Рулевая машина обеспечивает поворот руля в соответствии с сигналом с мостика и является составной частью рулевого устройства.

Рулевое устройство состоит из четырех частей:

– системы управления,

– силового агрегата,

– рулевого привода,

Силовой агрегат и рулевой привод образуют собственно рулевую машину.

Система управления или телепередача передает с мостика сигнал на поворот руля и обеспечивает работу силового агрегата и рулевого привода до тех пор, пока не будет достигнут заданный угол поворота руля. Силовой агрегат создает усилие, необходимое для поворота руля на заданный угол. Рулевой привод – это устройство, посредством которого осуществляется движение непосредственно руля.

Рулевое устройство должно удовлетворять следующим требованиям:

– иметь два независимых средства перекладки руля (при наличии двух силовых агрегатов, вспомогательный или резервный силовой агрегат не требуется);

– мощность и вращающий момент агрегата должны быть такими, чтобы перекладка руля с 35 одного борта на 30 другого осуществлялась при максимальной скорости судна за время не превышающее 28 с;

– вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 15 одного борта на 15 другого не более чем за 60 с при скорости переднего хода, равной половине максимальной, но не менее 7 узлов;

– рулевая машина должна быть защищена от ударных нагрузок;

– должно быть предусмотрено аварийное управление рулевой машиной из румпельного отделения;

– танкеры, имеющие валовую вместимость более 10 000 р.т, должны иметь две независимые системы управления рулевой машиной с мостика.

Рулевые машины могут иметь паровой, электрический и гидравлический привод.

На современных морских судах используются рулевые машины с гидравлическим плунжерным либо лопастным приводом.

5.10.2. Электрогидравлические рулевые машины

Электрогидравлические рулевые машины состоят из следующих основных узлов:

– гидравлического рулевого привода – устройства, поворачивающего баллер руля;

– насосного агрегата (насос и двигатель), обеспечивающего питание гидравлических рулевых приводов рабочей жидкостью;

– органов распределения рабочей жидкости и системы управления насосами и распределением рабочей жидкости;

– системы трубопроводов питания, предохранительных клапанов, компенсаторов; динамических нагрузок, ограничителей мощности и других элементов в зависимости от конструкции рулевой машины.

Гидравлические рулевые приводы – это гидродвигатели, обеспечивающие ограниченные углы поворота исполнительного вала, которым является баллер руля. Наиболее широкое распространение получили плунжерные приводы. В зависимости от значения необходимого вращающего момента применяется двух– либо четырех плунжерный привод. Принципиальная схема такого привода показана на рис. 74.

Рис. 74. Принципиальная схема плунжерного привода:

1– электродвигатель насоса, 2– насос, 3– предохранительный клапан, 4– муфта, 5– румпель, 6– цилиндр, 7– цистерна

Плунжеры движутся в гидравлических цилиндрах, поворачивая румпель шарнирной крестовины, находящейся в развилке плунжеров. Привод обслуживается двумя насосами переменной подачи. Каждый из насосов сообщается трубопроводами со всеми гидравлическими цилиндрами рулевого привода для всасывания и нагнетания масла.

Рядом с цилиндрами находится масляная цистерна, которая снабжена невозвратными клапанами для автоматического пополнения утечек масла из системы. Байпасный клапан объединен с предохранительным клапаном и открывается для перепуска масла в случае сильных ударов волны в перо руля. В этом случае плунжера смещаются, что в свою очередь, вызывает изменение подачи насоса, который нагнетает масло в соответствующий цилиндр, и перо руля возвращается в прежнее положение. Для защиты от поломки рычагов управления при ударной нагрузке используется буферная пружина. При обычных условиях эксплуатации работает один из насосов. Если требуется обеспечить ускоренную перекладку руля, оба насоса могут использоваться одновременно.

На рис. 75 показано устройство 4-х плунжерной электрогидравлической рулевой машины.

Такая машина создает больший вращающий момент и имеет повышенную надежность в случае выхода из строя различных частей установки. Каждый насос может работать на все цилиндры или на два цилиндра правого или левого борта.

Наличие блока клапанов управления, объединяющего предохранительные клапаны, запорные клапаны насосов и цилиндров, байпасные клапаны, повышает живучесть рулевой машины.

При нормальных условиях один насос может обеспечить работу всех цилиндров. В аварийной ситуации могут быть использованы два насоса с ручным управлением для работы двух плунжеров правого борта, двух – левого борта, двух носовых или двух кормовых плунжеров.

Рис. 75. 4-х плунжерная электро-гидравлическая рулевая машина:

1 ,23,25 – насосы переменной подачи, 2,9,19,22 – запорные клапаны цилиндров, 3,10,18,21 – гидравлические цилиндры с плунжерами, 4,8,17,24 – воздушные и манометровые запорные клапаны, 5,7,40,47,48 – масляные трубопроводы цилиндров,6,16,20 – электродвигатели, 11,27 – байпасные клапаны, 12,37 – соединительные звенья, 13,26 – плавающие рычаги, 14 – тяга буферной пружины, 15 – румпель, 28 – маховик местного поста управления, 29,30,31,32,33,34 – невозвратные всасывающие пополнительные клапаны, 35 – приемник телемотора, 36– соединительная тяга насосов, 38,39,49,50,51,52 – запорные клапаны насосов, 41,42,43, 44,45,46,53,54 – масляные трубопроводы между клапанами, 55 – цистерна пополнения масла.

