площадь балансирной части руля

Определение размеров рулей

Площадь пера руля зависит от типа судна и его назначения. Суммарную площадь обычных обтекаемых рулей без каких-либо специальных средств (пропульсивных наделок, шайб и др.), увеличивающих давление на руль, можно определить по формуле

где — коэффициент, зависящий от назначения судна,
количества гребных винтов, скорости и других факторов; L— длина судна между перпендикулярами, м; d — наибольшая осадка судна, м.

Для одно- и двухвинтовых судов значение ц принимают следующим:
Суда µ
Большие грузовые одновинтовые морские. 0,015—0,019
Большие грузовые и пассажирские двухвинтовые морские:
с одним рулем. 0,015—0,021
с двумя рулями. 0,020—0,022
Танкеры. 0,013—0,019
Быстроходные лайнеры. 0,012—0,017
Малые грузовые и пассажирские. 0,017—0,023
Каботажного плавания. 0,023—0,033
Рыболовные. 0,025—0,055
Морские буксиры . . . . 0,030—0,060
Лоцманские и паромы . 0,025—0,040

Число рулей на судне обычно зависит от качества гребных винтов. На одновальных морских судах применяют, как правило, один руль за гребным винтом. Двухвинтовые морские суда снабжают одно- и двухрулевым устройствами. Если требуется обеспечить повышенную поворотливость судна, то лучше устанавливать поворотные насадки или рули за каждым гребным винтом, а при трехвальных установках — рулевой комплекс Энкеля за средним винтом и обычные обтекаемые рули за бортовыми гребными винтами (рис. 5).

Рис. 5. Рулевой комплекс Энкеля: А — три руля в диаметральной плоскости;
Б — бортовые рули.

Рулевой комплекс Энкеля состоит из трех рулей, расположенных за одним винтом: средний руль — в диаметральной плоскости, левый и правый рули смешены в корму и отстоят от среднего на некотором расстоянии. Они имеют разные углы поворота: средний 45°, левый 75° и правый 90°. Расположение рулей под разными углами позволяет при их перекладке создать повышенный момент вращения судна.

При трехвальной установке предусматривают также бортовые рули, левый с отклонением +55°, правый +60°.

Достаточность площади пера руля, полученной путем расчета по формуле (6), проверяют при испытаниях самоходных моделей на управляемость с рулями, которые для этих целей выполняют в двух-трех вариантах. Во время испытаний измеряют диаметр циркуляции, момент на баллере и силу давления воды на руль. Испытания обычно проводят на крупномасштабных моделях (масштаб 1: 10) в открытом водоеме или бассейне.

Если руль установлен за рудерпостом обтекаемой формы, соответствующей форме пера руля, площадь пера уменьшают на величину F =(bк — b)hp — проекция рудерпоста на диаметральную плоскость (рис. 6). Уменьшенная площадь пера руля должна быть Fp≥0,8Fp. Для судов, работающих в узкостях, и для судов, руль которых не работает в потоке гребного винта, площадь пера руля, полученную по формуле (6), увеличивают на 20%.

Рис. 6. Геометрические характеристики рулей: а — балансирного; б — полубалансирного; в, г — небалансирного; д — носового небалансирного.

1 — профиль пера руля; 2—кронштейн; 3 — рудерпост.

После определения площади пера руля переходят к определению геометрических размеров и выбору его профиля (рис. 6).

Высотой пера hp называется расстояние, измеренное по оси баллера между нижней кромкой пера и точкой пересечения оси баллера с верхней частью контура руля (см. рис. 6).

Перо руля должно быть по возможности выше и уже, т. е. прямоугольный руль должен иметь относительное удлинение
Относительное удлинение судовых рулей составляет Л. = 0,5 Ч- 3,0.

При назначении высоты руля hp следует помнить, что чем больше относительное удлинение т. е. чем больше высота пера по сравнению с его шириной, тем меньше плечо давления воды на перо руля, а следовательно, и момент на баллере руля, от которого зависит выбор мощности рулевой машины.

Высота hp руля назначается конструктивно в зависимости от осадки судна и условий размещения руля в подзоре кормы. Однако она не должна быть меньше диаметра гребного винта. При полной осадке в грузу руль должен быть погружен в воду во избежание ударов волн.

