения, что при перекладке руля не возникают какие-либо значительные моменты.
Типы рулей
f — активный руль; g — носовое подруливающее устройство (гребные винты противоположного вращения); h — носовое подруливающее устройство (реверсивный гребной винт)
Пример рулевого устройства с активным рулем приведен на рисунке f. В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от повреждений помещен в насадку. За счет поворота пера руля вместе с гребным винтом на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль выполняет свои функции и тогда, когда судно стоит на якоре. Такой руль используется на специальных судах, таких как плавучие рыбозаводы, китобойные, ремонтные и вспомогательные. Кроме того, активный руль можно применять как аварийный двигатель. Рули, как правило, помещаются в корме судна. Только в особых случаях (например, на речных паромах или на судах для каналов) используют также носовые рули. Для повышения маневренности судна довольно часто применяют подруливающие устройства, относящиеся к группе активных рулей без пера. Носовые или кормовые подруливающие устройства устанавливают поперек судна в туннеле. В этом туннеле находятся также два гребных винта или ротор осевого насоса. При вращении одного гребного винта вода течет через туннель. За счет этого возникает упор, и корпус судна совершает движение. В подруливающих устройствах все чаще вместо двух гребных винтов или одного ротора осевого насоса используют гребные винты с переменным шагом. Как уже было указано, для того чтобы рулевая установка действовала, перо пассивного руля должно стоять под определенным углом. Баллер руля приводится во вращение рулевой машиной, установленной под палубой в корме судна. Существуют паровые, электрические и гидравлические рулевые машины.
Рулевое устройство с электрическим приводом
а — расположение рулевого устройства
1 — рулевая машина; 2 — рулевой штырь; 3 — полубалансирный руль; 4 — баллер руля
b — секторная рулевая передача с электрическим приводом
1 — ручной штурвальный привод (аварийный привод); 2 — румпель; 3 — редуктор; 4 — рулевой сектор; 5 — двигатель; 6 — пружина; 7 — баллер руля; 8 — профильный фигурный руль; 9 — сегмент червячного колеса и тормоза; 10 — червяк
На рис. b показана устаревшая конструкция электрической рулевой машины. Электродвига тель через редуктор приводит в движение рулевой сектор, который крепится на баллере руля. Две пружины, воспринимающие удары волн о перо руля, соединяют сектор руля с румпелем; последний в свою очередь через призматическую шпонку соединен с баллером руля, на котором помещен профильный руль. Если необходимо повернуть перо руля, нужно запустить мотор с определенной частотой вращения. При неисправности электрической рулевой машины руль приводится в движение с помощью управляемого вручную механизма, состоящего из штурвальной тумбы и штурвала. Путем поворота штурвала приводятся в движение червячное колесо и взаимодействующий с ним аварийный приводной сегмент, укрепленный непосредственно на баллере руля. Штурвальная тумба аварийной рулевой установки обычно монтируется в корме на верхней палубе судна. На современных судах, как правило, применяют гидравлические рулевые машины. При вращении рулевого колеса на мостике срабатывает датчик телемотора, Протекающее под давлением в трубопроводе масло вызывает перемещение приемника телемотора, за счет чего рулевой насос приводится в движение в соответствующем направлении.
Рулевое устройство с гидравлическим приводом
а — схема гидропривода рулевого устройства типа Атлас с телемоторами; b — поршень гидравлической рулевой машины
1 — подключение к бортовой сети; 2 — кабельные соединения; 3 — запасная кани стра; 4 — рулевой насос; 5 — рулевая колонка с датчиком телемотора; 6 — индикаторный прибор; 7 — приемник телемоторов; 8 — двигатель; 9 — гидравлическая рулевая машина; 10 — баллер руля; 11 — датчик указателя положения руля
Движители кораблей и судов
Движители совершенствовались одновременно с появлением новых типов судов и кораблей.
весло
Этот, по сути, первый примитивный тип движителя, и как ни странно дошел до наших дней. Конечно, теперь весла изготавливают из легких и прочных материалом, но формы своей они практически не изменили.
кочет
АКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
парус
барк «Товарищ» с прямым парусным вооружением
Прямым называют вооружение, у которого прямые паруса главные (барк, баркентина).
Суда с косым вооружением называют те, у которых основными являются косые паруса (шхуна, иола, кеч и др.).
шхуна с косыми парусами
Яхты чаще всего оснащаются треугольными парусами, которые получили название «бермудские» паруса.
