РУЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО
RUDDER UNIT

Изобретение относится к судостроению, в частности к управлению судами с помощью рулевых устройств, расположенных за гребным винтом, помещенным в неподвижном насадке.
В судостроении известны корпуса судов с водоходными каналами, для уменьшения растекания воды в стороны, при формировании потока воды или нужного направления его движения.
Известно рулевое устройство, содержащее, для повышения его эффективности, вертикально расположенную рулевую коробку, жестко закрепленную на корпусе судна, с размещением внутри последней некоторых частей пера руля (см., например, авторское свидетельство СССР №1525083, кл. B63H 25/38, 1989 г. Бюл. №44).
Известно рулевое устройство, содержащее, для повышения его надежности, несколько балансирных рулей с баллерами, румпели которых шарнирно связаны друг с другом посредством жестких тяг (см., например, авторское свидетельство СССР №796083, кл. B63H 25/08, 1981 г. Бюл. №2).
Для повышения прочности руля, его нижнюю часть снабжают дополнительной опорой, шарнирно связанной с корпусом судна. Для повышения эффективности работы руля (улучшения управляемости и уменьшения потребной мощности рулевой машины), его частично помещают внутри ограждения для потока воды, отбрасываемой винтом, а для формирования потока на выходе из этого ограждения, на верхних и нижних кромках оперения размещают горизонтальные пластины. Эти пластины вместе с пером образуют части канала для потока воды, отбрасываемой винтом, уменьшая ее растекание вверх и вниз (см., например, авторское свидетельство СССР №237607, кл. B63h, 1969 г. Бюл. №8) - принятое в качестве прототипа.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого рулевого устройства, являются следующие: заявляемое рулевое устройство содержит водоходный канал, неподвижный насадок круглого поперечного сечения с помещенным внутри его гребным винтом и размещенный перед вертикально расположенными балансирными рулями, рулевую коробку с вертикальными боковыми стенками и горизонтальными перемычками, с размещенными в ней балансирными рулями и жестко закрепленную на корпусе судна, баллеры, соединенные с перьями балансирных рулей, содержащих нижние шарниры рулей, закрепленные на корпусе судна, румпели, жестко закрепленные на баллерах и шарнирно связанные между собой жесткими тягами.
Эти известные устройства содержат значительные зоны растекания потоков воды, отбрасываемой винтом во все стороны уже на подходе к рулевой коробке или к перьям, из-за наличия зазора между концом гребного винта и началом коробки или передней кромки оперения. Наличие горизонтальных пластин, жестко закрепленных на пере руля, ограждает поток воды от растекания лишь с трех сторон, тогда как в рулевой коробке он огражден со всех четырех сторон. При перекладке рулей всегда остается зазор между концом гребного винта и началом передних кромок горизонтальных пластин, этот зазор то уменьшается, то увеличивается, но никогда не исчезает полностью. Кроме того, наличие зон уменьшения скорости движения воды в местах ее многократного изменения направления движения, на преодоление этих зон тратится дополнительная мощность рулевой машины, что ухудшает управляемость судном. Многократное изменение направления движения потоков воды появляется при отклонении потока воды несколькими перьями, или их частями, на разные углы поворота при выполнении одной команды управления, и при обтекании потоком воды прямых углов в местах соединения горизонтальных пластин с перьями, особенно при малом расстоянии между винтом и оперением с горизонтальными пластинами. Трудно сочетать круглое поперечное сечение насадка гребного винта с прямоугольным сечением рулевой коробки.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение потребной мощности рулевой машины, при одновременном повышении эффективности работы рулевого устройства за счет улучшения управляемости, уменьшения потери части потока воды от его растекания в стороны и уменьшения потерь скорости этого потока в местах изменения направления движения потоков воды, отбрасываемой винтом.
Для достижения названного технического результата, неподвижный насадок жестко соединен с рулевой коробкой посредством водоходного канала внутреннего переменного сечения, плавно переходящего от круга насадка до прямоугольника в начале рулевой коробки, а перья всех балансирных рулей выполнены с одинаковыми площадями и установлены на одинаковых расстояниях друг от друга, причем сама рулевая коробка состоит из передней и жестко соединенной с ней посредством верхней и нижней горизонтальных пластин задней части, причем вертикальные боковые стенки обеих частей коробок выполнены одинаковой высоты, а горизонтальные перемычки передней части коробки выполнены короче горизонтальных перемычек задней части коробки, а верхняя и нижняя горизонтальные пластины, соединяющие обе части коробки, выполнены в виде одинаковых равнобоких трапеций с длинами верхних своих оснований равными длинам горизонтальных перемычек передней части коробки, а длинами нижних своих оснований равными длинам горизонтальных перемычек задней части коробки, а нижние шарниры рулей установлены на нижней горизонтальной пластине коробки, причем румпели, жестко закрепленные на баллерах, установлены на одинаковых углах относительно плоскостей симметрии перьев и выполнены одинаковой длины, а одинаковые длины жестких тяг выполнены равными расстояниям между соседними нижними шарнирами.
