Рулевое устройство судна

Рулевое устройство является одним из важнейших устройств, так как обеспечивает судну мореходное качество — управляемость. Как правило, основные элементы рулевого устройства располагаются в корме, но некоторые суда имеют и носовое рулевое устройство.

В зависимости от расположения оси вращения различают балансирные, небалансирные и полубалансирные рули. Ось вращения балансирного руля проходит через перо руля, а небалансирного — совпадает с передней кромкой пера. У полубалансирного руля в нос от оси вращения выступает только нижняя часть пера. Момент сопротивления повороту балансирного или полубалансирного руля меньше, чем небалансирного, и соответственно меньше требуемая мощность рулевой машины.

По способу крепления рули разделяют на подвесные и простые.

Рулевое устройство должно иметь два привода:

• главный
• 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 35° одного борта на 35° 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 15° одного борта на 15° 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.

Перо руля (руль)

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.

По способу крепления к корпусу судна рули могут быть навесные (рис. 86) и полуподвесные (рис. 87). Навесные рули отличаются надежностью крепления, а полуподвесные обладают лучшими гидродинамическими качествами.

По форме поперечного сечения различают плоские и обтекаемые рули. На рис. 86 показан плоский двухслойный руль, состоящий из лито-сварного каркаса, закрытого снаружи листами стали соответствующей толщины. Такие рули обладают высокой прочностью и устанавливаются обычно на ледоколах. Обтекаемый руль (рис. 87 и 91) имеет в сечении каплеобразную форму и состоит из вертикальных и горизонтальных диафрагм, закрытых стальной сварной обшивкой.

Обтекаемые рули имеют перед плоскими некоторые преимущества: при перекладке создают большую гидродинамическую силу давления воды, что улучшает поворотливость судна; центр гидродинамического давления располагается ближе к оси вращения, а это уменьшает момент на баллере, снижая мощность рулевой машины; испытывают меньшее сопротивление воды; улучшают работу гребного винта, расположенного перед рулем.

После изготовления пустотелые рули испытывают на прочность и плотность наливом воды или надувом воздуха. Внутренняя полость плоских двухслойных или обтекаемых рулей может заливаться смолистым веществом или окрашиваться и оставаться полой.

На некоторых судах, имеющих небольшую осадку, вместо руля может быть установлена поворотная насадка (рис. 88). Конструкция полого кольца насадки в поперечном сечении аналогична конструкции обтекаемого руля. Система продольных и кольцевых диафрагм закрывается по периметру обшивкой. В кормовом конце насадки иногда устанавливают стабилизаторы для уменьшения гидродинамического момента на баллере. Изменение курса судна происходит вследствие отбрасывания струи воды винтом через насадку в сторону какого-либо борта.

Баллер служит для передачи вращающего момента на руль и перекладки последнего на необходимый угол. Баллер представляет собой изогнутый или прямой стальной цилиндрический брус, который крепится к рулю с помощью фланцев (рис. 86). Соединение может быть конусным на шпонках (рис. 87) с затяжкой гайкой. Подшипники создают опору баллеру руля. Они могут быть опорными (при навесном руле) и опорно-упорными (при подвесном или полуподвесном руле). В состав подшипника может входить сальниковое устройство для обеспечения непроницаемости корпуса судна в месте прохода баллера.

Румпель имеет вид рычага, который насаживается своей обоймой на верхнюю часть баллера. Румпель соединен с баллером на шпонках, что обеспечивает передачу усилия рулевой машины на баллер.

Сектор насаживается на верхнюю часть баллера свободно. Связывается с румпелем с помощью пружин. Сектор приводится во вращение рулевым приводом и передает усилие вращения через румпель на баллер.

Рулевой привод служит для передачи мощности рулевой машины на сектор или непосредственно на румпель. Простейшим рулевым приводом является секторно-штуртросовый привод (рис. 89). При вращении штурвала цепь штуртроса перепускается через звездочку и приводит во вращение сектор. Такой привод может применяться в качестве основного на мелкотоннажных судах и в качестве запасного на крупнотоннажных.