Для того, чтобы система была готова к работе, необходимо заполнить маслом каждый цилиндр рулевого привода, затем установить на место наполнительные пробки и закрыть воздушные краны. Байпасные клапаны при этом должны быть открыты, а цистерна для пополнения заполнена. Воздушные краны на насосах оставляют открытыми до тех пор, пока вытекающее масло содержит пузырьки воздуха. Используя механизм ручного управления, насосы ставят в положение минимальной подачи и проворачивают их вручную, удаляя воздух сначала из одной а затем из другой пар цилиндров. После этого включают электродвигатель насоса и приступают к проверке рулевой машины в действии. При этом еще раз удаляют воздух из цилиндров и насосов через соответствующие краны.

В электрогидравлических рулевых машинах с роторным лопастным приводом рис. 76 лопастной ротор прочно закреплен на баллере.

Рис. 76. Лопастной электро-гидравлический привод:

а – принципиальная схема, б – разрез, 1 – электродвигатель, 2 – насосы, 3 – предохранительный клапан, 4 – корпус, 5 – баллер, 6 – ротор, 7 – масляная полость, 8 – масляная цистерна, 9 – крышка

Ротор может поворачиваться в корпусе, который крепится к судовому набору. Пространство между лопастями ротора и перемычками корпуса образуют полости, объем которых изменяется при повороте ротора. Полости уплотнены специальной набивкой. С обеих сторон поворотных лопастей подведены трубопроводы, каждый из которых имеет кольцевой коллектор. При подаче масла во все полости с левой стороны поворотных лопастей и при всасывании масла из всех полостей с правой стороны обеспечивается поворот ротора по часовой стрелке. Для поворота в противоположном направлении всасывание и нагнетание меняются местами.

Привод обычно имеет три лопасти, благодаря чему обеспечивается перекладка руля на 70 0 .

Перемычки корпуса выполняют функцию стопоров, ограничивающих поворот руля.

Рулевое устройство предназначено для сохранения заданного курса или изменения его в нужном направлении. В состав рулевого устройства входят руль, рулевой привод, рулевая машина и системы дистанционного управления рулевой машиной с ходового мостика.

Руль. Основными органами управления большинства современных морских судов являются рули: обыкновенные, балансирные и полубалансирные. На некоторых судах улучшение ходкости и управляемости достигается установкой винтов с насадками, активных рулей, подруливающих устройств, крыльчатых движителей и др. Перекладка обычных и активных рулей, а также поворотных насадок с нужной скоростью на требуемый угол (от диаметральной плоскости - ДП) или удержание их в заданном положении производится рулевой машиной.

Рулевой привод . Рулевые приводы делятся на две группы: с гибкой связью (штуртросовые, цепные) и с жесткой связью (зубчатые, винтовые, гидравлические).

Выбор типа рулевого привода обусловливается расположением рулевой машины на судне. На большинстве судов, особенно маломерных, рулевая машина располагается в рулевой рубке или под ней на уровне верхней палубы. При таком расположении рулевой машины ее связь с баллером руля осуществляется обычно через гибкую цепную или тросовую передачу. Охватывающую тяговый барабан рулевой машины цепь направляют через ролики вдоль бортов и присоединяют концами к сектору или румпелю, закрепленному на баллере руля. На. прямолинейных участках цепь часто заменяют стальными штангами. В бортовую проводку включают талрепные стяжки для выборки слабины и амортизирующие буферные пружины, работающие на сжатие.

На рис. 4.1 схематически изображен штуртросовый привод с рычажным румпелем.

Рис. 4.1. Схема штуртросового привода с рычажным румпелем

Румпель 5 представляет собой рычаг, один конец которого жестко насажен на головку баллера руля О. Ко второму концу румпеля присоединен штуртрос 4, выполненный из цепи или стального троса. Штуртрос проходит по направляющим блокам 2 и навивается на барабан 1. При вращении барабана один конец штуртроса навивается и тянет за собой румпель, который поворачивает руль, а второй конец в это время сматывается с барабана. Для смягчения толчков от ударов волн о перо руля в системе штуртроса предусмотрены пружинные амортизаторы 3.

Недостатком описанного рулевого привода является появление неизбежной слабины в штуртросах. Это приводит к неточности перекладки руля, так как при перемене направления вращения штуртросового барабана сначала будет выбираться слабина, т. е. будет мертвый ход.

Провисание штуртроса устранено в штуртросовых приводах с секторным румпелем (рис. 4.2). Замена румпеля сектором позволяет уравнять длины сбегающего и набегающего тросов при перекладке пера руля.

Рис. 4.2. Схема секторного штуртросового привода

Рис. 4.3, Схема секторного зубчатого привода

На внешней стороне сектора 3 имеются две канавки, в которых размещены два противоположных конца штуртроса, закрепленные на ступице в точках 1 и 2. Трос к проушинам крепят через амортизирующие пружины, работающие на сжатие. Провисание штуртроса исключается, так как последний не сходит полностью с сектора при его повороте на углы перекладки руля и обеспечивает постоянство плеча, создающего момент на баллере.

Секторный зубчатый рулевой привод показан на рис. 4.3.

Он состоит из зубчатого сектора 2, свободно сидящего на голове баллера 1 руля, и румпеля 3, жестко укрепленного на баллере. Связь между сектором и румпелем осуществляется с помощью буферных пружин 4, которые предохраняют зубчатую передачу от поломки при ударе волн о перо руля. Зубчатый сектор находится в зацеплении с цилиндрической шестерней 5, вал 6 которой вращается рулевой машиной. Секторный зубчатый привод позволяет осуществлять точную перекладку руля.

