|
|
Для получения оптимвльиых
результатов при заданных площади руля и приложенном вращающем моменте следует
учитывать форму пера руля.
В корабельной архитектуре хорошо изучены качества
различных стандартных профилей, применяемых на судах обычного типа. Поэтому
мы отсылаем читателя к работе Гауна, опубликованной в журнале «Transactions
of IN А» (1943 г.) В этой работе рассматривается также перемещение центра
давления.
Когда руль выполняет свое назначение, состоящее в
приложении боковой силы в определенной точке корпуса, в которой он закоеилеп,
его, вообще говоря, можно рассматривать как погруженное крыло.
В этом случае, при рассмотрении нормальных скоростей,
характеристики профиля руля определяются графиком зависимости коэффициента
подъемной силы С, от угла атаки. В данном случае подъемная сита, приложенная
к рулю, представляет собой боковую силу, возникающую при перекладке руля на
некоторый угол относительно поступательного перемещения катера в воде.
Рассмотрим, прежде всего, форму руля, наиболее выгодную с
точки зрения минимального лобового сопротивления, т. е при нулевом угле атаки
относительно водяного потока-
Выше мы кратко коснулись вопроса о влиянии высокой
скорости обтекания на условия движения быстроходных судов. Автор считает, что
предложенные для судов со средними скоростями формы рулей с максимальной их
толщиной, расположенной на расстоянии ~ хорды от передней кромки, могут,
вероятно, иметь отрыв пограничного слоя на относительно низких скоростях
хода.
Наблюдения в кавитационной трубе, проведенные для этого
случая, показывают, что после превышения определенной скорости поток воды
отрывается от профиля в районе максимальной толщины и движется на некотором
расстоянии от его поверхности ( 61).
При рассмотрении вероятности воздействия кавитации на
обте-_ канне профиля прежде всего выясним, что происходит с профилем
повышенной толщины при нулевой подъемной силе. 62 представляет собой попытку
показать характер распределения давления вдоль хорды профиля обычного тина.
Тонкие профили с участками максимальной толщины,
перенесенными далеко в корму, весьма выгодны как с точки зрения замедления
кавитации, так и для отражения ударов волны. Однако мы должны учитывать тот
факт, что меры, принимаемые для предупреждения кавитации (или воздействия
ударной волны) при нулевой подъемной силе, зачастую способствуют
возникновению кавитации (или ударной волны) при увеличении угла атаки руля.
Рассмотрим в качестве примера плоскую пластину, имеющую
при нулевой подъемной силе сильно развитую кавитацию С момента приложения
подъемной силы, недалеко от носовой части пластины в результате местной
кавитации возникает пузырек, способствующий срыву потока, и характеристики
подъемной силы такого профиля значительно ухудшаются. Вследствие увеличения и
последующего разрыва пузырька (а также из-за малой скорости возрастания
подъемной силы в зависимости от угла атаки) происходит преждевременная потеря
скорости. Разумеется, как и при проектировании скоростного самолета, любая
конструкция должна представлять собой определенный компромисс. Стараясь
избежать расположения участка повышенной максимальной толщины вблизи от
передней кромки авиационного профиля, мы уменьшаем максимальную величину
засасывания вблизи этой области, создающей подъемную силу. Положение наиболее
выгодного компромиссного варианта зависит от требующейся величины
безкавитационной скорости хода. Учитывая большую работу по решению этой
задачи, проведенную авиаконструкторами, представляется небезынтересным
рассмотреть имеющиеся результаты.
Для получения от какого-либо авиационного профиля
наибольшей подъемной силы (при любой заданной скорости) без возникно
вения кавитации желательно, чтобы при данном коэффициенте
подъемной силы максимальное засасывание по верхней части крыла было несколько
меньше величины, необходимой для начала кавитации, а указанный уровень
засасывания сохранялся как можно дальше в направлении к задней кромке ( 65).
Авиационные профили с таким характером распределения
давления были разработаны NACA (Американский национальный консультативный
комитег по вопросам авиации). Одна из этих серий профилей имеет, например,
следующее обозначение: 66,-021; первая шестерка соответствует номеру серии,
вторая — обозначает распространение равномерного засасывания по хорде в
десятых долях длины хорды; индекс 4 показывает область значений коэффициента
подъемной силы в десятых долях выше нуля, для которой максимальные значения
засасывания не превышают указанную постоянную величину. Нуль, следующий после
тире, указывает на то, что данный профиль является плоским. Две последние
цифры указывают толщину профиля в °о хорды, удовлетворяющую предъявленным
требованиям.
