РУЛЬ И СУДНО, ИМЕЮЩЕЕ ТАКОЙ РУЛЬ
RUDDER AND VESSEL WITH SUCH RUDDER

Изобретение относится к рулю для маневрирования судном и к судну, которое имеет такой руль.
Плавающие объекты, такие как лодки и корабли, имеют один или более присоединенных к ним рулей для маневрирования и для сохранения курса. Руль закреплен с возможностью поворота на судне и может вращаться вокруг оси вращения, так называемого баллера руля.
Руль содержит главное перо руля, имеющее верхний по потоку конец и нижний по потоку конец. Судно, как правило, движется вперед, и поток воды проходит через руль от верхнего по потоку конца к нижнему по потоку концу. Руль в основном проходит вертикально и вдоль линии течения воды в положении по умолчанию. Рулевая ось может быть наклонена по отношению к вертикали.
Поворот руля управляется штурвалом или рычагом управления. Применяя подходящий передаточный механизм, содержащий, например, трансмиссию и/или приводные механизмы, руль можно поворачивать вокруг поворотной оси, чтобы приложить боковое усилие к судну, таким образом, изменяя направление его движения.
Руль, имеющий параллельные дополнительные перья, известен из публикации JP 7165188.
Известной проблемой при маневрировании судов, особенно на мелководье, является повышенная устойчивость курса. Кроме того, руль необходим для того, чтобы, когда его поворачивают, он обеспечивал значительное боковое усилие, которое допускает изменение курса движения. Задачей настоящего изобретение является создание руля с улучшенными свойствами для маневрирования на мелководье.
Согласно изобретению руль снабжен главным рулевым пером. На судне руль закреплен с возможностью вращения вокруг поворотной оси, которая в основном проходит в вертикальной плоскости; при этом руль дополнительно содержит два в основном вертикально проходящих дополнительных рулевых пера, соединенных с главным рулевым пером, по меньшей мере, двумя поперечными пластинами, при этом, по меньшей мере, одна из поперечных пластин ориентирована в основном наклонно вверх в направлении нижнего по потоку конца, причем две поперечные пластины присоединены к верхнему и нижнему концу соответствующих дополнительных перьев и/или главного рулевого пера, при этом верхняя поперечная пластина, расположенная над нижней поперечной пластиной, проходит более наклонно вверх в направлении нижнего по потоку конца, чем нижняя поперечная пластина. Такой руль может обеспечить значительные боковые усилия на мелководье.
Поперечная пластина является пластиной, которая проходит в боковом направлении и в направлении потока. Согласно изобретению это основное направление наклонно так, что поперечная пластина проходит вверх в направлении вниз по потоку. Тройные (по меньшей мере, один главный и два дополнительных) рулевые перья приводят к повышению боковой силы в процессе поворота руля, в частности, когда руль расположен в спутной струе работающего гребного винта судна.
Руль располагается в кормовой части судна. Ближе к кормовой части погружение корпуса судна снижается. Вода течет по направлению к кормовой части, вследствие чего имеет верхненаклонное направление. Согласно изобретению верхняя поперечная пластина ориентирована так, чтобы следовать этой линии течения воды так, что нижняя по потоку сторона располагается выше верхней по потоку стороны. Это снижает усилие сопротивления потока на руль.
Была вычислена схема потока вокруг руля для различных форм корпусов и было определено то, что регулирование угла атаки входящей поперечной пластины понижает сопротивление потоку руля, в то же время повышая боковое усилие.
В варианте осуществления обе поперечные пластины проходят наклонно вверх по направлению к своим нижним по потоку концам. Однако нижняя поперечная пластина в основном располагается под меньшим углом относительно горизонтали. Предпочтительно, этот меньший угол равен направлению локального течения, так что угол атаки выходящей поперечной пластины в основном равен нулю. В данном варианте осуществления нижняя поперечная пластина располагается горизонтально.
В варианте осуществления верхняя и нижняя часть дополнительного руля присоединена к поперечным пластинам. Такой руль имеет в основном прямоугольное сечение. Посредством обеспечения двойного соединения между главным пером руля и двумя дополнительными, получена более жесткая конструкция. В частности, получена коробчатая конструкция, повышающая целостность конструкции руля. Это позволит уменьшить количество материала применяемого для руля, таким образом, снижая его вес, сохраняя в тоже время его значительную жесткость. В альтернативном варианте осуществления руль содержит три или более поперечных пластин.