Расположение рулевой машины на корме в специальном румпельном отделении обеспечивает надежную связь машины с румпелем, однако при этом требуется довольно длинная кинематическая связь рулевой машины с ходовым мостиком.

В современном судостроении более широко применяются рулевые приводы с жесткой связью. Рулевые машины расположены в непосредственной близости от рулевого привода.

На рис. 4.4 изображен винтовой привод, который может приводиться в действие электродвигателем или ручным штурвалом.

Рис. 4.4. Винтовой привод

Привод состоит из вала 12 с правой и левой резьбами, по которому при вращении движутся в разные стороны ползуны 11 и 4, скользящие вдоль неподвижных направляющих 5 и 10. Тягами 3 и 13 ползуны соединены с концами румпеля 1, насаженного на баллер руля 2. Винтовой вал приводится во вращение червяком 8, сидящим на валу двигателя и находящимся в зацеплении с червячным колесом 7 и парой цилиндрических шестерен 9 и 6. Если при вращении вала ползун 11 пойдет вправо, а ползун 4 - влево, то руль будет перекладываться на правый борт. При обратном движении вала ползуны 11 и 4 будут расходиться и руль будет перекладываться на левый борт.

Рулевой привод такой конструкции часто применяют в качестве запасного ручного привода. Его недостатками являются косвенное влияние конечной длины тяг на точность перемещения ползуна, низкий механический КПД и жесткость соединений.

Рулевое устройство является основным средством управления судном, обеспечивающим его поворотливость и удерживающем его на заданном курсе. Основными его частями являются:

пост управления (штурвал или рулевой электрический манипулятор);

рулевая передача от поста управления к рулевому двигателю;

рулевой двигатель;

рулевой привод от рулевого двигателя к баллеру руля;

руль или поворотная насадка, непосредственно обеспечивающие управляемость судна.

Основной пост управления рулём находится в рулевой рубке у путевого компаса и репитера гирокомпаса. Штурвал или пульт управления рулем монтируют обычно на одной колонке с авторулевым генератором. Рулевой указатель помещается на колонке управления и на левой переборке рубки так, что капитан и вахтенный помощник имели возможность постоянно контролировать положение пера руля.

Штурвал или манипулятор. Штурвал представляет собой колесо с рукоятками, при помощи которых оно вращается на валу, поме­щающемся в специальной штурвальной тумбе.

Поворотом штурвала рулевой приводит в движение всю рулевую систему. Для простоты управления штурвал устроен таким обра­зом, что вращение его вправо соответ­ствует повороту носа корабля вправо и на­оборот.

Электрический рулевой манипулятор пред­ставляет собой рукоятку, установленную на специальной тумбе. Движение рукоятки вправо или влево через электрическую пере­дачу приводит в движение рулевой электродвигатель, с помощью которого руль пово­рачивается в соответствующую сторону. Штурвалы (манипуляторы) устанавливаются в постах управления кораблем (в рулевой поход­ной рубке, в боевых рубках, в центральном посту и в румпельном отделении).

Для обеспечения контроля за положением руля на тумбе штур­вала или манипулятора или рядом с ними устанавливаются руле­вые указатели, показывающие угол отклонения руля.

Рулевая передача. Поворот штурвала приводит в движение рулевую передачу, которая служит для управления рулевым дви­гателем, находящимся обычно в кормовой части корабля. Суще­ствует несколько систем рулевых передач.

Валиковая передача состоит из систем стальных или бронзовых валиков, соединенных друг с другом с помощью кони­ческих шестеренок или шарниров.

Валиковая передача имеет существенные недостатки: шесте­ренки довольню быстро срабатываются, деформация палуб и про­гиб валиков могут вывести из действия все рулевое устройство.

Гидравлическая передача представляет собой систему, состоящую из двух цилиндров, соединенных между собою тонкими медными трубками. Один из цилиндров расположен в нижней части штурвальной тумбы, и поршень его связан со штурвалом. Поршень другого цилиндра, находящийся у рулевой машинки, связан с ее золотником. Вся система заполнена жид­костью (смесью глицерина с водой или минеральным маслом).

Схема валиковой передачи.

1 - штурвал, 2 -конические шестеренки, 3- валики, 4 - рулевой двигатель, 5 - руль.

Схема гидравлической передачи.

1 - штурвал, 2 - манипуляторная часть, 5 - трубопроводы, 4 - поршень исполнительной части.

Штуртросовая передача.

При повороте штурвала поршень цилиндра, находящегося в штурвальной тумбе, давит на жидкость и заставляет ее перели­ваться по трубкам, а так как жид­кость в практических условиях не сжимается, то перемещается пор­шень второго цилиндра.

Гидравлическая передача мало живуча, так как, если трубка будет перебита, передача выходит из строя и для ее восстановления тре­буется много времени.