Секторный привод с валиковой передачей (рис. 90) устанавливают на судах в качестве основного или запасного. Вращение штурвала приводит во вращение систему трубчатых валиков. Конечный валик вращает через редуктор цилиндрическое зубчатое колесо, входящее в зацепление с зубчатой рейкой сектора.

Секторно-зубчатый привод (рис. 91) применяется в случае установки рулевой машины непосредственно в румпельном отделении. Вращение электромотора через редуктор передается на сектор. Электромотор включается из рулевой рубки.

Электрогидравлический плунжерный рулевой привод (рис. 92) применяется на крупнотоннажных судах, так как может развить большой момент на баллере. При работе насоса масло перекачивается из одного гидроцилиндра в другой, что заставляет двигаться плунжер, соединенный с румпелем.

Электрогидравлический лопастной рулевой привод (рис. 93) имеет небольшие габариты и массу, обладает, как и плунжерный, высокой чувствительностью управления. Румпель находится в закрытом корпусе. В рабочие камеры насосами подается масло, которое давит на лопасти румпеля, заставляя его вращаться в нужном направлении.

Аксиометр — прибор, расположенный в рулевой рубке, перед рулевым. Показывает положение пера руля по отношению к ДП. Имеет электрическую или механическую связь с датчиком, расположенным в румпельном отделении.

Ограничители перекладки руля и поворота сектора (рис. 86 и 89) ограничивают угол отклонения руля от ДП и обеспечивают наиболее эффективное использование рулевого устройства.

Тормоз руля, или стопор, предназначен для стопорения руля при ремонте рулевого привода и для предотвращения рывков в рулевом устройстве от ударов волн о перо руля при стоянке судна на якоре или на швартовах.

Рулевая машина обеспечивает работу рулевого устройства по управлению судном. Ручные рулевые машины используются в тех случаях, когда усилие на рукоятках штурвала не превышает 12 кгс на одного человека при окружной скорости вращения штурвала до 1 м/с. На запасном рулевом приводе допускается усилие до 16 кгс на одного человека. На крупнотоннажных судах, где необходимо большое усилие для перекладки руля, применяются электрические и электрогидравлические рулевые машины, которые могут создать момент на баллере до 200 тс • м. Управление рулевой машиной на современных крупнотоннажных судах часто осуществляется авторулевым. Это обеспечивает более точное удержание судна на курсе, что приводит к сокращению ходового времени и экономии топлива.

Средства активного управления судном (САУ)

Средства активного управления судном устанавливаются на большинстве современных судов. Они обеспечивают судам хорошую маневренность, а следовательно, экономичность и безопасность плавания.

Активный руль

Активный руль - это руль с установленным на нем вспомогательным винтом, расположенным на задней кромке пера руля. 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.

Активный руль (рис. 94) снабжен насадкой, в которой располагают винт небольшого диаметра. Вращение винта осуществляется валиковым приводом через полый баллер и редуктор в обтекателе. Активный руль перекладывается на борт до 85—87°. Поток воды, отбрасываемый винтом, создает реактивное усилие, почти перпендикулярное к ДП. При этом корма судна, имеющего малый ход или не имеющего хода, отклоняется в нужную сторону. Недостатком является сложность конструкции.

Раздельные поворотные насадки

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

Подруливающие устройства (рис. 95) устанавливают в основном в носовой части, а на некоторых судах и в кормовой. Обычно это туннель, располагаемый поперек судна в подводной части. В туннеле находится гребной винт с приводом от электродвигателя. Используя реакцию направленной струи воды, судно может разворачиваться практически на одном месте, отход или подход к причалу практически лагом. На некоторых судах в качестве подруливающего устройства используется выдвижная движительно-рулевая колонка (ВДРК), изображенная на рис. 95, в.