Нижняя кромка пера руля должна быть всегда выше нижней кромки киля (основной линии); чем больше возможен дифферент на корму, тем больше должно быть отстояние нижней кромки пера от киля. Это необходимо для предотвращения возможности поломки руля при задевании за грунт.

Ширина пера руля b зависит от его формы и представляет собой размер по диаметральной плоскости, перпендикулярной к оси баллера. Для рулей прямоугольной формы

У рулей непрямоугольной формы за расчетную ширину принимают среднюю ширину на уровне центра тяжести площади

При выборе типа руля следует отдавать предпочтение балансирным и полубалансирным рулям, так как на их перекладку затрачивается меньшая мощность, чем на перекладку небалансирных рулей.

Профилем руля называется контур сечения его горизонтальной плоскостью, перпендикулярной к оси баллера. Расстояние между крайними точками по длине профиля называется хордой профиля. Длина хорды в данном сечении равна ширине пера.

Форма профиля пера (рис. 7) характеризуется ординатой профиля t и относительной толщиной 1 профиля.

Рис. 7. Профили рулей: а — NACA; б — НЕЖ; в — ЦАГИ.

Ординатой профиля t называется расстояние между двумя точками профиля, измеренное в направлении, перпендикулярном хорде профиля. Наибольшая ордината является его максимальной толщиной tmax. Отношение этой толщины профиля к длине хорды называется относительной толщиной профиля.

Все существующие профили разделяются на тонкие средние t =(0,08÷0,12)b и толстые t> 0,12b. При t > 0,25b гидродинамические качества профиля снижаются.

В практике проектирования рулей пользуются относительной толщиной профиля t = (0,12÷0,21)b.

Положение руля относительно набегающего на него потока характеризуется углом перекладки руля αр, т. е. острым углом между хордой и диаметральной плоскостью. Максимальный угол αр max перекладки руля от диаметральной плоскости рекомендуется принимать для профилированных рулей равным ±35°,
Наилучшими для рулей являются профили: типа НЕЖ, полученные построением по формуле Н. Е. Жуковского; типа ЦАГИ, предложенные аэродинамической лабораторией ЦАГИ; типа NACA, предложенные американской аэродинамической лабораторией. В табл. 1 приведены относительные координаты профилей.

Таблица 1. Координаты профиля руля

Отстояние X сечения профиля руля от его передней кромки, % от b	Профили
	ЦАГИ	НЕЖ	NACA
	Y, % максимальной толщины профиля
0	0	0	0
0,25	10,32	6,80	7,20
0,50	14,54	10,75	10,28
0,75	17,85	12,85	12,45
1,00	20,50	14,75	14,10
1,25	22,70	16,50	15,80
1,75	26,39	19,20	18,55
2,50	31,00	22,60	21,80
3,25	34,80	27,00	24,55
5,00	40,95	31,10	29,60
7,5	46,20	36,90	34,99
10,0	48,25	40,95	39,00
15,0	49,80	46,00	44,55
17,5	50,00	47,50	46,30
20,0	49,80	49,00	47,78
25,0	48,10	50,00	49,50
30,0	46,10	49,50	50,00
40,0	38,70	47,00	48,35
50,0	29,40	40,85	44,00
60,0	21,80	33,35	38,03
70,0	15,10	24,00	30,50
80,0	9,18	15,00	21,85
85,0	6,75	11,10	17,08
90,0	4,47	7,50	12,06
95,0	2,52	3,00	6,70
100,0	1,02	0	1,05

Указанные профили различаются распределением их относительной полноты и расстоянием от передней кромки профиля до его максимального сечения. Профили типа НЕЖ применяют для рулей быстроходных судов, профили типа NACA — для рулей, расположенных за гребными винтами судов, имеющих умеренную скорость, профили типа ЦАГИ — при двухвальной установке с одним рулем, расположенным в диаметральной плоскости.

Тема 3.1. Рулевое устройство.

Назначение: обеспечение управляемости судна, т.е. его способности двигаться по определённой траектории.

Конструкция рулевого устройства.

Общее расположение одного из вариантов рулевого устройства представлено на рисунке.