Электрическая передача в на­стоящее время должна быть призна­на наиболее совершенной системой. Она осуществляется при помощи электрических проводов. Ос­новным элементом этих передач являются контроллеры, располо­женные в штурвальной тумбе и связанные специальным электро­проводом, проложенным в наиболее защищенных частях судна, с электрической рулевой машиной, находящейся в румпельном отделении. Контроллеры поворачиваются штурвалом, ручным качающимся коромыслом или специальными ручками и приводят в движение электрическую рулевую машину

Штуртросовая передача применяется на малых судах. Она состоит из стальных тросов или цепей, связанных с одной стороны со штурвалом, а с другой - непосредственно с рулевым приводом. Главный недостаток штуртросовой пере­дачи - это значительное трение в роликах или шкивах, по кото­рым проходит штуртрос, а также ее быстрое растяжение, приводящее к образованию мертвых ходов.

Аксиометр - прибор для указания положения руля относи­тельно диаметральной плоскости судна. Он установлен на штур­вальной тумбе или рядом с нею. Стрелка показывает, на сколь­ко градусов переложен руль вправо или влево, при этом загорается соответственно зеленая или красная сигнальная лампочка; при прямом положении руля горит белая лампочка.

Рулевой двигатель приводит в движение рулевые приводы. Существует очень много конструк­ций рулевых двигателей, но чаще всегона судах имеются электриче­ские и электрогидравлические машины.

На случай порчи рулевого двига­теля он снабжается удобным сред­ством для выключения его из рулевой системы и перехода к ручному упра­влению.

Рулевые приводы. Для передачи рулю усилий, развиваемых рулевыми двигателями, применяются рулевые приводы. В качестве рулевых двигателей на судах имеются электриче­ские и электрогидравлические машины.

Рулевые приводы обеспечивают передачу усилий рулевого дви­гателя к баллеру.

Секторно-румпельный привод применяется па некото­рых современных судах небольшого тоннажа. В таком приводе румпель жестко скреплен с баллером руля. Сектор, свободно наса­женный на баллер, связан с румпелем при помощи пружинного амортизатора, а с рулевым двигателем - зубчатой передачей. Пе­рекладка руля осуществляется рулевым двигателем через сектор и румпель, а динамические нагрузки от ударов волн гасятся аморти­заторами.

На современных судах рулевые машины совмещаются с руле­выми приводами, что позволяет добиться высокого коэффициента полезного действия всего устройства.

Наибольшее распростране­ние из таких комбинированных устройств получили электрогидрав­лические машины.

В отечественном судостроении применяют плунжерные электро-гидравлические машины. В них давление рабочей жидкости пре­образуется в поступательное движение плунжера, которое затем через механическую передачу преобразуется во вращательное дви­жение румпеля. В качестве рабочей жидкости в таких машинах применяется минеральное масло. Машины выпускаются в двух и четырехцилиндровом исполнении.

В такой машине с баллером руля 1 жестко связан рум­пель 2 и на нем установлен ползун, соединенный с плун­жерами 3 двух цилиндров 4. Цилиндры соединены трубопроводами с насосом 6, приводимым в действие электродвигателем 5. Масло, перекачиваемое посредством насоса из одного цилиндра в дру­гой, вызывает поступательное перемещение поршней, поворачива­ющих баллер через румпель. Амортизатором является перепуск­ной клапан 7, который посредством дополнительного трубопровода соединен с обоими цилиндрами. При ударах воли в перо руля в од­ном из цилиндров создается излишнее давление. Тогда клапан приоткрывается, и масло перемещается из одного цилиндра в другой. На крупнотоннажных теплоходах, обычно устанавливают четырехцилиндровые электрогидравлические машины, создающие большие вращающие моменты.

На баллере 1 жестко насажен румпель 2, который через ползуны 3 соединен с плунжерами 4 гидроцилиндров 5. Электродвигателями 6 приводят­ся в действие радиально-поршневые насосы переменной подачи 7. Рычагом управления 8, приводимым в действие телемоторами 9 с поста управлении через тягу 10 с амортизаторами 11, ведется регулировка работы насосов. При повороте вправо насосы подают рабочую жидкость (масло) в правый носовой, и левый кормовой цилиндры. Давлением масла через плунжеры, ползуны и румпель, вращающий момент, как указано сплошными стрелками, будет пе­редан на баллер, и руль повернется вправо. Штриховые стрелки показывают направление тока масла при повороте руля влево.

Переключением клапанов в клапанной коробке можно вводить в действие четыре или два цилиндра (носовую или кормовую па­ры). Могут быть включены два насоса или один из них. Переклю­чение производится в румпельном отделении. На некоторых судах переключение может производиться с мостика. Как правило, в стес­ненных водах, в узкостях, на подходах к портам включают оба на­соса. В открытом море в действии обычно находится один.

Штурвалом запасного управления перекладка руля осуществляется из румпельного отделения, где установлен репитер гирокомпаса. Такая система име­ет аварийный ручной насос, установленный вне румпельного отде­ления и имеющий отдельный трубопровод, который на рисунке не показан. При работе ручного насоса действует только одна пара цилиндров.

Преимуществами электрогидравлических машин являются: по­лучение больших усилий и крутящих моментов при малых массах и размерах на единицу мощности, плавное бесшумное изменение скорости в широких пределах, высокий коэффициент полезного дей­ствия, надежное смазывание трущихся частей маслом, применяе­мым в качестве рабочей жидкости, возможность надежной зашиты от перегрузок и долговечность при дублировании основных узлов.

При эксплуатации электрогидравлических машин необходимо учитывать, что их работа зависит от качества работы гидронасосов. Все замеченные неполадки в работе таких машин обычно относятся к насосам и элементам системы управления. Так, не отфильтрованное масло в системе, окалина, оставшаяся в трубах, металлическая стружка во внутренних полостях деталей могут служить причиной выхода из строя насосов и системы управления машиной. Сам же плунжерный агрегат надежен и долговечен.