яхта с «бермудскими» парусами
Также существуют смешанное парусное оснащение, при котором используются паруса всех выше перечисленных типов.
судно со смешанным парусным вооружением
грузовое судно компании «Beluga Projects»
РЕАКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
гребное колесо
колесный пароход, Ванкувер, Канада
На первых пароходах в качестве основного движителя кораблестроители начали использовать гребное колесо. Но это, пожалуй, самый неудачный из всех движителей. Из-за многочисленных недостатков гребного колеса, которыми были частые поломки, и низкая эффективность по причине «выскакивания» из воды при бортовой качке гребные колеса недобросовестно выполняли свои функции и заняли последнее место среди других типов движителей.
появление гребного винта
Идея создания совершенного и универсального движителя, как всегда была не нова, просто нужно было оказаться в нужном месте и нужное время. Таким человеком оказался Изамбард Брунель, которому, по моему мнению, судостроители обязаны, по сей день. Сквозь многочисленные мнения скептиков он, подробно изучив работу изобретения древнегреческого ученого Архимеда, создал гребной винт, работу которого продемонстрировал на пароходе «SS Great Britain».
С той поры этот движитель получил самое большое распространение. Изготовленный из различных материалов, меняя количество и угол наклона лопастей, гребной винт совершенствовался и занял лидирующую позицию среди прочих движителей.
Итак, движителем называют устройство, преобразующее мощность от двигателя (источника энергии) в работу поступательного движения корабля или судна.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ ДЛЯ КОРАБЛЕЙ И СУДОВ
Последние подразделяются на лопастные (колесный, винтовой, плавниковый, крыльчатый) и водопроточные (водометные и гидрореактивные).
ЛОПАСТНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
Типичный гребной винт состоит из ступицы с расположенными на ней лопастями. В основе его работы лежит гидродинамическая сила, создаваемая разностью давлений на сторонах лопастей. Любое концентрическое сечение лопастей представляет собой элемент несущего крыла самолета. Поэтому при вращении винта на каждом элементе возникают такие же силы, как и на крыле.
принцип действия гребного винта
Поток, обтекающий выпуклую сторону лопасти (засасывающая сторона), слегка поджимается, и вследствие этого движение его ускоряется. Поток, обтекающий вогнутую сторону лопасти (нагнетающая сторона), встречая на своем пути препятствие, несколько замедляет скорость. В соответствии с законом Бернулли, на засасывающей стороне лопасти давление потока падает и возникает зона разрежения. В то же время на нагнетающей стороне лопасти, напротив, возникает зона увеличенного давления. В результате разности давлений на стороны лопасти образуется гидродинамическая сила. Вследствие длительных исследований было установлено, что основная часть гидродинамической силы около 70 процентов создается за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей винта и только 30 процентов за счет давления на нагнетающей стороне лопастей. Проекция гидродинамической силы на ось гребного винта представляет собой упор винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее кораблю или судну.
Гребной винт всегда согласован с двигателем, в противном случае будет происходить бесцельная потеря мощности. Кроме того, встречаются нереверсивные двигатели, которые не способны изменять сторону вращения вала. В таких случаях существует гребной винт регулируемого шага. В его ступице располагается механизм, поворачивающий лопасти на заданный угол и удерживает их в таком положении. Поворот лопастей позволяет изменять тяговое усилие при постоянной частоте вращения гребного вала и наоборот, сохранять постоянное тяговое усилие при разных частотах вращения вала, а также вообще изменить направление упора (реверс) при неизменном направлении вращения гребного вала.
Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а на некоторые большие корабли, например авианосцы, оснащены четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. Иногда применяются направляющие насадки, что при малой частоте вращения гребного винта обеспечивает прирост упора до шести процентов.
азипод
рулевая колонка
Для повышения маневренности некоторых судов получили активное распространение универсальные движители, так называемые активные рули, получившие название «азипод». Рулевая колонка типа «азипод» включает в себе небольшой гребной винт с собственным электрическим мотором. Вращаясь вокруг своей оси, винт создает упор и увеличивает тем самым вращающий момент, действующий на руль.
движитель типа «Азипод»
К сожалению, дороговизна конструкции ограничивает область применения движителей типа «азипод», но они оправдывают затраченные средства. Используются на ледоколах, современных круизных лайнерах, нефтедобывающих буровых платформах и других типах судов.
