Стерно суднове

Руль судовой, включающий расположенное за имеющим ступицу винтом укрепленное на баллере перо, которое имеет закрутку, отличающийся тем, что углы поворота поперечных сечении пера руля при закрутке на уровне оси винта и на расстояниях, превышающих величину радиуса винта, равны нулю, а углы поворота поперечных сечений в промежутке от оси до величины радиуса винта увеличиваются до максимума на расстоянии, равном или превышающем радиус ступицы винта, а затем плавно уменьшаются до нуля, причем закрутка выше оси винта направлена влево, при правом винте, а ниже оси - вправо, при этом максимальное значение закрутки составляет 20-50 градусов Описываемое предполагаемое изобретение относится к судостроению и может быть использовано в судовых рулевых устройствах, если перо руля расположено в струе от гребного винта Известно типичное рулевое устройство (см , например, Гурович А Н и др Справочник по судовым устройствам Том 1, разд I - Л Судостроение, 1975 - С 82, рис 1 34), состоящее из руля, румпеля, рулевой машины, деталей крепления к корпусу судна и др Руль состоит из баллера (вала) и закрепленного на нем пера С целью увеличения боковой силы, возникающей на пере и поворачивающей судно, перо располагается в струе от винта Оно имеет обтекаемую симметричную форму Средние линии всех сечений пера, то есть их оси симметрии, лежат в одной плоскости В этом смысле перо обычного руля является плоским См фиг 1,2,3 Перо руля омывается струей воды от винта Вследствие вращения струя - закрученная и частицы воды в струе движутся по траекториям, подобным спирали или, что то же - по винтовым линиям Вследствие этого на каждое сечение пера, даже если руль не повернут (не переложен) и угол поворота (перекладки) 5 = 0, поток набегает не вдоль средней линии сечения пера, а несколько сбоку под углом скоса Оск Угол скоса а с к изменяется по мере удаления от оси струи, он зависит от работы винта, его элементов Таким образом, каждое сечение оказывается под углом атаки а, равным углу скоса а = ±5СК Знаки + и - означают, что поток может набегать на сечение с одной стороны или с другой в зависимости оттого выше или ниже оси струи находится сечение См фиг 1,2,3 При перекладке руля на угол 5 угол атаки сечений равен а = 5 + а с к Характерное значение угла скоса составляет примерно 15-20 градусов, наибольший угол перекладки 5 = 35 градусов Таким образом, если 5 = 35°, то угол атаки сечений по одну сторону от оси струи составит а = 35 + 15 = 50°С (фиг 1, сеч по А-А и фиг 2), для сечений по другую сторону оси а = 35 - 15 = 20° (фиг 1, сеч по В-В и фиг 3) Угол атаки а = 50° является чрезмерным, поскольку боковая сила на сечении растет только до а - 30-35° и с дальнейшим увеличение угла атаки уменьшается Так возникает падение боковой силы - с м фиг 4 Угол атаки а = 20° для сечений ниже оси винта меньше угла перекладки и потому в сечении возникает "недобор" боковой силы См фиг 4 Таким образом и чрезмерный угол атаки и недостаточный приводят к уменьшению боковой силы руля и, как следствие, к уменьшению маневренности и управляемости судна Описанное явление иллюстрируется фиг 1, 2, 3 и 4 На фиг 1 обозначены 1 - гребной винт, 2 - перо руля, 3 - баллер, 4 -траектории частиц воды, 5 - граница струи На фиг 2 и 3 обозначения те же Для сечения А-А неповернутого руля 5 = 0 , а угол атаки равен углу скоса а = а с к (см фиг 2) Для повернутого на угол 5 угол атаки равен а = 5 + а с к (см пунктир на фиг 2) ю О 00 го го 43381 Для сечения В-В по другую сторону оси струи при 5 = 0 угол атаки а = 5 - а с к Для сечения руля, повернутого на тот же угол угол атаки равен = 5 - а с к См фиг 3 Чтобы увеличить боковую силу, возникающую на руле при перекладке и улучшить связанную с ней управляемость и маневренность судна, следует, по меньшей мере, не допускать падения боковой силы, для чего следует изменить форму пера руля таким образом, чтобы сечения не оказывались ни под избыточным, ни под недостаточным углами атаки Для этого следует каждое сечение пера руля повернуть на угол скоса потока в данном месте с тем, чтобы при 5 = 0 углы атаки также были бы равны нулю В качестве прототипа взято