В соответствии с требованиями Регистра РФ рулевое устрой­ство морских судов должно иметь три привода: основной, запасный и аварийный.

Основной привод должен обеспечивать непрерывную перекладку руля с борта на борт при максимальной скорости переднего хода, при этом время перекладки руля с крайнего положения 35° одного борта до 30° другого не должно превышать 28 с.

Запасный рулевой привод должен обеспечивать непрерывную пе­рекладку руля с борта на борт при скорости переднего хода, рав­ной половине максимальной, но не менее 7 уз. Запасный рулевой привод должен действовать независимо от основного, и его необ­ходимо устанавливать на всех судах, кроме судов с основными руч­ными приводами при наличии аварийного румпеля, судов с несколькими раздельно управляемыми рулями и судов с одной электрогидравлической рулевой машиной при наличии двух независимых гид­ронасосов. Переход с основного на запасное рулевое управление должен быть выполнен за время, не превышающее 2 мин.

Аварийный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с борта на борт при скорости переднего хода не менее 4 уз. Аварийный привод не должен располагаться ниже палубы перебо­рок. Установка его не требуется, если основной и аварийный при­воды расположены в помещении, целиком находящемся выше са­мой высокой грузовой ватерлинии.

Допускается, чтобы основной, запасный и аварийный рулевые приводы или два агрегата основного привода имели некоторые об­щие части, например румпель, сектор, редуктор или цилиндровый блок, но при условии, что конструктивные размеры этих частей бу­дут увеличены в соответствии с требованиями Регистра СССР.

Румпель-тали могут рассматриваться как запасный или аварий­ный рулевой привод только для судов валовой вместимостью до 500 per. т; если они могут присоединиться к электрическому шпи­лю или лебедке, то они будут рассматриваться как запасный при­вод, действующий от источника энергии.

Рулевое устройство должно иметь систему ограничителей пово­рота руля, допускающую его перекладку на угол не более 36,5°. Си­стема управления рулевым приводом должна быть такой, чтобы перекладка руля прекращалась раньше, чем руль дойдет до огра­ничителя, и во всяком случае не позднее момента, соответствую­щего перекладке его на угол 35°.

Около каждого поста управления рулевым приводом должен быть указатель положения пера руля. Такие указатели должны быть и в румпельном отделении. Точность показаний относительно истинного положения пера руля должна быть не менее: Г - при положении руля в диаметральной плоскости; 1,5° - при углах пе­рекладки от 0 до 5°; 2,5° - при углах перекладки от 5 до 35°.

Рули. Рулем называется та часть рулевой системы, которая под действием обтекающей корабль воды заставляет его делать пово­роты.

Рули бывают обыкновенные, балансирные и полубалансирные.

Обыкновенные и полубалансирные рули , состоят из пера 1 , рудерпнеа 4 и баллера 2 . Для облегчения перо выпол­няется в виде листовой рамы, прикрываемой стальными листами.

Рудерпис имеет ряд петель 5 , в которые вставляются штыри 6 . На рудерпосте имеются петли с отверстиями для навешивания руля. Баллер руля проходит через отверстие в корпусе корабля, называемое гельмпортом. Чтобы не допустить воды внутрь корабля, гельмпорт укупоривается сальником 9 . Самая верхняя часть баллера называется головой руля.

Обыкновенный руль.

1 - перо руля, 2 - баллер, 3- голова руля, 4 - рудерпис, 5 - петли, 6-щтыри, 7- пятка, 8 - рудерпост, 9- сальник.

Балансирный руль не имеет рудерписа. Он упирается специаль­ными выступами на петли, помещающиеся внутри корабля.

Действие руля. Когда судно стоит неподвижно, то перекладка руля в ту или другую сторону никакого действия на корабль не окажет. На ходу, если руль стоит прямо, т. е. в средней про­дольной (диаметральной) плоскости, судно будет идти прямо. Происходит это от того, что струя встречной воды равно­мерно с обоих бортов обтекает корпус

Положение руля на переднем ходу. а - вправо, б - влево.

судна и перо руля. Но как только руль будет положен на переднем ходу в сторону, на­пример, вправо, то струи воды, идущие вдоль правого борта, встретят на своем пути перо руля и начнут на него давить. С ле­вого же борта вода никакого препятствия встречать не будет. Под давлением водяных струй справа руль, а вместе с ним и корма начнут подаваться влево, нос пойдет в противоположную сторону, и судно покатится вправо.

При положении руля влево будем наблюдать отклонение кормы вправо, а носа - влево

На заднем ходу произойдет обратное явление: при перекладке руля вправо встречные струи воды будут давить на левую сто­рону пера руля и толкать корму вправо, а нос - влево, при перекладке руля, влево корма пойдет влево, а нос вправо.

Положение руля на заднем ходу. а- вправо, б - влево.

Отсюда следует, что на переднем ходу корабль катится в ту же сторону, в которую положен руль, а на заднем - в сторону, обрат­ную положению руля.

Причины, влияющие на поворотливость. При управлений ко­раблем необходимо считаться с влиянием на поворотливость работы винтов, инерции, крена, ветра, волны.

При разборе влияния на поворотливость корабля работы вин­тов нужно знать наименование шага последних. Винт, вращаю­щийся по часовой стрелке, если смотреть на него, с кормы в нос, называется винтом правого шага (рис. 147); винт, вращающийся против часовой стрелки, - винтом левого шага (рис. 148).

