Подруливающие устройства. Основные системы современных подруливающих устройств

На правильно «сцентрованной» современной яхте центр парусности смещен на 3-12% длины по КВЛ в нос относительно центра бокового сопротивления. Такое смещение необходимо для того, чтобы компенсировать стремление яхты приводиться к ветру при крене: горизонтальный момент, образуемый силой сопротивления дрейфу и давлением ветра на паруса, будет уравновешивать момент, возникающий из-за того, что при крене сила тяги парусов Fд выходит из ДП яхты. Однако такое равновесие неустойчиво и даже при случайном уменьшении крена из-за любого изменения силы ветра или его направления нарушается, что приводит к уходу яхты с курса.

Смещение центра парусности относительно центра бокового сопротивления (плечо ΔX) для компенсации образующегося при крене приводящего момента Мвр, вызываемого действием сил тяги парусов Fд и сопротивления воды движению Fx (плечо ΔY).

Наиболее неприятный курс — фордевинд, когда рулевому особенно трудно удержать яхту от рысканья: попутная волна поднимает корму и стремится развернуть яхту лагом. При устойчивом бейдевинде зачастую удается настроить паруса так, что яхта возвращается на правильный курс относительно ветра даже при случайных отклонениях на 5-10°, но и при такой настройке в конце концов случайная волна или порыв ветра обычно все-таки сбивают яхту. (Кстати говоря, такая настройка парусов — обычно не наилучший вариант с точки зрения достижения наибольшей скорости.)

Проводка подветренного стаксель-шкота для автоматического управления: 1 — стаксель-шкот;2 — эластичный строп; 3 — грот; 4 — стаксель.

Для продолжительного плавания попутными курсами, например, при свежих ровных пассатных ветрах (пользуясь которыми можно вообще обойти половину земного шара без единой смены курса), давно уже известно и употребляется вооружение, состоящее из поставленных на двойном штаге бабочкой двух стакселей, шкоты которых закреплены на румпеле. Шкотовые углы парусов вытравлены вперед, за линию штага, так, что при выбегании на ветер проекция площади наветренного стакселя увеличивается, его тяга возрастает, по сравнению с тягой подветренного, и своим шкотом наветренный парус отклоняет руль вплоть до возвращения яхты на курс и выравнивания давлений на оба паруса. Шкоты могут быть заложены и не за поперечину румпеля, а просто на кормовых углах палубы, как и показано на приводимом эскизе.

«Самоуправляющее» вооружение для продолжительных переходов с попутным ветром.

На более острых курсах иногда используются другие варианты. Например, подветренный шкот стакселя проводится на наветренную сторону румпеля и закрепляется на нем, причем тяга шкота уравновешивается эластичным стропом, оттягивающим румпель в подветренную сторону. Усиливающееся с усилением ветра стремление яхты приводиться компенсируется отклонением руля под действием соответствующего увеличения тяги стакселя. Однако эта система требует довольно тонкой настройки и, конечно, непригодна на лавировке.

Гораздо удобнее вариант с так называемым брайновским квадрантом на голове баллера руля. Устройство состоит из трехрогого румпеля (квадранта), который под действием эластичного стропа стремится занять нейтральное положение в ДП. Этому мешает тяга гика-шкота, который закладывается карабином за одно из отверстий поперечины румпеля; тяга гика-шкота стремится увалить яхту тем больше, чем сильнее ветер. Стремление уваливаться можно регулировать, изменяя плечо тяги шкота. При перемене галса достаточно застегнуть на квадрант карабин другого «хвоста» коренного конца гика-шкота. Кстати говоря, такая система хорошо зарекомендовала себя при запуске самоходных моделей яхт.

Система с креплением гика-шкота на подветренное плечо брайновского квадранта: 1 — грот; 2 — погон гика-шкота; 3 — квадрант (трехрогий румпель); 4 — гика-шкот; 5 — эластичный строп.

Все эти сравнительно простые системы стоят того, чтобы попробовать их, плавая с малочисленным экипажем. Однако развитие одиночных плаваний привело за последние годы к разработке более эффективных специальных подруливающих «автоматов», выправляющих курс яхты относительно ветра после любых отклонений (такие автоматы по-английски называются «рулевыми флюгерами» — steering vane).

Кинематически схема наиболее распространенном системы подруливающего «автомата» представляет собою два рычага, связанных поводком, катающимся в прорези. Один рычаг укреплен на голове баллера руля. Другой вращается с флюгером, причем может быть неподвижно связан с ним под определенным углом. Принцип работы схемы со встречными рычагами рассмотрен в статье «Авторулевой на яхте». Ниже приводится лишь описание одной из английских конструкций, в которой использована эта схема.

Подруливающее устройство со встречными рычагами

Подруливающее устройство одной из английских фирм, в котором использована схема с встречными рычагами.