Кроме того, по этим вычислениям было определено то, что иногда выгодно ориентировать верхнюю пластину с малым отрицательным углом атаки относительно угла локального потока. В этом случае давление на корпус выше пластины становится больше, таким образом снижая сопротивление корпуса.
В преимущественном варианте осуществления угол между входящей поперечной пластиной и горизонтальной пластиной составляет от 0,1 до 25 градусов, предпочтительно от 1 до 24 градусов. В дополнительном варианте осуществления этот угол составляет от 4 до 20 градусов. Такой угол позволяет входящей поперечной пластине быть установленной с виртуально нулевым углом атаки к направлению локального потока, что таким образом обеспечивает минимальное усилие сопротивления, испытываемое рулем. В данном варианте осуществления угол между ребрами входящего и выходящего потоков главного пера руля и входящей поперечной пластиной составляет от 65 до 89 градусов.
В варианте осуществления верхняя поперечная пластина, которая является пластиной, более близкой к корпусу судна, проходит более вверх по направлению к нижнему по потоку концу (при большем угле по отношению к горизонтальной плоскости), чем нижняя поперечная пластина. Течение воды вблизи корпуса судна будет более наклонено по отношению к горизонтальной плоскости.
В варианте осуществления руля согласно изобретению поперечные пластины проходят за дополнительные рулевые перья в поперечном направлении. За счет обеспечения такой конструкции, схема потока вокруг руля значительно улучшилась, понижая концевой вихрь дополнительных рулевых перьев, таким образом повышая боковое усилие и понижая сопротивление руля. На нижнем по потоку конце поперечные пластины проходят позади задней кромки перьев руля. Это также повышает технические характеристики руля.
В одном варианте осуществления соотношение между длиной хорды главного пера руля и шириной поперечной пластины составляет от 0,3 до 1,2. Поперечная пластина может проходить немного в направлении вверх и/или вниз по потоку от главного пера руля, чтобы понизить усилие любого вихря возникающего вверху и внизу рулевых перьев.
Предпочтительно, поперечные пластины имеют кромку на верхнем по потоку конце с фронтальной шириной, проходящей в поперечном направлении. Согласно варианту осуществления соотношение между фронтальной шириной и длиной хорды главного руля составляет от 0,2 до 0,5.
Предпочтительно, поперечные пластины имеют в основном треугольную форму с усеченными углами. Такие поперечные пластины будут в основном иметь шесть кромок. Предпочтительно, передняя кромка, на верхнем по потоку конце руля, проходит в поперечном направлении перпендикулярно направлению потока воды, причем руль находится не под углом, чтобы образовывать боковое усилие. Предпочтительно, передняя кромка является первым усеченным углом треугольника. В последующем варианте осуществления два усеченных угла расположены на поперечных краях поперечной пластины.
Кромка усеченного угла на поперечном крае руля имеет специальную длину. В одном варианте осуществления соотношение между длиной этой усеченной кромки и длиной хорды главного пера руля составляет от 0,1 до 0,3.
В одном варианте осуществления верхний по потоку конец дополнительного рулевого пера, предпочтительно, обоих дополнительных рулей расположен вниз по течению от передней кромки главного рулевого пера. Дополнительные перья, таким образом, расположены ступенчато относительно главного рулевого пера. Необходимо избегать того, чтобы дополнительные перья располагались слишком близко к гребному винту, когда руль повернут. Большая часть бокового усилия будет приложена к главному перу руля, но так как угол руля повышается, дополнительные рулевые перья также образуют значительное боковое усилие, приводящее соответственно к более высокому суммарному боковому усилию, даже если длина хорды дополнительных рулей является малой.
В одном варианте осуществления длина хорды главного рулевого пера составляет от 1,0 до 3,0 длины хорды дополнительных рулевых перьев. В общем, хорда главного рулевого пера имеет вдвое большую длину хорды, чем дополнительные рулевые перья.
В последующем варианте осуществления передняя кромка дополнительных рулевых перьев ориентирована в сторону от главного рулевого пера. Средние линии дополнительных рулевых перьев на виде в плане сходятся, если их продолжить вниз по течению. Поперечное расстояние между верхним по потоку концом дополнительных рулевых перьев и главным рулевым пером является, таким образом, большим, чем поперечное расстояние около нижнего по потоку конца. Это приводит к улучшенной схеме потока, улучшая технические характеристики руля.