На одновинтовых кораблях ставят винты правого шага, я на двухвинтовых так, чтобы они работали наружу, т, е. справа - винт правого шага, а слева - левого (рис. 149).

Под действием винта правого шага одновинтовой корабль стремится уклониться носом вправо: на переднем ходе немного, а на заднем - сильно. Поэтому при разворачивании в узкости всего лучше делать поворот вправо, если это возможно.

На двух винтовом судне действие винтов взаимно уравновешивается, если они работают с одинаковой силой.

Насадка на винт, установленная вместо руля, зна­чительно улучшает поворотливость судна. Применение ее обеспе­чивает также увеличение скорости хода судна на 4-5% при постоянной мощности главного двигателя. Насадка представляет

собой надетое на винт и укрепленное на баллере кольцо, которое разворачиваться в горизонтальной плоскости. Отбрасываемая гребным винтом струя создает реактивную силу, обеспечиваю поворот судна. В хвостовой части насадки в плоскости оси баллера имеется стабилизатор, усиливающий рулевое действие насадки

Дополнительно к основным средствам управления могут быть установлены также средства активного управления (САУ) , причем некоторые из них нe только улучшают поворотливость, но и обеспечивают перемещение судна лагом.

Средства активизации управ­ления (САУ) нашли широкое при­менение на флоте, так как они, во-первых, обеспечивают маневрирование судна на малых ходах, и, во-вторых, улучшают маневренность судна при швартовке.

К наиболее часто встречающимся САУ на судах относятся: активные рули (АР), подруливающие устройства (ПУ), вспомогательные движительно-рулевые колонки (ВДРК).

Активный руль имеет вспомогательный винт в насадке на задней кромке кормового руля. Электрический двигатель вспомогательного винта заключен в каплевидный кожух, питание к нему подается по пустотелому баллеру, а управление выведено в ходовую рубку. На некоторых судах этот двигатель, смонтированный в торце баллера, находится в румпельном отделении и соединен с винтом с помощью вала, находящегося внутри баллера. При работе вспомогательного винта создается сила упора.

Поворот активного руля на некоторый угол к диамет­ральной плоскости создает момент, разворачивающий корму в сторону, противоположную перекладке руля. При этом намного уменьшается диаметр циркуляции, а поворотливость судна не зависит от скорости хода -
гребной винт от главного двигателя может вообще не вращаться.

При прямом положении руля вспомогательный винт активного руля обеспечивает судну ход до 3 узлов.

Подруливающее устройство (ПУ) представляет собой движитель, заключенный в поперечный туннель ниже ватер­линии и создающий упор в перпендикулярном диаметральной плоскости направлении. Туннель обычно расположен в носовой части судна, но на некоторых судах подруливающее устройство и туннель устроены и в носу, и в корме; в этом случае судно может перемещаться лагом. Рабочим органом ПУ могут быть винты (одиночные и парные), крылатые движители или насосы. Входные отверстия туннеля закрыты жалю­зи, а в туннельной трубе помещены редуктор и два винта, враща­ющиеся в разные стороны. Реверсивный электродвигатель через редуктор передает вращение на гребные валы ПУ.

Выдвижная движительно-рулевая пово­ротная колонка, которую вместе с винтом и на­садкой можно вращать по всему горизонту, что дает возмож­ность создать упор в любом направлении. На ходу судна уст­ройство убирается в специальную шахту в корпусе и не оказывает дополнительного сопротивления движению судна.

§ 31. Рулевое устройство

Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна, обеспечивая перекладку пера руля на некоторый угол в заданный промежуток времени.

Основные элементы рулевого устройства показаны на рис. 54.

Руль - основной орган, обеспечивающий работу устройства. Он действует только на ходу судна и в большинстве случаев располагается в кормовой части. Обычно на судне один руль. Но иногда для упрощения конструкции руля (но не рулевого устройства, которое при этом усложняется) ставят несколько рулей, сумма площадей которых должна быть равной расчетной площади пера руля.

Основной элемент руля - перо. По форме поперечного сечения перо руля может быть: а) пластинчатым или плоским, б) обтекаемым или профилированным.

Преимущество профилированного пера руля в том, что сила давления на него превосходит (на 30% и более) давление на пластинчатый руль, что улучшает поворотливость судна. Отстояние центра давления такого руля от входящей (передней) кромки руля меньше, и момент, необходимый для поворота профилированного руля, также меньше, чем у пластинчатого руля. Следовательно, потребуется и менее мощная рулевая машина. Кроме того, профилированный (обтекаемый) руль улучшает работу винта и создает меньшее сопротивление движению судна.

Форма проекции пера руля на ДП зависит от формы кормового образования корпуса, а площадь - от длины и осадки судна (L и Т). У морских судов площадь пера руля выбирается в пределах 1,7-2,5% от погруженной части площади диаметральной плоскости судна. Ось баллера является осью вращения пера руля.

Баллер руля в кормовой подзор корпуса входит через гельм- портовую трубу. На верхней части баллера (голове) крепится на шпонке рычаг, называемый румпелем , служащий для передачи вращательного момента от привода через баллер на перо руля.

Рис. 54. Рулевое устройство. 1 - перо руля; 2 -баллер; 3 - румпель; 4 - рулевая машина с рулевым приводом; 5 -гельмпортовая труба; 6 - фланцевое соединение; 7 - ручной привод.