изобретение Ямамото Седзи Рули со смещением от диаметральной линии корпуса судна /Заявка Японии № 58-38359, опубликовано в бюл "Изобретения в СССР и за рубежом", 1984 г, вып 44, № 5, лист 42, кл В63Н25/38, согласно которому руль состоит из пера и баллера, руль располагается за винтом, перо руля закручено, то есть средние линии сечений не лежат в одной плоскости Сечения пера руля выше и ниже оси струи повернуты так, что их углы атаки вследствие закрутки струи при неповернутом руле меньше, чем углы скоса набегающего потока Смещения точек задней кромки руля от плоскости средних линий исходного плоского руля ограничено условием, чтобы они (точки) не выходили за пределы толщины руля Такой руль изображен на фиг 5 и 6, где обозначено 1 - винт, 2 направление вращения, 3 - контур исходного плоского руля, 4 - плоскость средних линий сечений исходного руля, 5 - смещение точек задней кромки руля от плоскости средних линий, 6 - толщина руля, 7 - контур руля, 8 - ось струи Размер 5 не должен превышать половину толщины руля размера 6 На фиг 6 представлен тот же руль, если на него смотреть сзади Действительно, разворот сечений руля, как это сказано в изобретении-прототипе, должен уменьшить чрезмерность фактических углов атаки на одной половине пера руля и из недостаточность - на другой и, как следствие, уменьшить потерю боковой силы руля в целом Однако разворот сечений имеет смысл только в пределах струи от винта Разворот сечений вне струи, как это следует из описания изобретения, где скоса потока нет, не может увеличить боковую силу, а только уменьшит ее С другой стороны, наибольший поворот должен быть у сечений, расположенных примерно на расстоянии радиуса ступицы винта от оси, а не у верхнего или нижнего сечений Наконец, наибольший поворот сечений должен составить до 30-^40°, что при характерных для рулей формах сечений означает, что задняя точка сечения (кромка руля) не только не останется в пределах толщины руля, но сместится от плоскости симметрии на 2-Зтолщины (см размер 5 на фиг 5 и 6) Изложенное позволяет считать, что руль с закруткой согласно изобретению-прототипу даст нулевой эффект или же он будет очень мал боковая сила такого руля не увеличится совсем, либо увеличится очень мало Целью изобретения является улучшение управляемости и маневренности судна и увеличение безопасности судоходства как следствие увеличения боковой силы, возникающей на руле при его перекладке Общепринято, что под управляемостью понимается способность судна должным образом отвечать на действия рулевого Они направлены на сохранение направления движения судна или его изменение Под маневренностью понимается способность судна изменять направление движения в ответ на действия рулевого Понятие "маневренность" есть часть понятия "управляемость" Управляемость и маневренность характеризуются размерами той траектории, которую описывает центр масс судна, если руль переложить на борт Траектория называется циркуляцией, она близка к окружности Если боковая сила руля больше, то такое судно быстрее и четче реагирует на действия рулевого, а диаметр циркуляции меньше Если сила увеличится в К раз возрастет угловое ускорение и угловая скорость (то есть скорость изменения курса, скорость поворота) При прочих равных условиях диаметр циркуляции в К раз уменьшится Это и означает, что управляемость и маневренность улучшились Улучшение этих качеств непосредственно влияет на безопасность судоходства Безопасность можно измерить числом - вероятностью столкновения судна с препятствием в некоторых характерных условиях Ю А Смирновым в работе "Параметры рулевого устройства и вероятность навигационных аварий" (Труды Ленинградского кораблестроительного института, вып 96, ЛКИ, 1975 г, с 98-101) исследовано влияние площади руля на вероятность столкновения судна с препятствием В частности, им получен такой результат увеличение площади руля на 1/3 уменьшает вероятность столкновения на 810% в зависимости от длины судна, скорости хода и др Очевидно, что имеет значение не сама по себе площадь, а боковая сила, ей прямо пропорциональная Непосредственная цель изобретения - увеличить боковую силу, но не увеличивая