плавниковый движитель
крыльчатые движители
принцип действия крыльчатого движителя
Крыльчатые движители нашли применение, прежде всего в подруливающих устройствах. Они объединяют в себе функции движителя и руля и представляют собой ротор, установленный на одном уровне с днищем судна, и вращающийся вокруг вертикальной оси, по окружности которого на равных угловых расстояниях располагаются от 3 до 8 перпендикулярных к его поверхности лопастей, выполненных в виде крыльев. Вращаясь вместе с ротором, лопасти периодически поворачиваются вокруг своей собственной оси. Поворот лопастей производится так, что при каждом положении на ней создается сила, имеющая наибольшую проекцию в направлении движения судна. Это, достигается, когда условные перпендикулярные к хордам лопастей пересекаются в одной точке, являющейся центром управления. Перемещение центра управления вдоль оси, перпендикулярной к направлению движения корабля, изменяет величину и знак упора. Таким образом, крыльчатые движители обладают теми же свойствами, что и винт регулируемого шага. При произвольном перемещении центра управления в плоскости, параллельной плоскости ватерлинии, можно изменять направление вектора упора в пределах от 0 до 360 градусов. Для поворота лопастей и перемещения центра управления служит механический привод, расположенный в корпусе движителей и управляемый гидравлической системой.
крыльчатый движитель
По эффективности, а также по сложности и массогабаритным характеристикам крыльчатый движитель уступает гребным винтам, а потому используется в качестве эффективного подруливающего устройства.
Применяются на судах, к маневренности которых предъявляются повышенные требования (буксиры, рыболовные суда, тральщики и др.).
ВОДОПРОТОЧНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
водометный движитель
Водометный движитель (водомёт) представляет собой рабочее колесо водяного насоса, помещенное в водопроточном канале, через который выбрасывается вода с увеличенной скоростью по оси движителя. К основным преимуществам подобных движителей относятся: хорошая защищённость от механических повреждений и возможность избежать кавитации, защищенность от плавающих на поверхности акватории предметов,меньший гидродинамический шум по сравнению с винтовыми движителями, что очень важно для подводных лодок. Водометные движители располагаются внутри или снаружи корпуса судна. Эффективность водомётного движителя зависит от формы водоводов, места расположения и конструкции водозаборников.
движители насосного типа
движитель типа «pump-jet»
—движитель насосного типа с последующей раскруткой, когда ротор расположен перед статором.
разновидности движителя насосного типа «pump jet»
Качества обоих типов движителей одинаковы, но движитель насосного типа с предварительной закруткой имеет лучшие кавитационные характеристики, хотя конструктивно более сложен.
гидрореактивный движитель
пульсирующие (поршневого типа с пульсирующей газоводяной камерой сгорания, с реактивной газоводяной трубой взрывного типа и др.);
эжекционные и другие, использующие энергию холодного сжатого газа, ускоряющего поток водовоздушной смеси. Применяются в гражданском судостроении.
КАК ИЗГОТАВЛИВАЮТ ГРЕБНЫЕ ВИНТЫ
Самые большие гребные винты достигают высоты трехэтажного здания, а их изготовление требует уникальных навыков. Во времена, когда был создан винтовой пароход «SS Great Britain» на изготовление форм гребного винта уходило до 10 дней. Сегодня благодаря наличию компьютерных технологий автоматизированный манипулятор делает это за пару часов. Форма винта вводится в компьютер, и алмазное сверло на конце манипулятора вырезает из огромных пенопластовых блоков идеальную копию лопасти с точностью до 1 мм. Затем в готовую модель помещают смесь песка и цемента, чтобы получить точный оттиск. После того как бетон остынет, в форму, состоящую из двух половинок, соединяют вместе и заливают расплавленный до 3000 градусов металл.Гребной винт нельзя делать из чего-либо. Винт должен быть достаточно прочен, чтобы выдержать тысячи тонн давления и не подвергаться коррозии в соленой морской воде. Наиболее распространенными материалами для изготовления гребных винтов являются сталь, латунь и бронза. В последние годы для этой же цели стали применять пластмассы.
Сплав из цветных металлов для гребных винтов, получил название «куниал». Он имеет прочность стали, но гораздо лучше противостоит коррозии. Куниал может находиться в воде десятилетиями, не ржавея при этом. Для придания сплаву предельной точности к 80 % меди необходимо добавить 5 % никеля и 5 % алюминия, а также 10 % других металлов. Переплавка осуществляется при температуре 3200 градусов.