Отличительными признаками заявляемого рулевого устройства являются то, что неподвижный насадок жестко соединен с рулевой коробкой посредством водоходного канала внутреннего переменного сечения, плавно переходящего от круга насадка до прямоугольника в начале рулевой коробки, а перья всех балансирных рулей выполнены с одинаковыми площадями и установлены на одинаковых расстояниях друг от друга, причем сама рулевая коробка состоит из передней и жестко соединенной с ней посредством верхней и нижней горизонтальных пластин задней части, причем вертикальные боковые стенки обеих частей коробок выполнены одинаковой высоты, а горизонтальные перемычки передней части коробки выполнены короче горизонтальных перемычек задней части коробки, а верхняя и нижняя горизонтальные пластины, соединяющие обе части коробки, выполнены в виде одинаковых равнобоких трапеций, с длинами верхних своих оснований, равными длинам горизонтальных перемычек передней части коробки, а длинами нижних своих оснований равными длинам горизонтальных перемычек задней части коробки, а нижние шарниры рулей установлены на нижней горизонтальной пластине коробки, причем румпели, жестко закрепленные на баллерах, установлены на одинаковых углах относительно плоскостей симметрии перьев и выполнены одинаковой длины, а одинаковые длины жестких тяг выполнены равными расстояниям между соседними нижними шарнирами.
Заявляемое рулевое устройство может найти применение при постройке новых судов и при модернизации старых, ремонтируемых судов.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 упрощенно изображен вид сбоку на рулевое устройство, с частичными вырывами в неподвижном насадке и в рулевой коробке.
На фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг.1, с частичным вырывом на корпусе судна.
На фиг. 3 - разрез по Б-Б рулевой коробки фиг. 2, в которой рули повернуты на угол α - угол предельной перекладки рулей, а угол β - симметричный угол расхождения боковых частей горизонтальных пластин рулевой коробки.
Рулевое устройство содержит неподвижный насадок 1 с размещенным внутри него гребным винтом 2, жестко скрепленный с корпусом судна 3, и рулевую коробку 4, жестко скрепленную с корпусом судна 3. Неподвижный насадок 1 жестко соединен с рулевой коробкой 4 посредством водоходного канала 5, переменного внутреннего сечения, плавно переходящего от круга неподвижного насадка 1 до прямоугольника рулевой коробки 4. Водоходный канал 5 жестко скреплен с корпусом судна 3. Рулевая коробка 4 состоит из двух разных по своим размерам частей, передней 6 и задней 7 части, которые жестко соединены между собой посредством горизонтальных пластин, верхней 8 и нижней 9. Верхняя горизонтальная пластина 8 жестко скреплена с корпусом судна 3. Передняя 6 часть коробки 4 содержит вертикальные боковые стенки 10, 11, равные по высоте вертикальным боковым стенкам 12, 13 задней 7 части коробки 4. Горизонтальные перемычки верхняя 14 и нижняя 15 передней 6 части коробки 4 выполнены по своей длине короче, чем верхняя 16 и нижняя 17 перемычки задней 7 части коробки 4. Передняя 6 и задняя 7 части коробки 4 жестко соединены между собой посредством двух, одинаковых по величине, верхней 8 и нижней 9 горизонтальных пластин в местах верхних горизонтальных перемычек 14, 16 и в местах нижних горизонтальных перемычек 15, 17 соответственно. Верхняя 8 и нижняя 9 горизонтальные пластины выполнены в виде двух одинаковых по площадям равнобоких трапеций, с углом развала своих боковых граней β. Длина верхнего основания каждой трапеции выполнена равной длине верхней 14 или нижней 15 горизонтальных перемычек передней части 6 рулевой коробки 4, а длина нижнего основания каждой трапеции выполнена равной длине верхней 16 или нижней 17 горизонтальных перемычек задней части 7 рулевой коробки 4. Внутри передней 6 части рулевой коробки 4 размещены перья балансирных рулей 18, 19, 20, 21 со своими нижними шарнирами 22, 23, 24, 25, размещенными на нижней 9 горизонтальной пластине. Перья 18, 19, 20, 21 балансирных рулей содержат баллеры 26, 27, 28, 29 с жестко закрепленными на них румпелями 30, 31, 32, 33, которые шарнирно связаны между собой жесткими пластинами 34, 35, 36, и управляются с помощью рулевой машины 37, соединенной с баллером 26.