В варианте осуществления руль располагается вблизи гребного винта судна.
Предпочтительно, угол дополнительных рулевых перьев по отношению к ориентации главного рулевого пера составляет от 0,5 до 12 градусов, в варианте осуществления от 1 до 10 градусов, предпочтительно от 2,0 до 8,0 градусов. Конкретное значение этого угла сконфигурировано в сочетании со свойствами потока, в котором находится руль.
В варианте осуществления изобретения формой сечения главного и дополнительных рулевых перьев является Шиллинговый тип. Такие сечения пера обеспечивают усиленный подъем. Шиллинговые гидрокрылья отличаются наличием задней кромки, которая толще, чем толщина пера немного вверх по течению от задней кромки.
В варианте осуществления соотношение высоты главного рулевого пера и длины хорды главного руля составляет от 1,0 до 4,0, в варианте осуществления - от 1,0 до 3,0.
В последующем варианте осуществления поперечное расстояние между средней плоскостью главного рулевого пера и соответствующим дополнительным рулевым перьям составляет от 0,25 до 1,5 длины хорды главного рулевого пера. Большие значения будут в основном являться причиной расположения дополнительных рулевых перьев вне спутной струи гребного винта, что не является выгодным.
Согласно дополнительному аспекту изобретения судно предпочтительно оснащается одним или более гребными винтами, каждый из которых снабжается рулем позади гребного винта согласно любому из вариантов осуществления, раскрытому выше.
В варианте осуществления восходящий угол поперечной пластины относительно горизонтали подобен углу наклоненной вверх задней части корпуса судна.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления поднимающийся угол на верху поперечной пластины зависит от расстояния между поперечной пластиной и наклонного корпуса судна. Поскольку расстояние является меньшим, угол поперечной пластины и покатого корпуса являются более похожими. Если расстояние между верхом поперечной пластины и наклонным корпусом судна является большим, угол пластины относительно горизонтали является меньшим, чем убывающий угол корпуса судна.
Далее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи. На чертежах показаны конкретные варианты осуществления изобретения, которые следует интерпретировать не как ограничивающие изобретение, а как только лишь иллюстративные варианты осуществления изобретения, раскрывающие предпочтительный в настоящее время вариант осуществления изобретения. На чертежах:
Фиг.1 - вид сбоку руля согласно первому варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 - вид сверху первого варианта осуществления руля;
Фиг.3 - вид спереди руля согласно первому варианту осуществления изобретения; и
Фиг.4 - вариант осуществления судна, содержащего руль согласно изобретению.
На фиг.1 показан вид сбоку руля 1 согласно изобретению. В соответствии с этим описанием поперечное направление является направлением входа-выхода согласно изображению на фиг.1. Две поперечные пластины 2, 3 формируют концевые пластины перьев руля 12, 13, 23, расположенных в вертикальной плоскости 4.
Поперечная пластина имеет крылообразное сечение. На верхней по потоку стороне 5 поперечная концевая пластина 2 имеет переднюю кромку 8. Толщина пластины 2, 3 увеличивается от передней кромки 8 по направлению к 9 и затем уменьшается в направлении 10 вблизи нижнего по потоку конца 6.
Между поперечными пластинами 2, 3 закреплены главное рулевое перо 12 и дополнительные рулевые перья 13, 23. Главное рулевое перо 12 установлено ближе к верхней по потоку стороне 5 поперечных пластин 2, 3. Верхний по потоку конец 15 дополнительного рулевого пера 13 расположен на половине пути вниз по потоку от верхнего по потоку конца 5.
Главное рулевое перо 12 присоединено к поперечным пластинам 2, 3 вблизи передней кромки 8 к нижнему по потоку концу 10.
Обе поперечные пластины 2, 3 расположены под углом относительно горизонтальной плоскости 14. Поперечная пластина 3 расположена под углом α, показанным на фиг.1. Поперечная пластина 2 расположена под другим углом β, причем угол β>α.
На фиг.4 более ясно показаны различные углы верхней и нижней поперечной пластины относительно горизонтальной плоскости в продольном направлении.
Руль 1 установлен на судне 20 вблизи кормовой части 16. От своей максимальной осадки 18 дно 19 судна имеет наклон вверх по направлению к корме 16 судна, чтобы выступить над ватерлинией 17, как показано на фиг.4.