Пройдя контроль качества, «коктейль» из расплавленных металлов заливается в форму. Чтобы избежать попаданий воздуха в структуру металл заливается ровной струей. Спустя два дня форма остывает. Затем лопасти высвобождают из формы.
Эффективность гребного винта зависит от гладкой и обтекаемой формы лопастей. Поверхность отлитой из формы детали неидеальна, и покрыта литейной коркой. Для определения толщины слоя применяется лазерный измеритель. После чего лишний слой удаляется с помощью резака из карбид-вольфрама. Затем гребной винт полируется до идеально гладкой поверхности, пока не будет составлять 1,6 микромиллиметра. В итоге поверхность приобретает гладкость стекла.
Как не печально, но невероятной красоты гребные винты обречены на тяжелый труд, скрытый от человеческих глаз под морскими волнами.Таким образом, из всех типов существующих движителей главенствующую роль занимает гребной винт, и пока нет оснований полагать, что в ближайшие годы для него найдется более эффективная замена.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Что приводит судно в движение?
Что приводит судно в движение? Чтобы двигаться по воде, судам нужны источники движущей силы.
На небольших судах таким источником может быть ручной труд — гребцы используют весла, чтобы перемещать судно по воде.
Если судно снабжено парусами, можно использовать силу ветра.
Однако для быстрого движения или для дальнего плавания мышечной силы или силы ветра недостаточно.
Для больших судов, отправляющихся в дальнее плавание, самым надежным источником движущей силы являются двигатели.
В зависимости от величины судов на них используют бензиновые, дизельные или паровые двигатели. На некоторых кораблях, например на подводных лодках, используют даже атомную энергию.
Двигатели вращают гребные винты, которые обладают большими изогнутыми лопастями вокруг центрального вала. Лопасти отбрасывают воду назад, судно при этом двигается вперед.
Кроме того, вращающиеся винты создают перед собой меньшее давление воды, что выталкивает их вперед вместе с судном (тот же самый принцип движения используется в винтомоторных самолетах).
Судном управляют с помощью руля, вертикальной подвижной пластины из дерева или металла, укрепленной на корме (задней части судна).
Поворачиваясь, руль изменяет направление потока воды, обтекающего руль, что заставляет корму (а вместе с ней и остальное судно) изменить направление движения.
Что или кого называют «одноруким бандитом»?
Какой длины язык у гигантского муравьеда?
Исследователи природы Азии
Основа характера
Разнообразие и величие Азии
За счет чего корабль поворачивает
Лайнер-легенда «Титаник» запись закреплена
Команда «право на борт», а поворачивают влево? Разбираемся в командах на руль эпохи «Титаника».
У интересующихся историей гибели «Титаника», чья жизнь не связана с судовождением, порой вызывают логическую путаницу отданные на капитанском мостике команды на руль, а точнее – их направление относительно сторон. Почему же вахтенный офицер Мердок, заметив злополучный айсберг справа от борта «Титаника», отдает приказ «право на борт»? Казалось бы, абсолютно нелогично и опрометчиво поворачивать в сторону потенциальной угрозы.
В наше время команда «право (лево) на борт» означает, что руль должен быть положен до установленного предела в указанную сторону, но в эпоху «Титаника» система командования была противоположной. Странные на первый взгляд команды берут свое начало еще со времен расцвета парусных кораблей, когда офицеры указывали рулевому направление поворота румпеля, а не баллера (оси) руля. Соответственно, приказ «положить руль влево/вправо» расшифровывается, как «переложить румпель в заданном направлении». В свою очередь руль совершал противоположный маневр, поворачивая носовую часть корабля влево/вправо.
В эпоху развития парового судоходства команды на руль требовали закономерного урегулирования, но изменения, внесенные в нормативы мореплавания, укореняются отнюдь не быстро. Мир судоходства инстинктивно консервативен, хотя некоторые европейские страны начали менять команды на руль уже в начале двадцатого века. Только британцы, отличающиеся склонностью к традиционности, перешли на логичную систему команд в 1933 году. До этого времени британские офицеры и рулевые продолжали упорно пользоваться «парусными» командами. Американский военно-морской флот начал использовать современные команды на руль в начале ПМВ – в 1914 году, но коммерческие суда не изменяли традициям вплоть до 1935 года.