- Винторулевой комплекс

ВИНТОРУЛЕВОЙ КОМПЛЕКС

РУЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО.

Назначение, составные части и принцип действия

Управляемость судна является одним из важнейших теоретических, и конечно, практических качеств судна - это способность удерживать заданное направление или изменение направления при движении судна. Управляемость судна обеспечивается силой, создающей вращающий момент вокруг вертикальной оси, проходящей через центр тяжести судна,

"Каждое судно должно иметь надёжное устройство, обеспечивающее его поворотливость и устойчивость на курсе".

Такому требованию могут удовлетворять рулевое устройство, крыльчатый движитель, поворотная насадка и другие подобные устройства.

На несамоходных судах технического и портового флота, с учётом района плавания допускается устанавливать только стабилизатор.

Составными частями рулевого устройства, составляющего большинство устройств морских судов, для управления судном являются:

1. Перья рулей по форме профиля подразделяются на плоские (пластинчатые) и профилированные (обтекаемые). Рули бывают балансирные, полубалансирные и небалансирные (обыкновенные). Устанавливаются рули за дейдвудом, за рудерпостом, за кронштейном, подвесные, с опорой в подошве (пятке) ахтерштевня; по способу соединения с корпусом судна - с одним, двумя и более штырями, со съёмным рудерпостом. По способу изготовления - сварные и литые. По способу соединения с баллером: конусное соединение, с горизонтальным, вертикальным фланцем, со скосом под замок.

Рекомендуемые материалы

2. Поворотные насадки классифицируются по способу крепления к корпусу судна и наличию стабилизатора. По способу крепления насадки подразделяются на подвесные и с опорой в пятке ахтерштевня. Исполняются насадки со стабилизатором и без стабилизатора. По способу соединения с баллером - конусное или с горизонтальным фланцем.

3. Баллер руля или поворотной насадки - неподвижно соединённый с пером руля или поворотной насадкой вал, служащий для поворота пера руля или насадки и передачи на корпус судна силы и момента, возникающих на пере руля или насадке при перекладке руля от действия набегающего потока воды. Конструктивно баллеры выполняются: прямые - когда ось его прямолинейна, изогнутые - когда ось его ниже опор не совпадает с осью поворота пера руля или поворотной насадки. В нижней части, выходящей из опор, баллер может иметь овальное или прямоугольное сечение. Баллер может быть с конусом - это прямой баллер, имеющий в месте соединения с пером руля или поворотной насадкой конусный участок с конусностью не более 1:10, передача крутящего момента осуществляется за счёт сил трения между конусами баллера и пера руля или поворотной насадки. Баллер может быть прямой с горизонтальным фланцем и может быть изогнутым с горизонтальным, вертикальным фланцем или со скосом под замок. С насадкой баллер обычно применяется с горизонтальным фланцем, прямой.

4. Съёмный рудерпост – ось, служащая для крепления пера руля к корпусу судна, передачи через неё усилий на корпус судна и опирающаяся на подшипники пера руля. Крепится съёмный рудерпост к ахтерштевню в верхней части с помощью фланца и в нижней части к пятке (подошве) ахтерштевня с помощью конического соединения. Обычно со съёмным рудерпостом применяются балансирные рули, называемые - типа "Симплекс".

5. Штыри руля и поворотной насадки – оси, неподвижно закрепленные в ахтерштевне (рудерпосте) или в пере руля, служащие для крепления пера руля (насадки) в опоре и передачи, через подшипник в опоре или петлях руля, усилий на корпус судна и являющиеся осью вращения при перекладке пера руля или насадки. Штыри бывают с облицовкой (из бронзы, нержавеющей стали) и без нее.

6. Подшипники рулевого устройства подразделяются на опорные – препятствующие перемещению руля или поворотной насадки или баллера в направлении, перпендикулярном оси вращения баллера, руля или насадки; упорные – препятствующие перемещению пера руля  или поворотной насадки вдоль оси вращения баллера, руля или насадки.