Поток воды, обтекая борта или нижнюю часть корпуса судна 3, попадает в неподвижный насадок 1, отбрасывается работающим гребным винтом 2 в водоходный канал 5, где перестраивается с круглого своего поперечного сечения, как в неподвижном насадке 1, на прямоугольное свое поперечное сечение, как в рулевой коробке 4. Чтобы не было отрыва потока воды в водоходном канале 5 в углах прямоугольного его поперечного сечения и от стенок, формирующих и ограничивающих любое промежуточное сечение, а значит, и потерь скорости потока воды в этих местах, длина спрямляющего участка водоходного канала 5 должна быть не менее величины диаметра неподвижного насадка 1. После водоходного канала 5 поток воды попадает в рулевую коробку 4, проходит в ее переднюю часть 6, обтекая ее вертикальные 10, 11 боковые стенки и ее верхнюю 14, и нижнюю 15 горизонтальные перемычки, проходя между верхней 8 и нижней 9 горизонтальными пластинами, попадает в заднюю часть 7 рулевой коробки 4, где обтекая ее вертикальные 12, 13 боковые стенки и ее верхнюю 16 и нижнюю 17 горизонтальные перемычки, выходит из задней части 7 рулевой коробки 4. Так как вертикальные 12, 13 боковые стенки задней части 7 рулевой коробки 4 постоянно находятся в потоке воды, обтекающей снаружи водоходный канал 5 и вертикальные 10, 11 боковые стенки передней части 6 рулевой коробки 4, то они выполняются в поперечном сечении удобообтекаемой формы. Поток воды в рулевой коробке 4 еще обтекает перья 18, 19, 20, 21 балансирных рулей, которые при управлении судном свободно поворачиваются в своих нижних шарнирах 22, 23, 24, 25, закрепленных на нижней горизонтальной пластине 9 рулевой коробки 4. Растекание потока воды в стороны между верхней 8 и нижней 9 горизонтальными пластинами ограничивают боковые перья 18, 21. Только незначительная часть этого потока проходит между внутренними поверхностями вертикальных 10, 11 боковых стенок и наружными поверхностями боковых перьев 18, 21. На фиг. 2 изображено положение рулей при команде «прямо по курсу», т.е. когда плоскости симметрии всех балансирных рулей параллельны вертикальной плоскости, проходящей через ось гребного винта 2, т.е. при нулевом угле перекладки рулей α. В таком положении рулей поток воды, отбрасываемой гребным винтом 2, пройдя водоходный канал 5, начинает проходить в рулевой коробке 4 как между самими перьями 18-19, 19-20, 20-21, находящимися в ней, так и через зазор между наружной стенкой пера 18 и внутренней поверхностью вертикальной стенки 10 передней 6 части рулевой коробки 4, и через зазор между наружной стенкой пера 21 и внутренней поверхностью вертикальной стенки 11 передней 6 части рулевой коробки 4. Части потока воды, прошедшие в зазоры между наружными стенками перьев 18, 21 и внутренними поверхностями вертикальных стенок 10, 11 передней 6 части рулевой коробки 4, смешиваются с потоками воды, омывающими корпус судна 3 и проходящими в пространство между наружными поверхностями вертикальных стенок 10, 11 передней 6 части рулевой коробки 4 и внутренними поверхностями вертикальных стенок 12, 13 задней 7 части рулевой коробки 4. Это пространство тем больше, чем больше разница между длинами верхних и нижних 16, 17 горизонтальных перемычек задней части 7 рулевой коробки 4 и длинами верхних и нижних 14, 15 горизонтальных перемычек передней части 6 рулевой коробки 4. Т.е. чем больше разница между нижним и верхним основаниями трапецеидальных горизонтальных пластин, верхней 8 или нижней 9. В свою очередь, длины верхних и нижних 14, 15, и 16, 17 горизонтальных перемычек передней 6 и задней 7 частей рулевой коробки 4 соответственно зависят от расстояний между перьями, их длины и от предельного угла перекладки рулей α. Кроме того, длины горизонтальных перемычек 14, 15 передней части 6 рулевой коробки 4 зависят и от места касания балансира пера 18 и внутренней поверхности вертикальной стенки 10 передней части 6 рулевой коробки 4, для полного закрывания протока воды в пространство между наружной поверхностью пера 18 и внутренней поверхностью вертикальной боковой стенки 10 передней части 6 рулевой коробки 4. Это изображено на фиг 3, при предельном угле перекладки рулей α вправо. Таким же образом определяется место касания балансира пера 21 и внутренней поверхности вертикальной боковой стенки 11 передней части 6 рулевой коробки 4 при предельном угле перекладки рулей α влево (на чертеже не показано). При увеличении длины вертикальных стенок 12, 13 в направлении к передней 6 части рулевой коробки 4, т.