Рис. 3.1.1. Схема рулевого устройства:

1- перо руля; 2 – фланцевое соединение; 3- опоры баллера;

4 – голова баллера; 5 – рулевой привод; 6 – рулевая машина;

7- штурвал; 8 – рулевая передача; 9 – баллер; 10 – гельмпортовая труба;

11 – петля пера руля; 12 – штырь; 13 – петля рудерпоста;

14 – рудерпост; 15 – пятка ахтерштевня.

Основным элементом, создающим необходимое для маневра усилие, является перо руля 1. Для поворота пера руля на некоторый угол относительно ДП служит баллер 9 – вал переменного по длине диаметра. Участки с увеличенным по сравнению с расчётным диаметром предусматриваются в местах расположения опор баллера 3 для повышения ремонтопригодности. Для соединения баллера и пера руля чаще всего используют либо фланцевое соединение 2, изображённое на рисунке, либо конусное соединение. Баллер руля входит в кормовой подзор корпуса судна через гельмпортовую трубу 10, обеспечивающую непроницаемость корпуса, и имеет не менее двух опор 3 по высоте. Нижняя опора располагается над гельмпортовой трубой и имеет сальниковое уплотнение, препятствующее попаданию воды в корпус судна. Верхняя опора располагается непосредственно у головы баллера, обычно она воспринимает массу баллера и руля, поэтому на баллере делают кольцевой выступ.

Необходимое для поворота руля усилие на баллере создаётся посредством рулевого привода. В состав рулевого привода входят: рулевая машина 6; средства передачи крутящего момента от рулевой машины голове баллера 4 (рулевой привод — румпель или сектор 5); рулевая передача 8; а так же система дистанционного управления рулевым приводом – устройство для передачи команд по перекладке руля с ходового мостика (от штурвала 7) на органы управления рулевой машины.

По распределению площади пера руля относительно оси вращения выделяют следующие типы рулей (рисунок 3.1.2):

Рис. 3.1.2. Классификация рулей по распределению площади:

1 – перо руля; 2 – противоледовый выступ; 3 – баллер;

4 – рудерпост; 5- кронштейн.

— небалансирный (обычный) (рис. 3.1.2, а), ось вращения которого близка к передней (носовой) кромке пера руля (отстоит от неё на расстояние, равное радиусу опоры руля);

— балансирный (рис. 3.1.2, б), ось вращения которого смещена ближе к центру гидродинамического давления (отстоит от передней кромки на расстояние, большее радиуса опоры руля), при этом часть площади пера, находящаяся в нос от оси вращения, называется балансирной;

— полубалансирный (рис. 3.1.2, в), у которого распределение площади в нижней части пера руля соответствует балансирному, а в верхней – обычному рулю;

— подвесной (рис. 3.1.2, г), выделяется в классификации традиционно и является тем же балансирным рулём, отличающимся тем, что непосредственно на пере руля опоры не размещаются.

Балансирные и полубалансирные рули характеризуются коэффициентом балансирности k_d :

,

где: F_d — часть площади пера руля, находящаяся между передней кромкой и осью вращения (балансирная), м 2 ; F – полная площадь пера руля, м 2 .

Для балансирных рулей обычно k_d = 0,21¸0,23, для полубалансирных k_d = 0,15.

Достоинство балансирных и полубалансирных рулей: вследствие меньшего отстояния центра давления от оси вращения момент на баллере требуется меньше, чем у небалансирных.

Недостаток – крепление таких рулей к судну сложнее и менее надёжно.

По форме профиля выделяют следующие типы рулей:

— плоские однослойные, из-за своей низкой эффективности применяются редко – в основном на несамоходных судах;

— профилированные двухслойные (обтекаемые), состоящие из наружной обшивки и внутреннего набора. Набор формируется из горизонтальных рёбёр и вертикальных диафрагм, сваренных друг с другом. Гоизонтальные рёбра крепятся к основе пера руля – рудерпису, представляющему собой массивный вертикальный стержень. Рудерпис изготавливается вместе с петлями для навешивания пера руля на рудерпост. Конкретную форму профиля руля как правило подбирают экспериментально, соответственно, именуют профили по названию лабораторий, в которых они разработаны.