Руль расположен под наклонной линией 21 в направлении кормы 16. Предпочтительно, руль устанавливают так, чтобы он не проходил под линию максимальной осадки 18. Таким образом, руль 1 защищен от взаимодействия с дном реки, так как дно судна 19 будет располагаться ниже.
Руль 1 устанавливается на судно 20 посредством баллера 38, который может поворачиваться 39. Управление, такое как рычажное, может быть применено для приведения в действие передачи, вращающей баллер и руль 1, чтобы обеспечить маневрирование плавающего объекта 20.
Рядом с кормой 16 располагается гребной винт 22 для обеспечения движения судна вперед. Он перемещает воду по направлению к рулю 1, более или менее расположенному в линии вниз по потоку от гребного винта 22. Другие типы гребных винтов могут применяться в сочетании с изобретением.
Из-за формы корпуса судна 21 в направлении кормы 16 вода течет под наклоном к горизонтали. Вследствие этого вблизи кормы 16 существует восходящая схема потока.
Поперечные пластины 2, 3 приспособлены к этой схеме потока. Поскольку поперечная пластина, как показано на видах сбоку с фиг.1 и 4, проходит или наклоняется вверх в направлении нижнего по потоку конца 6, руль 1 испытывает меньшее сопротивление.
Угол наклона поперечных пластин является большим для верхней поперечной пластины 2, так как наклонный поток будет более параллелен (в данном месте) корпусу судна. Различие в наклоне составляет от 1 до 24 градусов, предпочтительно - от 4 до 20 градусов.
На фиг.2 показан вид сверху руля 1. Положение главного рулевого пера 12 и дополнительных рулевых перьев 13, 23 показано на фиг.2. Со стороны ближнего верхнего по потоку конца 5 каждое из перьев (главное/дополнительные 12, 23, 13) имеет крыло подобного поперечного сечения. В этом варианте осуществления каждое из перьев выполнено таким образом, что оно имеет Шиллинговое крыловидное сечение.
Поперечная пластина 2 треугольной формы имеет усеченные углы 26-28. Усеченный угол 27 формирует переднюю кромку 33 пластины 2. Усеченные углы 26, 28 являются частью крыльев 31, 32, проходящих на расстояние 35 в поперечном направлении 34 за дополнительные перья 13, 23. Кромки 29, 30, сформированные на усеченных углах 26, 28, проходят в направлении потока 7.
Дополнительные рулевые перья 13, 23 имеют средние линии 40, 41 соответственно. Средние линии 40, 41 расположены под углом атаки γ по отношению к средней линии главного рулевого пера. Дополнительные рулевые перья 13, 23 направляются в одну точку по отношению к главному рулевому перу 12 в направлении нижнего по потоку конца 6. Дополнительные рулевые перья располагаются, таким образом, на большем поперечном расстоянии от главного рулевого пера на верхнем по потоку конце 5, чем на нижнем по потоку конце 6.
Угол атаки γ (0-12 градусов) выбран исходя из соображений, относящихся к понижению разделения потока на дополнительные рулевые перья при умеренных и больших углах руля.
В положении по умолчанию и, в частности, когда применяется гребной винт 22, вода будет выталкиваться в направлении руля 1. Вследствие такого действия толкания вода создаст сходящуюся в точку схему потока. Дополнительные рулевые перья расположены в соответствии с этой схемой потока, таким образом понижая сопротивление дополнительных рулевых перьев в положении по умолчанию.
Главное рулевое перо имеет высоту 4 в верхнем направлении между конечными поперечными пластинами 2, 3. Верхняя пластина 2 имеет длину 81 в направлении потока. Дополнительные рулевые перья 13, 23 имеют хорду длиной 82 в направлении потока.
Верхняя пластина 2 распространяется на длину 83 выше по потоку за пределы передней кромки 5 главного рулевого пера 12.
Длина хорды 86 главного рулевого пера 12 показана на фиг.2. На фиг.2 также показана ширина 87 верхнего по потоку конца поперечной пластины 2. Более того, на фиг.2 показана средняя линия 88 главного рулевого пера 12.
Хотя поперечные пластины 2, 3 показаны как простые пластины, соединяющие главное рулевое перо 12 с двумя дополнительными рулевыми перьями 13, 23, согласно варианту осуществления изобретения можно использовать три или четыре раздельных пластины для создания более чем трех или четырех соединений между главным рулевым пером 12 и дополнительными рулевыми перьями 13, 23.