Вообще говоря, использование профилей серии NACA 66
признано выгодным, так как они имеют значительно смещенное в корму положение
максимальной толщины (на 45 длины хорды от носа). На 66 показаны значения
CL, полученные без кавитации.
Автором было обнаружено, что на быстроходных судах при
управлении рулями некоторых стандартных профилей штурвал приходится
поворачивать на довольно значительный угол прежде, чем руль будет обтекаться
сплошной массой воды.
Следовательно, при выборе наиболее выгодного профиля руля,
предназначенного для установки на быстроходных судах, его заднюю кромку
целесообразно делать тупой.
Независимо от истинных причин такого явления, оно
подтверждается данными, имеюиш мися по симметричным профилям, относительно
которых было доказано, что введение скошенной кромки вызывает при
сверхзвуковых скоростях снижение волнового сопротивления. В соответствии с
этим было решено изучить сравнительно низкие скоростные характеристики
указанных пр офил ей. Испытан и я позволили обнаружить, что утолщение задней
кромки оказывает положительный эффект на величину коэффициента CLmat или на
Су, тах- На 68 приведена кривая, показывающая влияние утолщения задней
кромки.
Эти данные, возможно, и не являются приемлемыми для любых
случаев, но вполне пригодны для профиля NACA 0012, имеющего указанную форму.
Единственный недостаток срезанной задней кромки руля состоит в том, что в
случае ее применения поток носит срывной характер, так как вихри сбегают
попеременно с верхней и нижней поверхностей профиля.
Может оказаться выгодным, основываясь на опыте
самолетостроения, придать рулям быстроходных судов некоторую стреловидность (
69), главным образом, с целью повышения эффективной величины отношения хорды
к толщине профилей более обычной формы.
Балансировка руля. При желании обойтись без механического
рулевого привода, для уменьшения усилия на штурвале (насколько это возможно
на быстроходных катерах) используют элементы балансировки. В этом случае
часть площади пера руля располагают в нос от оси баллера руля.
Наблюдения и испытания, проведенные в море на некоторых быстроходных
судах, дали возможность сделать вывод о том, что для указанного случая
оптимально расположение оси баллера на расстоянии 22—25% хорды. Превышение
этой величины приводит при перекладке руля на тот или другой борт к тому, что
угол поворота стремится увеличиваться, а руль застопоривается под
воздействием давления воды вплоть до замедления хода катера. Объяснение
причин такого явления остается спорным.
Автору известны из опыта некоторые случаи, когда помещение
оси баллера на расстоянии даже 22"и длины хорды уже дает эффект
перебалансировки, тогда как для других рулей, работающих при сходных
условиях, представляется вполне оправданным увеличение указанной величины до
35При этом следует учитывать, что вопрос осложняется действием закрученного
потока, отбрасываемого гребным винтом.
В ближайшее время предполагается провести испытания в ка-
витационной трубе в условиях, приближенных к натуре, что позволит получить
более полные сведения по данному вопросу.
В ряде случаев широкое распространение получила схема
размещения рулей, показанная на 16, г, где кронштейн, поддерживающий гребной вал, расположен в корму от винта и является передней кромкой руля. Весьма
вероятно, что это дает некоторое уменьшение полного сопротивления, но
подобная конструкция не всегда желательна, так как на высоких скоростях хода
лапа кронштейна, расположенная в нос от руля, может вызвать значительный
разрыв сплошности потока и образование кавитациоиных «пузырей».
Вследствие того, что перо руля, расположенное под
некоторым углом к потоку воды, развивает боковую силу, пропорциональную
квадрату скорости потока, обычно оказывается выгодным помещать руль в
наиболее мощной части потока, создаваемого гребным винтом. Н. Бринзел
определяет это положение следующим образом. Если представить себе площадь,
ометасмую винтом, как часовой циферблат, то для винта правого вращения перо
руля должно пройти через точку, соответствующую двум часам, а для виита
левого вращения через точку, соответствующую десяти часам. Автор приходит к
выводу о том, что в обоих случаях перо руля должно быть перемещено в
указанном направлении.