Опорно-упорные подшипники, препятствующие перемещению баллера, пера руля или поворотной насадки в направлении как вдоль оси баллера, так и в перпендикулярном оси направлении. Обычно такие подшипники бывают качения - шариковые или роликовые и подшипники скольжения плоские, конусные односторонние, конусные двухсторонние с опорной частью как те, так и другие. Устанавливаются опорно-упорные подшипники как в пятке (подошве) ахтерштевня (простейшие), так и в корпусе судна на палубе, платформе (чаще у средних и крупно тоннажных судов).

7. Детали крепления ) – пера руля или поворотной насадки с баллером, крепления штырей в петлях руля или петлях рудерпоста, крепления съёмного рудерпостах кор­пусом судна и с пяткой ахтерштевня. Обычно конусные соединения баллера или штырей крепятся с помощью гаек, а фланцевые соединения или соединения "в замок" крепятся с помощью болтов. По Правилам Регистра, если соединения фланцев имеют шпонку, то достаточно по диагонали ставить два призонных болта, если же соединения бесшпоночные, то все шесть болтов (столько их должно быть - не менее) должны быть призонными. Все гайки и штыри как и болты фланцевого соединения должны быть застопорены от самоотдачи. Требуется не менее двух стопоров для гаек баллера и штырей: один для стопорения гайки с корпусом пера руля или петли, второй - баллера с гайкой, штыря с гайкой.

Все вышеописанные составные части рулевого устройства, располагаются в подводной части судна. Что касается составных частей рулевого устройства (румпель, сектор, рулевой привод и т.д.), то эти конструкции в настоящем описании не рассматриваются т.к. не входят в программу водолазных работ, когда судно находится на плаву.

Что касается принципа действия рулевого устройства, то он основан на том, что при отклонении руля на некоторый угол "а" от диаметральной плоскости судна, от обтекания руля струями воды возникает сила "Р" давления на руль. Эта сила, изменяя траекторию движения судна, вызывает появление других сил.

Так, если мы приложим в ЦТ (центре тяжести) судна две взаимноравные, но противоположно направленные силы равные силе "Р", то мы получим пару сил, вращающую судно с моментом "М=Р£", но кроме этих сил будут действовать силы R1 и R2.

Сила R1 будет тормозить движение судна вперед, т.е. создавать дополнительное сопро­тивление движению судна, а сила R2 вызывает боковое смещение судна, т.е. дрейф.

Под действием момента "М", созданного парой сил Р и R при плече ( происходит вращение судна вокруг вертикальной оси, проходящей через центр тяжести судна, в сторону пере­ложенного от нулевого положения руля.

Типы рулей

Тип руля определяется в зависимости от того, как его площадь расположена относительно оси вращения. Существуют рули обыкновенные, балансирные и полубалансирные.

Обыкновенный руль - перо руля располагается по одну сторону от оси вращения, и обычно ось вращения такого руля совпадает с его передней кромкой.

Балансирный руль - ось вращения проходит на некотором расстоянии от передней кромки и смещена к середине руля, (примерно на 1/3 ширины руля от передней кромки). Такие типы рулей вызваны необходимостью уменьшать момент на баллере. Часть площади пера руля, расположенной в нос от оси вращения, называется балансирной частью.

Исходя из конструктивных образований кормы, количества гребных винтов существует многообразие разновидностей рулей: в зависимости от количества опор или от их отсутствия, в зависимости от осадки судна, даже в зависимости от района плавания (моря, реки, озера). Кроме того, существуют и конструктивные особенности у целого ряда типов рулей, имеющих собственные наименования: рули Воздвиженского, Кичена, Беккера, Флетнера, Симплекса и т.д. Активные рули, рули с "грушей Коста", раскрывающийся руль и т.д. и т.п.

В конструктивные особенности рулей можно также включить и технологические особенности их изготовления: сварные, клёпаные, литые (обязательно для мощных ледоколов).

Для профилированных рулей определённое значение имеет и профиль руля в сечении. Они бывают симметричные и несимметричные.

