§ 40. Принцип действия руля

Чтобы понять, как действует руль, рассмотрим действие самого простого руля – плоского, который представляет собой пластину, расположенную под углом α к набегаю-щему потоку воды. Соответственно, сила, поворачивающая судно (рулевая сила), появля-ется в результате гидродинамического давления воды от набегающего потока. Равнодей-ствующая Р этого давления будет равна суммарной нагрузке, а точка ее приложения – центр давления – определяется как геометрический центр тяжести поверхности руля.

Воспользуемся следующей схемой (рисунок 62): плоский руль АВ положен на угол α на правый борт. На него действует сила Р – равнодействующая сил гидродинамического давления. Точка приложения этой силы – геометрический центр тяжести площади пера руля – отстоит на расстоянии а от оси вращения руля. Суть предложенной схемы состоит в том, что мы прикладываем в центре тяжести судна G две взаимно уравновешенные силы Р1 и Р2, которые равны силе Р по величине и направлены параллельно ей. Центр тяжести в качестве точки приложения этих двух сил принят не случайно. Дело в том, что ось вращения судна при повороте проходит именно через центр тяжести в результате мы получаем следующее:

1. Силы Р и Р1 образуют пару сил, момент которой поворачивает судно вправо величина этого момента определяется по формуле:

Мвр = Р l, (159)

где l – плечо пары сил, равное

l = GВ cos α + a (160)

Приближенно можно считать, что центр тяжести судна находится на мидель-шпангоуте, а величиной а из-за относительной малости ее можно пренебречь, тогда

l ≈ 0.5 L cos α, (161)

где L – длина судна.

Подставим выражение (161) в выражение (159), получим:

Мвр = 0,5 Р L cos α, (162)

2. Силу Р2 можно разложить на две составляющие: Q и R. Сила

Q = P2 cos α = Р cos α (163)

Эта сила , действующая перпендикулярно, диаметральной плоскости, вызывает дрейф судна и создает кренящий момент.

3. Сила R направлена против движения судна, она уменьшает скорость судна. Ее величина может быть определена по формуле:

R = P2 sin α = P sin α (164)

Таким образом, при перекладке руля судно поворачивается, получает крен и дрейф в сторону, противоположную повороту, уменьшает скорость.

Из выражения (162) видно, что на величину момента, вращающего судна, влияют:

1. угол перекладки руля α;

2. равнодействующая сила гидродинамического давления воды на руль Р.

Величину силы Р, действующую на руль, можно вычислить по приближенной формуле Жосселя:

(165)

где F – площадь пера руля в м²,

v – скорость хода судна в узлах,

k – коэффициент, принимаемый для одновинтовых судов10,6, а для двухвинтовых – 5,95.

Оптимальным углом перекладки руля является угол от 30º до 35º. Наибольшие зна-чения вращающего момента Мвр получаются при значениях угла перекладки около ~35º. При перекладке руля на угол более 35º эффективность руля резко снижается, кроме того резко возрастает составляющая R, и скорость судна снижается. Поэтому рулевые устрой-ства судна снабжают ограничителями, не позволяющими перекладывать руль более, чем на 35º.

Момент на баллере, который необходимо создать при перекладке руля, определя-ется по формуле

М = Р а (166)

Учитывая выражение (165) и исходя из того, что а можно примерно считать рав-ным (0,2+0,3 sin α)b, где b – средняя ширина пера руля, получим:

М = k F v² b sin α (167)

Величина этого момента и служит основным параметром для выбора рулевой ма-шины.