Судовые рули принято классифицировать по следующим признакам (рис. 55).

По способу крепления пера руля с корпусом судна различают рули:

А) простые - с опорой на нижнем торце руля или со многими опорами на рудерпосте;

Б) полуподвесные - с опорой на специальном кронштейне в одной промежуточной точке по высоте пера руля;

В) подвесные - висящие на баллере.

По положению оси вращения относительно пера руля различают рули:

А) пебалапсириые - с осью, размещенной у передней (входящей) кромки пера;

Б) полубалансирные - с осью, расположенной на некотором расстоянии от передней кромки руля, и отсутствием площади в верхней части пера руля, в нос от оси вращения;

Рис. 55. Классификация судовых рулей в зависимости от способа крепления их с корпусом и расположения оси поворота: а - небалансирные; б- балансирные. 1 - простой; 2 - полуподвесной; 3 - подвесной.

в) балансирные - с осью, расположенной так же, как у полу- балансирного руля, но с площадью балансирной части пера на всю высоту руля.

Отношение площади балансирной (носовой) части ко всей площади руля называется коэффициентом компенсации, который у морских судов лежит в пределах 0,20-0,35, а у речных 0,10-0,25.

Рулевой привод представляет собой механизм, передающий на руль усилия, развиваемые в рулевых двигателях и машинах.

Рулевая машина на судах приводится в действие электрическими или электрогидравлическими двигателями. На судах длиною менее 60 м разрешается вместо машины установка ручных приводов. Мощность рулевой машины выбирается исходя из расчета перекладки руля на предельный угол до 35° с борта на борт за 30 сек.

Рулевой привод предназначается для передачи команд от штурмана из рулевой рубки к рулевой машине в румпельное отделение. Наибольшее применение находят электрическая или гидравлическая передачи. На малых судах применяются валиковые или тросовые приводы, в последнем случае этот привод называют - штуртросовым.

Рис. 56. Активный руль: а - с конической передачей на винт; б - с электромотором водяного исполнения.

Контрольные приборы следят за положением рулей и исправным действием всего устройства.

Приборы управления передают приказания рулевому при управлении рулем вручную. Рулевое устройство - одно из самых важных устройств, обеспечивающих живучесть судна.

На случай аварии рулевое устройство имеет дублирующий пост управления рулем, состоящий из штурвала и ручного привода, расположенных в румпель- ном отделении или вблизи от него.

На малых ходах судна рулевые устройства становятся недостаточно эффективными и порой делают судно совершенно неуправляемым.

Для повышения маневренности на современных судах некоторых типов (промысловых, буксирах, пассажирских и специальных судах и кораблях) устанавливают активные рули, поворотные насадки, подруливающие устройства или крыльчатые движители. Эти устройства позволяют судам самостоятельно выполнять сложные маневры в открытом море, а также проходить без вспомогательных буксиров узкости, входить на акваторию рейда и гавани и подходить к причалам, разворачиваться и отходить от них, экономя на этом время и средства.

Активный руль (рис. 56) представляет собой перо обтекаемого руля, на задней кромке которого установлена насадка с гребным винтом, приводящимся в движение от валиковой кони- ческой передачи, проходящей через пустотелый баллер и вращающийся от электродвигателя, установленного на голове баллера. Существует тип активного руля с вращением винта от электродвигателя водяного исполнения (работающего в воде) вмонтированного в перо руля.

При перекладке активного руля на борт работающий в нем винт создает упор, разворачивающий корму относительно оси поворота судна. При работе гребного винта активного руля на ходу судна скорость судна увеличивается на 2-3 узла. При остановленных главных двигателях от работы гребного винта активного руля судну сообщается малый ход до 5 узл.

Поворотная насадка , установленная вместо руля, при перекладке на борт отклоняет отбрасываемую гребным винтом струю воды, реакция которой вызывает разворот кормовой оконечности судна. Поворотные насадки преимущественно находят применение на речных судах.

Подруливающие устройства выполняются обычно в виде туннелей, проходящих через корпус, в плоскости шпангоутов, в кормовой и носовой оконечностях судна. В туннелях размещается гребной винт, крыльчатый или водометный движитель, создающие струи воды, реакции которых, направленные от противоположных бортов, разворачивают судно. При работе кормового и носового устройства на один борт судно перемещается лагом (перпендикулярно диаметральной плоскости судна), что очень удобно при подходе или отходе судна от стенки.

Крыльчатые движители, установленные в оконечностях корпуса также увеличивают маневренность судна.

Рулевое устройство подводной лодки обеспечивает более разнообразные ее маневренные качества. Устройство предназначается для обеспечения управляемости подводных лодок в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Управление подводной лодкой в горизонтальной плоскости обеспечивает плавание лодки по заданному курсу и осуществляется вертикальным и рулями , площадь которых несколько больше площади рулей надводных судов и определяется в пределах 2-3% от площади погруженной части диаметральной плоскости лодки.

Управление подводной лодкой в вертикальной плоскости на заданной глубине обеспечивается при помощи горизонтальных рулей.

Рулевое устройство горизонтальных рулей состоит из двух пар рулей с их приводами и передачами. Рули делаются парными, т. е. на одном горизонтальном баллере располагаются по бортам лодки два одинаковых пера руля. Горизонтальные рули бывают кормовыми и носовыми в зависимости от места расположения по длине лодки. Площадь кормовых горизонтальных рулей больше площади носовых рулей в 1,2-1,6 раза. Благодаря этому эффективность кормовых горизонтальных рулей в 2-3 раза выше эффективности носовых. Для увеличения момента, создаваемого кормовыми горизонтальными рулями, их обычно располагают за винтами.