Обычно несимметричные профили применяют для судов, где несимметричность профиля позволяет устранить воздействие одностороннего вращения винта для прямолинейности хода судна.

Некоторые суда имеют как бы несимметричный профиль пера руля не в сечении, а по высоте - верхняя часть (половина) до оси повернута в одну сторону, а нижняя половина в противоположную относительно оси симметрии (на 4-5^о к борту каждая половина).

Рули бывают также различны по форме геометрической фигуры: прямоугольные, оваль­ные, квадратные, трапециевидные.

Рули также можно различать по типам в зависимости от способа крепления их с корпу­сом судна - подвесные, одноопорные, двухопорные, многоопорные.

Выбор типа руля во многом зависит от формы обводов корпуса, от мощности рулевого привода, от осадки судна, от условий, в которых работает судно. Последнее время в мировой практике получило широкое распространение применение рулей полуподвесного типа, полубалансирные рули с одним либо с двумя штырями на кронштейне. Однако для мелкосидя­щих судов, для судов смешанного плавания (река-море) иногда применяют, как и для мелких пассажирских судов, два руля и три руля, а у некоторых речных судов применяют и пять рулей (см. рис, 3.1.2.2)

3.1.3. Поворотные насадки гребных винтов (см. рис.3.1.3.-3)

Поворотная насадка гребного винта представляет собой в боковой проекции балансирный руль, где ось вращения его размещена в одной плоскости с диском гребного винта, а конструктивно выполнена в виде кольца, охватывающего гребной винт. Выполнена насадка в сечении в виде ассиметричного профиля крыла. Изготовляют насадки литыми либо сварны­ми. Обычно для облегчения массы насадки, её делают пустотелой. Насадки чаще всего дела­ют с опорой в нижней части. Обшивку насадки делают из листовой стали (сварной вариант) толщиной такой же, как и обшивка пера руля. Однако внутреннюю обшивку в плоскости действия диска гребного винта делают утолщённой либо из более прочной стали, либо из нержавеющей стали, или плакированной стали. Этот участок обшивки выполняется в виде кольца. Насадки довольно часто применяют совместно со стабилизатором, либо жёстко со­единённым с насадкой, либо поворотным.

Насадка с баллером соединяется либо при помощи фланца, либо при помощи конуса с гайкой. Таким же образом, как и насадка с баллером соединяется нижний штырь с насадкой, обычно это соединение выполняется коническим, как и штыри пера руля. Внутренняя по­лость насадки должна быть герметична. Некоторые насадки после изготовления и испытания запол­няются лёгким наполнителем – вспененным пенополиуретаном, каменноугольным песком. Однако применение наполнителя в последнее время признано нецелесообразным, так как эти напол­нители, в основном, являются горючими и при необходимости производства ремонтных работ вызывают трудности и опасность воспламенения и взрывоопасность.

Современные судостроительные верфи стараются защитить от коррозии внутреннюю полость насадок окраской невоспламеняющимися и негорючими красками, т.е. производят окраску набора и обшивки насадки внутри с помощью распыления и предварительной окрас­ки внутренней поверхности набора и обшивки до закрытия насадки замыкающим листом обшивки. В верхней и нижней части насадка имеет пробки. Они служат для спуска воды, попавшей во внутреннюю полость насадки при эксплуатационных повреждениях и для про­ведения испытания на непроницаемость.

3.1.4. Способы крепления рулей и насадок

В зависимости от конструктивных особенностей пера руля, насадки, баллера образова­ния кормы, нагрузочных характеристик выбирается и способ крепления пера руля или на­садки с баллером руля/насадки и с корпусом судна.

Как известно, рули бывают подвесные и опорные, полуподвесные и типа "Симплекс", насадки также бывают - подвесные без стабилизатора и со стабилизатором, с опорой в пятке ахтерштевня и также со стабилизатором и без него.

Кормовое образование корпуса судна также оказывает влияние на выбор типа пера руля, насадки, а, следовательно, и на соединение пера руля (насадки) с рулевым приводом (балле­ром) и с корпусом судна.