Рулевые приводы, их виды, конструкция и требования к ним.

Рулевой привод предназначен для непосредственного выполнения перекладки руля и контроля его положения.

В составе рулевого привода можно выделить (достаточно условно) следующие элементы:

— устройство для передачи крутящего момента от рулевой машины к баллеру (иногда называемое собственно рулевым приводом);

— рулевая машина – силовая установка, создающая необходимое усилие для поворота баллера;

— рулевая передача, осуществляющая связь между постом управления и рулевой машиной;

Выделяют следующие основные виды рулевых приводов:

— механические (ручные), к которым относятся румпельно-штуртросовые, секторно-штуртросовые, секторные с валиковой проводкой, винтовые румпельные;

— имеющие источник энергии (гидравлические, электрические, электрогидравлические).

Механические приводы применяются только на малых судах и в качестве вспомогательных рулевых приводов.

Требования к рулевым приводам содержатся в Правилах классификации и постройки морских судов РМРС (том 1, раздел III «Устройства, оборудование и снабжение», п. 2 «Рулевое устройство» и том 2, раздел IX «Механизмы», п.6.2 «Рулевые приводы»). Среди основных требований можно выделить следующие:

1. Все суда должны быть снабжены главным и вспомогательным рулевыми приводами, действующими независимо один от другого.

2. Главный привод и баллер должны обеспечивать перекладку руля с 35 0 одного борта на 30 0 другого борта не более чем за 28 с при максимальной эксплуатационной осадке и скорости переднего хода.

3. Вспомогательный привод должен обеспечивать перекладку руля с 15 0 одного борта на 15 0 другого борта не более чем за 60 с при максимальной эксплуатационной осадке и скорости хода, равной половине максимальной эксплуатационной скорости переднего хода или 7 уз (в зависимости от того что больше).

4. На нефтеналивных судах, газовозах и химовозах валовой вместимостью 10000 и более, на прочих судах вместимостью 70000 и более, а также на всех атомных судах главный рулевой привод должен включать в себя два (или более) одинаковых силовых агрегата. Соответственно, для них должны быть предусмотрены две независимых системы управления с ходового мостика.

5. Управление главным приводом должно быть предусмотрено с ходового мостика и из румпельного отделения.

6. Управление вспомогательным приводом должно быть предусмотрено из румпельного отделения, а в том случае если он действует от источника энергии – должно быть предусмотрено также независимое управление с ходового мостика.

7. Конструкция рулевых приводов должна обеспечивать переход при аварии с главного привода на вспомогательный за время не более 2 мин.

8. Должен быть обеспечен контроль положения руля.

Выделяют следующие типы рулевых приводов:

— Продольно-румпельный, в котором одноплечий румпель, насаженный на головку баллера, расположен в продольном направлении (рис. 3.1.3, а);

— Поперечно-румпельный, в котором румпель представляет собой двуплечий рычаг (рис. 3.1.3, б) – название при этом условно, т.к. румпель может находиться как вдоль, так и поперёк ДП судна;

— Секторный, в котором насаженный на головку баллера сектор поворачивается ведущей шестернёй рулевой машины (рис. 3.1.3, в).

а) б) в)

Рис. 3.1.3 Типы рулевых приводов:

а – продольно-румпельный; б – поперечно-румпельный; в секторный.

В настоящее время на крупных судах получил распространение поперечно-румпельный привод с совмещённой с ним четырёхплунжерной гидравлической рулевой машиной.

Выделяют следующие типы рулевых передач:

— валиковая, при которой связь между постом управления и исполнительным механизмом (например, золотником гидравлической рулевой машины) осуществляется посредством системы стальных валиков (отрезков труб), соединённых между собой с помощью шарниров или конических зубчатых передач;

— гидравлическая, в которой используется объёмный гидропривод;

— электрическая, состоящая из системы самосинхронизирующихся двигателей – при вращении штурвала в роторе передающего двигателя (генератора) возбуждается ток, вызывающей вращение ротора приёмника, соединённого с исполнительным механизмом рулевой машины.

Из различных типов рулевых машин наибольшее распространение получили электрические и электрогидравлические рулевые машины.