Носовые горизонтальные рули на современных подводных лодках являются вспомогательными, их делают заваливающимися и устанавливают в носовой надстройке выше ватерлинии, чтобы не создавать дополнительного сопротивления и не мешать управлению лодкой при помощи кормовых горизонтальных рулей на больших скоростях подводного хода.

Обычно на полной и средней скорости подводного хода управление подводной лодкой производится при помощи одних кормовых горизонтальных рулей.

При малой скорости хода управление лодкой кормовыми горизонтальными рулями становится невозможным. Скорость, при которой лодка теряет управляемость, называется инверсивной скоростью . На этой скорости лодка должна управляться одновременно кормовыми и носовыми горизонтальными рулями.

Основные составные элементы рулевого устройства горизонтальных рулей и вертикальных рулей однотипны.

Рулевое устройство служит для изменения направления 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. Рулевое устройство состоит из руля, баллера, рулевого привода, рулевой передачи, рулевой машины и поста управления (рис. 6.1).

Рулевое устройство должно иметь два привода: главный и вспомогательный.
Главный рулевой привод - это механизмы, исполнительные приводы перекладки руля, силовые агрегаты рулевого привода, а также вспомогательное оборудование и средства приложения крутящего момента к баллеру (например, румпель или сектор), необходимые для перекладки руля с целью управления судном в нормальных условиях эксплуатации.
Вспомогательный рулевой привод – это оборудование необходимое для управления судном в случае выхода из строя главного рулевого привода, за исключением румпеля, сектора или других элементов, предназначенных для той же цели.
Главный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 350 одного борта на 350 другого борта при максимальной эксплуатационной осадке и скорости переднего хода судна не более чем за 28 секунд.
Вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 150 одного борта на 150 другого борта не более чем за 60 секунд при максимальной эксплуатационной осадке судна и скорости, равной половине его максимальной эксплуатационной скорости переднего хода.
Управление вспомогательным рулевым приводом должно быть предусмотрено из румпельного отделения. Переход с главного на вспомогательный привод должен выполняться за время, не превышающее 2 минуты.
Руль – основная часть рулевого устройства. Он располагается в кормовой части и действует только на ходу судна. Основной элемент руля – перо, которое по форме может быть плоским (пластинчатым) или обтекаемым (профилированным).
По положению пера руля относительно оси вращения баллера различают (рис. 6.2):
- 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.

В зависимости от принципа действия различают пассивные и активные рули. Пассивными называются рулевые устройства, позволяющие производить поворот судна только во время хода, точнее сказать, во время движения воды относительно корпуса судна.
Винторулевой комплекс судов не обеспечивает их необходимую маневренность при движении на малых скоростях. Поэтому на многих судах для улучшения маневренных характеристик используются средства активного управления, которые позволяют создавать силу тяги в направлениях, отличных от направления диаметральной плоскости судна. К ним относятся: активные рули, подруливающие
устройства, поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.

Активный руль – это руль с установленным на нем вспомогательным винтом, расположенным на задней кромке пера руля (рис. 6.3). 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 используется на малых скоростях до 5 узлов. При маневрировании на стесненных акваториях активный руль может использоваться в качестве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна. При больших скоростях винт активного руля отключается, и перекладка руля осуществляется в обычном режиме.

Раздельные поворотные насадки (рис. 6.4). Поворотная насадка – это стальное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного. Гребной винт располагается в наиболее узком ее сечении. Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль. Раздельные поворотные насадки установлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания, и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Подруливающие устройства (рис. 6.5). Необходимость создания эффективных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами. ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства. Подруливающими устройствами оборудовано большое количество судов самого разного назначения. В сочетании с винтом и рулем ПУ обеспечивает высокую маневренность судна, возможность разворота на месте при отсутствии хода, отход или подход к причалу практически лагом.

В последнее время получила распространение электродвижущаяся система AZIPOD (Azimuthing Electric Propulsion Drive), которая включает в себя дизельгенератор, электромотор и винт (рис. 6.6).

Дизель-генератор, расположенный в машинном отделении судна, вырабатывает электроэнергию, которая по кабельным соединениям передается на электромотор. Элетромотор, обеспечивающий вращение винта, расположен в специальной гондоле. Винт находится на горизонтальной оси, уменьшается количество механических передач. Винторулевая колонка имеет угол разворота до 3600, что значительно повышает управляемость судна.
Достоинства AZIPOD:
– экономия времени и средств при постройке;
– великолепная маневренность;
– уменьшается расход топлива на 10 – 20 %;
– уменьшается вибрация корпуса судна;
– из-за того, что диаметр гребного винта меньше – эффект кавитации снижен;
– отсутствует эффект резонанса гребного винта.

Один из примеров использования AZIPOD – танкер двойного действия (рис.6.7), который на открытой воде двигается как обычное судно, а во льдах двигается кормой вперёд как ледокол. Для ледового плавания кормовая часть DAT оснащена ледовым подкреплением для ломки льда и AZIPOD.

На рис. 6.8. показана схема расположения приборов и пультов управления: один пульт для управления судном при движении вперед, второй пульт для управления судном при движении кормой вперед и два пульта управления на крыльях мостика.