В зависимости от размерений руля (насадки), мощности силовой установки, а также необходимого момента сил, прилагаемых для перекладки руля в установленное время и на установленный угол перекладки, находятся и размеры деталей рулевого устройства, служа­щие для соединения пера руля (насадки) с корпусом судна и рулевым приводом.

Перо руля с баллером может соединяться: при помощи конусного соединения (см. рис. 3.1.4.1), при помощи фланцевого соединения, либо замкового соединения.

При конусном соединении баллера руля с пером руля или насадкой высота конуса должна быть не менее 1,5 кратного диаметра баллера, а конусность по диаметру должна быть не более 1:10, при этом коническая часть баллера должна переходить в цилиндрическую без всякого уступа. По образующей конуса устанавливается шпонка, имеющая по концам достаточное закругление, а шпоночный паз у баллера в районе окончания его у цилиндрической части заканчивается переходом паза в т.н. образование "ложку" (см. рис. 3.1.4.2). Наружный диаметр нарезной части баллера выполняется таким, чтобы был не менее 9f)% наименьшего диаметра конуса баллера. Гайка, крепящая и стопорящая баллер в пере руля, выполняется высотой не менее 0,8 от наружного диаметра нарезной части баллера, а диаметр не менее 1,5 от этого диаметра баллера. Стопорение гайки предусматривается как минимум двумя приварными планками либо одной приварной планкой и шплинтом. Верхняя часть конуса в районе соединения баллера с пером руля обычно защищается от проникновения воды к конусу уплотнения, либо резиновым кольцом, и применяемыми металлическими полукольцами, прикреплёнными болтами к перу руля, либо уплотняется эпоксидным компаундом. Последнее время при применении гидропрессовых соединений конуса баллера с пером руля, либо насадкой, уплотнение большого конуса выполняется установкой прижимного кольца из резины, что даёт возможность осевому перемещению баллера при посадке без нарушения герметичности указанного узла.

Фланцевое соединение баллера с пером руля или насадкой осуществляется с помощью соединительных болтов, которых должно быть не менее 6. Диаметры болтов выбираются на основании расчётных данных в зависимости от изгибающего момента, действующего у фланца, материала болтов и баллера и ряда др. факторов. Толщина фланцев принимается равной диаметру соединительных болтов. Болты должны стоять призонные, но допускается устанавливать лишь два призонных болта при наличии установленной в соединении между фланцами шпонки. В таком случае призонные болты устанавливают в диаметрально противоположных концах фланцев. Гайки болтов ставят нормальных размеров и обязательно стопорят либо шплинтами, либо приварными планками.

Замковое соединение баллера с пером руля (в насадках такой вид соединения обычно не применяется) применялось на старой постройки судах. Сейчас встречается довольно редко. Здесь соединительные болты работают в более тяжёлых условиях, нежели во фланцевых соединениях. Здесь соединительные болты работают на растяжение. Такое соединение представляет собой довольно сложный технологический узел, большие диаметры болтов, чем для горизонтального фланцевого соединения и в новом судостроении не применяется.

Особую категорию представляет собой рулевое устройство со съёмным рудерпостом (рис. 3.1.4.3) или как его ещё называют рули типа "Симплекс". Съёмный рудерпост одновременно является и частью ахтерштевня - старнпостом и частью руля - рудерпостом. Съёмный рудерпост крепится в верхней части к корпусу судна, а в нижней части к пятке ахтерштевня.

Кроме крепления пера руля с баллером (здесь баллер изогнутый и обычно перо руля крепится с ним при помощи горизонтального фланцевого соединения), съёмный рудерпост является осью, на которую надето перо руля. В пере руля, в его рудерписе, представляющем трубчатую конструкцию, установлены, как правило, два опорных подшипника. Таким образом, усилие опоры пера руля передаётся через съёмный рудерпост корпусным конструкциям. Число болтов, соединяющих съёмный рудерпост с ахтерштевнем, должно быть не менее 6 и, также как болты фланцевого соединения баллера и пера руля, все болты должны быть при­зонные при отсутствии шпонки и не менее 2-х при установке шпонки. Гайки должны быть нормальных размеров и стопориться шплинтами или приварными планками

Нижняя часть съёмного рудерпоста, закреплённая в пятке ахтерштевня, крепится гайкой со стопорами: не менее двух приварных планок или одна приварная планка и шплинт. Диа­метр съёмного рудерпоста определяется расчётом, исходя из расчётной нагрузки, действую­щей на перо руля, качества материала съёмного рудерпоста и других факторов.