Наиболее распространёнными на современных судах являются электрогидравлические четырёхплунжерные рулевые машины с поперечно-румпельным рулевым приводом. Конструкция такой ЭГРМ с механической обратной связью приведена на рисунке 3.1.4.

Рис. 3.1.4 Электрогидравлическая рулевая машина (ЭГРМ)

Два идентичных исполнительных механизма ИМ (приводимых в действие электродвигателями 11 от двух электрических линий управления) работают на один выходной управляющий элемент – шток 12. Перемещение штока h (являющееся заданием на перекладку руля) с помощью рычагов BD и FG, соединённых в точке С, и штанги 17 передаётся насосам регулируемой подачи 8, приводимых в действие электродвигателями 7. Насосы согласно полученным перемещениям е₁ и е₂ регулируемых органов создают подачу Q₁ и Q₂ соответственно.

При работе насосов в цилиндрах рулевой машины 6 создаётся перепад давлений р₁ – р₂, в результате чего баллер 3 посредством плунжеров 5 и румпеля 2 поворачивается, и руль 1 перекладывается на некоторый угол a.

При этом обратная механическая связь 4 возвращает посредством рычагов DB и FG штангу 17 в исходное среднее положение, в котором суммарное перемещение регулируемых органов насосов е = 0. Давления в полостях цилиндров выравниваются, перемещение руля останавливается и поддерживается заданный угол a. Таким образом, данная ЭГРМ с механической обратной связью представляет собой автономную следящую систему, включённую последовательно замкнутому контуру электрической системы управления.

Указатели положения руля на мостике получают электрический сигнал от датчика 14, приводимого в действие рычагом 13, соединённым со штоком 12.

Для согласования нулевых положений штанги и управляемых органов насосов служит регулировочное устройство, состоящее из винтовых соединений 15 и 16 на концах штанги NL. Серьги AB и HG компенсируют взаимное перемещение рычагов.

В случае отказа дистанционной системы управления рулевая машина приводится в действие штурвалом 10, соединённым с редуктором 9.

Полу-балансирный руль

Балансирный руль — это руль у которого площадь пера руля расположена частично в нос от оси вращения, то есть от баллера. Часть пера руля расположенная в нос от оси вращения, называется балансирной. Перо руля имеет обтекаемую форму с максимальным сужением в хвостовой части. У балансирного руля ось вращения проходит через перо руля и точка приложения сил давления находится ближе к оси вращения, поэтому для его перекладки нужна меньшая мощность.

Полубалансирный руль имеет балансирную часть только в нижней части пера руля, примерно с половины высоты руля. У полубалансирных рулей, устанавливаемых на быстроходные суда, перо руля сужается сверху вниз как в передней части так и в хвостовой части.

Полубалансирные рули устанавливают как правило по полуподвесной схеме. При такой схеме в верхней части, перо руля поддерживается баллером, а средняя часть насаживается на штырь, установленный на рудерпост в нижней части обтекателя. Такая схема установки полубалансирного руля позволяет почти вплотную приблизить перо руля к рудерпосту и до минимума уменьшить вихреобразование в зазоре между рудерпостом и пером руля. Рудерпост имеет максимально обтекаемую форму для уменьшения сопротивления и берёт на себя значительную часть нагрузки от потока воды.

Для фиксирования пера руля на штыре рудерпоста, в пере руля имеется технологический вырез, который после затяжки болтов закрывается крышкой. На фотографии это круглое отверстие, расположенное чуть выше рудерпоста.

Перо руля делается пустотелым. Оно состоит из рамы, которая обшивается стальными листами. Рама руля состоит из горизонтальных рёбер и вертикальных диафрагм. Сверху и снизу перо руля закрыто торцевыми листами. Внутреннее пространство для обеспечения водонепроницаемости и защиты от коррозии, заполняется смолистым веществом или сомовспенивающимся пенополиуританом.

Полубалансирный руль, установленный по полуподвесной схеме на контейнеровозе дедвейтом 42000 тон. Перо руля и обтекатель рудерпоста имеют максимально обтекаемую форму и вместе с очень обтекаемой формой подводной части корпуса судна, позволяют значительно снизить сопротивление воды.

📹 Видео