площадь, а изменив форму пера руля Достижение цели улучшит управляемость и маневренность судна и снизит вероятность навигационных аварий и тем самым увеличит безопасность судоходства Поставленная цель достигается тем, что у руля, состоящего из баллера и укрепленного на нем пера, имеющего закрутку (сходные признаки), последняя выполняется по следующему правилу сечения пера на уровне оси винта и на расстояниях, превышающих радиус винта, закрутку не получают, их оси симметрии параллельны диаметральной плоскости судна, сечения верхней части пера, расположенные между уровнем оси и уровнем радиуса винта закручены вправо (если смотреть сверху и винт правый) таким образом, что по мере удаления от уровня оси винта угол закрутки увеличивается, достигая максимума примерно на расстоянии радиуса ступицы, а затем уменьшается до нуля на расстоянии радиуса винта, 43381 сечения нижней части пера закручены по такому же правилу, но влево Наибольший угол поворота сечения (закрутка) п может быть назначен по результатам экспериментов с моделью судна либо по результатам расчетов, выполненных известным способом Такое перо показано на фиг 7, 8, 9 и 10 При неповернутом руле, когда 5 = 0 сечения пера повернуты на угол ап, который для сечений, не омываемых струей, равен нулю, для сечений, омываемых струей, он назначается примерно равным местному углу скоса а п = Оск потока Таким образом нет сечений, которые оказались бы под углом атаки При повороте такого руля всегда оказывается, что угол атаки сечений а равен углу перекладки а = 5 Строение струи от винта достаточно хорошо изучено Угол скоса потока изменяется от нуля на границе струи до 30-40° на расстоянии радиуса ступицы от оси Среднее же характерное значение ск составляет 15-20° Можно считать, что руль с закруткой получается из обычного плоского руля путем поворота сечений на углы а п При этом задние кромки сечений смещаются из плоскости симметрии исходного руля на расстояния, намного превышающие его толщину Именно такие большие смещения задних точек сечений и повороты и именно такое распределение закрутки по высоте руля не позволит сечениям получать чрезмерные (превышающие угол перекладки 5) или недостаточные (меньшие, чем 5) углы атаки Именно вследствие этого не происходит падения боковой силы на сечениях и руле в целом (см фиг 4) Изложенное служит основанием считать, что предлагаемое решение соответствует критерию "существенного отличия" Сущность и принцип действия предложенного "Руля судового" поясняется чертежами фиг 1 - судовой руль обычный, 1 - винт, 2 перо руля, 3 - баллер, 4 - траектории частиц воды, 5 - граница струи, фиг 2 - то же, сечение по А-А, а с к - угол скоса, 5 - угол перекладки руля, а - угол атаки, фиг 3 - то же, сечение по В-В, обозначение углов то же, фиг 4 - зависимость боковой силы сечения пера от угла атаки, фиг 5 - закрученный руль, предложениепрототип, 1 - винт, 2 - направление вращения винта, 3 - контур исходного плоского руля, 4 средняя линия сечения пера, 5 - смещение задней кромки от плоскости симметрии пера, 6 - толщина пера, 7 - контур закрученного руля, 8 - ось винта и ось струи, фиг 6 - т о же, руль сзади, фиг 7 - действие закрученного руля, 1 - перо, 2 - винт, 3 - траектории частиц воды, фиг 8 - т о же, сечение по А-А, 4 - сечение до поворота, 5 - сечение повернутого руля, фиг 9 - т о же, сечение по В-В, фиг 10 - руль судовой, 1 - перо, 2 - винт, 3 - баллер, фиг 11 - руль судовой, конструкция, 1 - перо, 2 - баллер, 3 - ось вращения, 4 - обшивка руля, 5 - продольные ребра жесткости, 6 - поперечные ребра жесткости (диафрагмы), 7 - задняя кромка пера, фиг 12 - руль судовой, конструкция, обозначения те же, фиг 13 - рулевое устройство судна, 1 винт, 2 - ступица, 3 - детали крепления к корпусу, 4 - перо, 5 - граница струи, фиг 14 - зависимость боковой силы руля от перекладки, 1 - перекладка на правый борт, 2 - на левый (обычный руль), 3 - закрученный руль Предлагаемый руль судовой состоит (см фиг 11 и 12) из пера руля - 1, баллера - 2, ось которого - З В свою очередь перо руля состоит из обшивки - 4, продольных ребер жесткости - 5 и поперечных ребер жесткости (диафрагм) - 