Рули, как и поворотные направляющие насадки, имеющие опоры на кронштейне, либо рудерпосте ахтерштевня, либо на пятке ахтерштевня - называются рули с опорой (одной либо более).

Опорами таких рулей служат штыри и их петли. Петли в виде приливов на ахтерштевне или на пере руля, или на рулевом кронштейне имеют отверстия, находящиеся на одной оси в которые вставляются штыри, служащие продолжением оси вращения пера руля (рис. 3.1,4.4). Штыри обычно имеют цилиндрическую и коническую части. Обычно штыри диаметром более 250 мм имеют облицовку (см. рис. 3.1.4.5). Диаметр штырей - расчётная величина, зависящая от условий расчётной реакции, вызванной изгибающим моментом, и от качества материала штыря. Штыри закрепляются в петлях руля гайками, надёжно застопоренными двумя при­варными планками. Поворотные направляющие насадки имеют опору в пятке ахтерштевня также в виде штыря.

Рекомендуем посмотреть лекцию "Переход к практическому использованию CASE".

УЗЛЫ КРЕПЛЕНИЯ БАЛЛЕРА С ПЕРОМ РУЛЯ И ШТЫРЯ С ПЕТЛЕй АХТЕРШТЕВНЯ

В рулевом устройстве обычно применяется три типа штырей: опорные, опорно-упорные и так называемые "стопорные" (с головкой или гайкой). Число штырей руля Регистром не регламентируется, за исключением ледоколов и судов ледового плавания. У этих судов число штырей может быть от одного до четырёх. На ледоколах и судах, самостоятельно плавающих в сплошном ледяном поле толщиной до 0,5 метра, в арктических и антарктических морях не допускается установка поворотных насадок. На некоторых других судах, плавающих в битом льду - допускается установка поворотных насадок, но обязательно с опорой на пятке ахтерштевня.

Размеры штырей определяются по нормативам Регистра. При этом длина штыря опре­деляется конструкцией, в зависимости от его диаметра. Длина цилиндрической части выби­рается равной от 1,0 до 1,3 диаметра штыря вместе с облицовкой (если она имеется). Длина конической части штыря определяется также не менее диаметра штыря при конусности 1:10. Наружный диаметр нарезной части штыря выполняется равной 0,8 его диаметра в районе малого конуса, конической части. Гайка выбирается равной 1,5 и по высоте 0,6 наружного диаметра нарезной части штыря. Подшипники штырей выполняются из различных материа­лов, для этих целей предназначенных. К таким материалам относятся: бакаут, ДСП, тексто­лит, капролон, и другие синтетические материалы; бронза, баббит и некоторые другие, одоб­ренные классификационными обществами.

3.1.5. Требования Регистра к рулевым устройствам.

Регистру поднадзорно рулевое устройство как в целом, так и его детали. Регистр ведёт надзор за изготовлением, ремонтом, таких деталей рулевого устройства как: баллер, перо руля, поворотная насадка, съёмный рудерпост, штыри руля и поворотной насадки, подшип­ники и втулки баллеров, втулки штырей, детали соединения баллера с пером руля и поворот­ной насадкой, соединение съёмного рудерпоста с ахтерштевнем, детали системы ограничите­лей перекладки пера руля и поворотной насадки.

Рулевое устройство должно быть надёжным, обеспечивать требуемую поворотливость судна и его устойчивость на курсе. Рулевое устройство должно обеспечивать перекладку руля с 35° одного борта на 35° другого борта за время не более 28 секунд. Все остальные требования Регистра были изложены в предыдущих разделах настоящей главы.