В последнее время получила распространение электродвижущаяся система AZIPOD (Azimuthing Electric Propulsion Drive), которая включает в себя дизель-генератор, электромотор и винт.

Дизель-генератор, расположенный в машинном отделении судна, вырабатывает электроэнергию, которая по кабельным соединениям передается на электромотор. Электромотор, обеспечивающий вращение винта, расположен в специальной гондоле. Винт находится на горизонтальной оси, уменьшается количество механических передач. Винторулевая колонка имеет угол разворота до 360°, что значительно повышает управляемость судна.

Достоинства AZIPOD:

• отличная маневренность;
• экономия средств и времени при постройке
• экономия расхода топлива на 10-20%
• отсутствует эффект резонанса гребного винта
• снижается вибрация корпуса судна
• эффект кавитации снижен - из-за того, что диаметр гребного винта меньше

Перед каждым выходом в море рулевое устройство готовят к работе: тщательно осматривают все детали, устраняют обнаруженные неисправности, трущиеся части очищают от старой смазки и смазывают вновь. Затем под руководством вахтенного помощника капитана проверяют исправность рулевого устройства в действии путем пробной перекладки руля. Перед перекладкой надо убедиться, что под кормой чисто и никакие плавсредства и посторонние предметы не мешают повороту пера руля. Одновременно проверяют легкость вращения руля и отсутствие даже незначительных заеданий. Во всех положениях пера руля сличается соответствие показаний рулевых указателей и время, затрачиваемое на перекладку.

Румпельное отделение всегда должно быть на замке. Ключи от него хранятся в штурманской рубке и в машинном отделении на специально отведенных постоянных местах, аварийный ключ - у входа в румпельное отделение в запертом шкафчике с застекленной дверцей.

Между ходовым мостиком и румпельным отделением должны быть установлены две независимо действующие линии связи.

По прибытии в порт и по окончании швартовки руль ставят в прямое положение, выключают энергию на рулевой двигатель, осматривают рулевой привод и если все найдено в должном порядке, закрывают румпельное отделение.

Испытания рулевого устройства проводятся с целью проверки правильности сборки и надежности его в эксплуатации. На головных судах при этом определяют маневренные качества судна. По окончании монтажа рулевого устройства проворачивают рулевую машину и проверяют правильность монтажа и взаимодействие всех деталей рулевого устройства. При швартовных испытаниях проверяют работу машины и прочность деталей устройства под нагрузкой (поток воды от работающего винта). На ходовых испытаниях определяют правильность выбора мощности рулевой машины, взаимодействие всех узлов устройства, осуществляют переход на управление судном авторулевым и запасным рулевым приводом. Одновременно проверяют управляемость судна на различных режимах движения. Испытания проходят по заранее составленной программе.

Требование Регистра к рулевому устройству:

• рулевое устройство судна должно иметь два привода: основной и запасной;
• основной и запасной рулевые приводы должны воздействовать на баллер независимо один от другого, общими могут быть румпель, сектор, редуктор, цилиндровый блок;
• время перехода с основного привода на запасной — не более 2 мин;
• если основной и запасный приводы расположены в помещении ниже ватерлинии, то на судне должен быть аварийный привод;
• основной рулевой привод должен обеспечить перекладку пера руля при максимальной скорости переднего хода с 35° одного борта на 30° другого борта за время, не превышающее 28 с;
• запасной рулевой привод должен обеспечить перекладку пера руля при скорости судна не менее 7 уз с 20° одного борта до 20° другого борта за время, не превышающее 60 с;
• аварийный рулевой привод должен обеспечивать перекладку пера руля при скорости переднего хода не менее 4 уз.

Литература

Устройство и основы теории морских судов - Горячев А.М., Подругин Е.М. [1983]

• Плунжерная рулевая машина
• Якорное устройство
• Грузовое устройство судна
• Спасательное устройство судна
• Элементы корпуса судна