е. увеличивая симметричный угол β (при предельном и неизменном угле α перекладки пера 21, см. фиг. 3) в месте касания задней кромки пера 21 со всей вертикальной стенкой 13, а значит, и ее внутренней поверхностью, появляется зона торможения потока воды, отбрасываемой гребным винтом 2, и попавшей в замкнутое пространство между внутренней поверхностью вертикальной стенки 13 и наружной поверхностью задней части пера 21. В этой зоне происходит уменьшение скорости части потока воды, повышается ее давление на концевую часть пера 21 и появляется поперечная сила, помогающая повороту (в приведенном примере на фиг. 3) вправо. Величина этого давления зависит от объема этой возникающей при предельном угле перекладки рулей зоны торможения потока воды. А объем этой зоны зависит от длины вертикальной стенки 13, т.е. от расстояния от передней кромки вертикальной стенки 13 до конца передней части 6 рулевой коробки 4, т.е. от длины трапецеидальных горизонтальных пластин 8 и 9, а это и есть угол β. То же самое будет происходить и с внутренней поверхностью вертикальной стенки 12 и наружной поверхностью пера 18, при предельном угле α перекладки руля влево. Значит, увеличивая угол β (увеличивая зону торможения потока воды), увеличивается маневренность судна. Уменьшая угол β, увеличивается ходкость судна. Т.е. угол β зависит от класса судна, его назначения. Похожее техническое решение встречается в авторском свидетельстве СССР №1525083, кл. B63H 25/38, 1989 г. Бюл. №44. Разница в том, что сейчас предложено перо руля полностью, на всю свою длину помещать в рулевую коробку, а не только его концевую часть, как в авторском свидетельстве. Преимущество данного технического решения в том, что в зону касания концевых частей перьев 18, 21 и внутренних поверхностей вертикальных стенок 12 или 13, при предельной перекладке рулей, попадает большая масса воды из-за того, что от растекания этой массы воды вверх и вниз ее удерживают участки верхней 8 и нижней 9 горизонтальных пластин на всей длине пера. Это значительно больше той массы воды, удерживаемой участками верхней и нижней горизонтальными перемычками, которые значительно короче длины пера, и выполняют функции лишь торцевых шайб, как в упомянутом авторском свидетельстве. Баллер 26, жестко соединенный с пером 18, другим своим концом соединен с рулевой машиной 37. Поворот от рулевой машины 37 через баллер 26 и жестко закрепленный на нем румпель 30 передается жесткой пластине 34, шарнирно соединенной с румпелем 30 и румпелем 31, жестко закрепленном на баллере 27 пера 19. Румпель 31 передает движение жесткой пластине 35, шарнирно соединенной с румпелем 31 и румпелем 32, жестко закрепленном на баллере 28 пера 20. Румпель 32 передает движение жесткой пластине 36, шарнирно соединенной с румпелем 32 и румпелем 33, жестко закрепленном на баллере 29 пера 21. Шарниры всех румпелей 30, 31, 32, 33 расположены в плоскостях симметрии своих перьев 18, 19, 20, 21 для симметричного распределения усилий на жесткие пластины 34, 35, 36 при повороте всех румпелей 30, 31, 32, 33 как вправо, так и влево. Одинаковые длины румпелей 30, 31, 32, 33, одинаковые длины жестких пластин 34, 35, 36 вместе с одинаковыми расстояниями между шарнирами перьев 18-19, 19-20, 20-21 образуют рычажный плоскопараллельный механизм, обеспечивающий одновременный поворот всех балансирных рулей на один и тот же угол, обеспечивая изменение только направлению движения потока воды без изменения его скорости. Можно три жесткие пластины 34, 35, 36 заменить одной длинной жесткой пластиной с четырьмя шарнирами, с одинаковыми расстояниями между ними, равными расстояниям между нижними шарнирами перьев. Поскольку все баллеры кинематически связаны между собой посредством своих румпелей и жестких пластин, то какой баллер соединять с рулевой машиной или делать приводным не имеет значения, это делается исходя из конструктивных соображений. На фиг. 2 показано правое рулевое устройство для судовой двухвальной двигательной машины. Такое расположение приводного баллера 26 делает короче кинематическую связь с левым рулевым устройством и с рулевой машиной. Количество перьев в рулевом устройстве определяется конструктивно, исходя из площади руля с одним пером, применяемым для этой же цели. При этом суммарная площадь уменьшенных перьев должна быть не менее площади руля с