Увеличение эффекта данной площади руля для быстроходного
гребного виита с относительно низким КПД будет наблюдаться в довольно широких
пределах, результатом чего явится увеличение степени «скольжения» и,
следовательно, скорости потока гребного винта.
Некоторые исследователи считают необходимой установку
впереди пера руля направляющего стабилизатора, уменьшающего влияние на руль
закрученного потока от гребного виита. Отмечается также, что при данной
площади руля наибольший эффект дает небольшой быстроходный виит, в то время
как при более круп
ном винте на руль воздействует лишь незначительная часть
потока, создаваемого винтом.
Следовательно, мы имеем два случая, изображенные па 70,
а и б. Суммарная скорость потока, создаваемого винтом, в случае а больше, что
при данной скорости хода судна дает большее усилие на руль.
Сделав оценку максимального усилия, которое может быть
создано пером руля при наибольшем угле его отклонения (например 35е),
полученную цифру следует помножить на расстояние от центра давления до оси
руля. Точного метода расчета последней величины не имеется, но если
предположить наличие у руля балан- сирной части около 25?о, то приемлемые
результаты могут быть получены при положении центра давления в пределах 0,05—0,07
длины хорды.
Для определения положения центра давления рулей
быстроходных судов должны проводиться обширные экспериментальные
исследования, особенно если предполагается применить профили» отклоняющиеся
от общепринятых.
Как указывалось выше, эффективное компромиссное решение
представляет собой форма профиля, показанная на 60.
Хотя очевидно, что перо руля с высоким относительным
размахом наиболее выгодно, в данном случае имеют значение и другие факторы;
можно сомневаться, так ли уж плоха прямоугольная форма пера руля. Другими
словами, важны не столько форма пера руля, сколько ее площадь, расположение и
профиль.
Приведенные данные подтверждают, что хорошая конструкция
руля еще не является достаточным условием для обеспечения удовлетворительного
поведения судна на циркуляции. Многое зависит от площади боковой поверхности,
погруженной при глиссировании. Важное значение в рассматриваемом вопросе имеет
также форма корпуса. В частности, чрезмерный дифферент на корму может вызвать
затруднения при циркуляции катера. Признано целесообразным срезать в корме
фальшкиль (если таковой имеется) настолько, чтобы после изменения рулем
начального направления движения относительно набегающей воды вступила в
действие определенная полезная площадь в нос от оси поворота.
На многих торпедных катерах, спроектированных фирмой
«Воспер», на значительном расстоянии в нос от оси поворота установлена
небольшая треугольная пластина Разумеется, подобную пластину не следует
устанавливать в таком положении, чтобы она выступала из воды или могла
вызвать увеличение сопротивления на скоростях глиссирования.
Из сказанного можно видеть, что для предупреждения
кавитации и уменьшения лобового сопротивления следует применять оптимальные
профили о максимальной толщиной, смещенной далеко в корму. Если рассматривать
в этой связи работу руля при различных углах атаки, то можно убедиться, что
должен быть найден определенный компромисс.
Для скоростей хода, превышающих средние, но исключая
максимальные, выгодный компромисс представляет собой профиль NACA 664-021.
Тем не менее, если обратиться к 66, то можно сделать
вывод, что максимальное значение CL при отсутствии кавитации для скорости
хода 47 узлов составляет всего 0,1. Отсюда следует, что на высоких скоростях
хода при значительных углах отклонения руля полностью избежать кавитации
невозможно независимо от выбранной формы профиля. Поэтому можно предположить,
что в подобных условиях задняя часть руля окажется полностью изолированной от
потока воды.
Поскольку необходимо сохранять в постоянном контакте с
потоком как можно большую часть, по меньшей мере одной поверхности пера руля
в направлении хорды, автор пришел к заключению (верному или ошибочному) о
том, что если форма передней кромки руля позволяет как можно дольше избежать
кавитации или срыва потока, то остальная часть профиля должна приближаться по
своей форме к клиновидной с целью сведения его толщины к минимальной. Задняя
кромка профиля может быть сделана тупой. В этом случае, когда средой, в
которой работает часть поверхности пера руля, является воздух вли частичный
вакуум, лобовое сопротивление невелико. Это заключение до некоторой степени
дополняет замечания о влиянии срезанной тупой задней кромки, изложенные выше.
|