6 К верхней части пера крепится баллер 2 Задняя кромка пера обозначена 7 С целью увеличения боковой силы, возникающей на пере при перекладке, часть пера, омываемая струей от винта, выполнена с закруткой В прямом положении руля (когда угол поворота руля 5 равен нулю и судно идет постоянным курсом) средние линии поперечных сечений пера не параллельны продольной плоскости симметрии судна, то есть диаметральной плоскости, а повернуты относительно нее на угол закрутки ап, назначаемый в зависимости от расстояния сечения от оси струи, элементов винта, корпуса судна и др , задняя кромка пера имеет характерную Z-образную форму как это показано на фиг 10 и 12 разом Описанный руль действует следующим об При движении судна своим ходом винт отбрасывает на руль струю воды и закручивает ее так, что частицы воды движутся по спиральным траекториям (см 4 на фиг 1) Поэтому на каждое сечение руля в прямом положении поток воды набегает не вдоль средней линии сечения, не параллельно диаметральной плоскости судна, а несколько сбоку Это боковое натекание характеризуется местным углом скоса Оск Он зависит от расстояния от рассматриваемого сечения по оси струи, характеристик винта и др Вследствие того, что перо выполнено закрученным и угол закрутки каждого сечения а п примерно равен местному углу скоса а ск , углы атаки всех сечений при неповернутом руле будут малы или равны нулю См фиг 7, 8, 9 Если руль повернуть на угол перекладки 5, то все его сечения окажутся под одним и тем же углом атаки, равным углу перекладки а - 5 Не будет сечений, у которых углы атаки меньше угла перекладки, следовательно, не будет потери боковой силы Не будет и сечений, у которых угол атаки больше угла перекладки, то есть не будет чрезмерных углов атаки, не будет и потери боковой силы по этой причине Вследствие исключения потерь боковая сила предлагаемого руля будет на 20-60% больше, чем у обычного плоского руля Эффективность предлагаемого решения доказывается приводимыми на фиг 13 и 14 расчетами боковой силы на обычном и закрученном рулях На фиг 13 дана схема конкретного рулевого устройства судна длиной 52 метра, водоизмещением 740 тонн и скоростью хода 10 узлов (18 км/час) Перо обычного и закрученного рулей имеет совпадающий контур на боковой проекции Закрутка выполнена в соответствии с изложенным выше правилом На фиг 14 дана зависимость бо 43381 ковои силы руля от угла перекладки на скорости 10 узлов 1 и 2 - для обычного руля при перекладке на правый и левый борта соответственно, 3 для закрученного руля Для последнего направление перекладки значения не имеет Для обычного руля при перекладке 35° направо боковая сила составит 170 кН, влево-171 кН Для закрученного руля - 260 кН, что в 1,54 раза больше Метод расчета плоских и закрученных рулей разработан авторами, проверен на большом числе модельных и натурных экспериментов и показал достаточно высокую достоверность Расчеты закрученных рулей для различных судов дают увеличение боковой силы на 20-60% При этом момент, необходимый для поворота закрученного руля, близок к моменту обычного руля На закрученных рулях могут быть применены почти все известные способы увеличения боко вой силы закрылки, концевые шайбы и т д , что дополнительно увеличит боковую силу Экономическая эффективность от внедрения предложения не может быть достаточно уверенно подсчитана в СССР статистика аварий на судах морского, речного и рыбопромыслового флотов не публиковалась, в Украине сегодня такая статистика также не известна Можно только оценить порядок экономического эффекта Если принять, что увеличение боковой силы на 1/3 снижает вероятность навигационных аварий на 8-10% (это показано Ю А Смирновым в статье, упомянутой выше) и учесть, что Украина имеет в Черном море флот, насчитывающий около 500 судов, то экспертная оценка ежегодной экономии на восстановительных работах после аварий и сопутствующих потерях даст порядок миллиона гривень Фиг. 1 Фиг. 2 43381 Фиг. 3 іО 2О ЪО ко 50 oL am a z і/ Фиг. 4 3 1 Фиг. 5 43381 /7о ст/ Фиг. 6 Фиг. 8 43381 Фиг. 9 Фиг. 10 43381 no A A Фиг. 11 Фиг. 12 43381 Фиг. 13 Фиг. 14 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3