одним пером. Высота уменьшенных перьев зависит от длины водоходного канала 5. Если взять его длину, равную диаметру гребного винта 2, то при выходе из водоходного канала 6 получится квадрат со стороной, равной диаметру гребного винта 2. При этом при перестроении потока воды от круглого сечения до квадратного не будет происходить его отрыва от стенок, а значит, и падения скорости потока. При увеличении длины водоходного канала 6 до двух диаметров гребного винта, на выходе из него можно получить прямоугольник с вертикальными сторонами равными 0,6, а горизонтальными сторонами - 1,7 величины от диаметра гребного винта. Длина уменьшенных перьев выбирается из расчета полного перекрытия выходного сечения водоходного канала. Не должно быть в перпендикулярном сечении потока, выходящего из рулевой коробки, зазоров между носовой частью пера и задней кромкой соседнего пера, для прохода воды, не отклоненной перьями при их предельных углах перекладки. Чем больше длина горизонтальных сторон прямоугольника в сечении на входе в рулевую коробку, при условии сохранения заданного закона изменения площадей и равновеликости площадей сечений водоходного, спрямляющего канала, тем короче высота вертикальных боковых стенок. Короче вертикальные боковые стенки, меньше высота пера, больше его прочность, меньше масса. Динамический момент, необходимый для поворота пера, зависит от массы пера и квадрата расстояния распределения этой массы по объему данного пера. Замена руля с одним пером на несколько рулей с уменьшенными своими размерами вызовет уменьшение динамического момента, необходимого для поворота этих нескольких рулей с уменьшенными размерами своих перьев, а значит, и мощности рулевой машины. Руль с одним пером даже при предельном своем угле перекладки не перекрывает все поперечное сечение потока воды, отбрасываемой винтом, часть потока воды проходит мимо отклоненной носовой части (балансира) пера, не изменив направление своего движения, снижая эффективность работы рулевого устройства. При применении нескольких рулей с уменьшенными своими размерами, когда при предельном угле перекладки рулей балансир крайнего пера соприкасается с внутренней поверхностью вертикальной стенки начала рулевой коробки, этот недостаток устраняется, и эффективность работы рулевого устройства повышается.
В предлагаемой конструкции реализовано сочетание положительных свойств неподвижной рулевой коробки с положительными свойствами подвижной рулевой коробки. Это достигается за счет того, что уменьшены потери потока воды, отбрасываемой гребным винтом уже на входе в рулевую коробку за счет применения водоходного канала в промежутке между неподвижным насадком для гребного винта, до начала рулевой коробки, и его жесткого соединения с неподвижным насадком для гребного винта и с началом рулевой коробки. Чего нет у прототипов. Применены несколько синхронно поворачивающихся балансирных рулей с одинаковыми площадями своих перьев, полностью, на всю свою длину, размещенных в рулевой коробке. Чего нет у прототипов. А сама рулевая коробка состоит из двух частей: передней и задней частей с разными площадями своих внутренних проходных сечений. Чего нет у прототипов. Применено жесткое соединение между собой передней и задней частей рулевой коробки с помощью верхней и нижней горизонтальных пластин трапецеидальной формы, т.е. вертикальные боковые стенки рулевой коробки выполнены расширяющимися к корме судна. Чего нет у прототипов. Наличие горизонтальных пластин трапецеидальной формы, жестко соединяющих между собой переднюю и заднюю части рулевой коробки, препятствует растеканию потока воды, отбрасываемой винтом, вверх и вниз на всем диапазоне углов перекладки рулей, от предельного вправо до предельного влево. Чего нет у прототипов. Кроме того, высота этих горизонтальных пластин трапецеидальной формы, т.е. расстояние от передней и задней части рулевой коробки, закладываемое при изготовлении или модернизации ремонтируемого судна, влияет на его маневренность и ходкость. Чего нет у прототипов. Рычажный плоскопараллельный механизм, образованный румпелями и жесткими тягами, их длиной и местом их расположения, для синхронного поворота всех рулей на один и тот же угол, у прототипов тоже отсутствует.
Заявляемое рулевое устройство может найти применение при постройке разных классов новых судов, в зависимости от их назначения, и при модернизации старых, ремонтируемых судов.