Вспомогательный руль подвешивается на транце, а подвижная система флюгера закреплена на легкой трубчатой раме 1, выстреленной за корму. Ахтерштаг выполняется раздвоенным, чтобы флюгер не задевал за него. Перо руля 2 продолжено вверх до уровня палубы и снабжено парой гетинаксовых щек 3, которые служат направляющими для пальца 4 поводка 5 флюгера. Поскольку в большинстве случаев транец наклонен, приходится скашивать и внутренние плоскости этих щек, чтобы палец не заклинивало при положенном на борт пере. Поводок 5 жестко соединяется с нижним фланцем 6 вращающейся вертикальной трубы 7, несущей собственно флюгер 8. Труба 7 надета на неподвижную ось 9 (диаметр 15-16 мм), с напрессованными на нее бронзовыми втулками — подшипниками скольжения 10. Ось крепится гайкой 11 на площадке рамы — выстрела 1, а гайка 12 и шайба на верхнем конце оси предотвращают смещение подвижных частей вверх. Вес всей системы воспринимается упорным подшипником 13, закрытым от брызг колпачком 14, набиваемым консистентной смазкой.

В кормовой части поводка просверлены 12-20 отверстий, равномерно расположенных по окружности вокруг оси. Во фланце 6 трубы флюгера есть 3 отверстия, шаг которых на 20-30% отличается от шага отверстий поводка. Это дает возможность утроить число возможных фиксированных положений поводка относительно флюгера. Соединение осуществляется чекой 15.

Противовес 16 изготовляется иногда из жестяной банки, залитой свинцом. Положение груза на стержне подбирается при настройке подруливающего устройства и фиксируется гайками. Для увеличения жесткости пластину флюгера и конец стержня противовеса полезно связать проволочной струной 17.

Настройку лучше всего производить при ветре 2-3 балла на курсе, близком к галфвинду. Может оказаться, что полезно противовес расположить так, чтобы он даже слегка перевешивал пластину флюгера; это поможет компенсировать повышенное стремление яхты приводиться при больших кренах на острых курсах. На свежих ветрах полезно подветренную оттяжку румпеля основного руля делать эластичной (например, из резинового шнура эспандера).

Поскольку вспомогательный руль для уменьшения поворотного момента чаще всего делают балансирным, для регулировки полезно иметь три сменные насадки на переднюю кромку пера руля. Смена насадок должна давать возможность изменять площадь балансирной части пера руля, делая ее равной, например, 5%, 12% или 20% общей площади руля. Соответственно в поводке надо предусмотреть несколько отверстий для установки пальца с тем, чтобы иметь возможность менять соотношение плеч поводкового соединения. Среднее значение плеча поводка составляет 125 мм при вдвое меньшем значении плеча руля (12% площади пера руля расположено впереди оси вращения).

На попутных ветрах все подруливающие «автоматы» работают плохо. Ведь как раз тогда, когда требуется особенно активная работа рулем — на фордевинде, давление ветра на флюгер обычно в 9-10 раз меньше, чем на бейдевинде.

Следует помнить, что и при использовании подруливающего «автомата» яхта не будет двигаться по идеальной прямой, однако «автомат» поддерживает курс лучше, чем рулевой средней квалификации.

Необходимо иметь в виду взаимодействие главного и вспомогательного рулей. Если попытаться увалить яхту действием главного руля, подруливающее устройство будет препятствовать этому и рулевому будет казаться, что яхта получила чрезвычайно сильное стремление приводиться (об этой особенности не следует забывать в случаях экстренной необходимости изменить курс). Для уменьшения этого эффекта можно установить между щечками 3 вспомогательного руля болт, ограничивающий ход пальца поводка, а следовательно, и поворот руля; полностью же устранить этот эффект можно только отсоединением поводка.

Ясно, что под действием ветра всегда сначала поворачивается только флюгер, воздействуя на привод руля, а яхта некоторое время идет по старому курсу. Нетрудно сообразить, что во время этого рабочего хода флюгера сила давления ветра на него будет падать, так как угол атаки по мере разворота флюгера в нейтральное положение будет уменьшаться. Следствием этого является малая чувствительность рассмотренных систем с флюгером, вращающимся относительно вертикальной оси.

Этот недостаток меньше сказывается в системах, в которых флюгер работает подобно крылу ветряной мельницы, т. е. ось его вращения горизонтальна. Рассмотрим устройство одной из таких систем.

Подруливающее устройство с вращением флюгера относительно горизонтальной оси

Подруливающее устройство с вращением флюгера относительно горизонтальной оси.

На горизонтальном барабане 1 установлен кронштейн 2, несущий вращающийся горизонтальный вал 3 со шкивом 4 и пером флюгера 5 (симметричный обтекаемый профиль), жестко ориентированным в плоскости вала 3. Флюгер снабжен противовесом 6, стремящимся удержать его вертикально. Поворачивая барабан за тросовые тяги 7, разворачивают систему так, чтобы вертикально расположенный флюгер установился вдоль потока вымпельного ветра. В этой позиции флюгер, естественно, не создает никакой подъемной силы. Если теперь яхта уйдет с заданного курса, обтекание флюгера уже не будет симметричным и под действием косого потока он начнет поворачиваться вправо или влево вокруг горизонтального вала 3, поворачивая (через шкив 4 и систему штуртросов 8) перо основного руля. Очевидно, что во время рабочего хода, пока яхта не вернулась на первоначальный курс, флюгер будет совершать вращение с примерно постоянным углом атаки, т. е. без снижения рабочего усилия, передаваемого на руль. Как правило, в таких системах применяется понижающая передача, дающая выигрыш з силе, т. е. позволяющая уменьшить площадь флюгера благодаря увеличению рабочего хода.

Есть и другой способ увеличения управляющего усилия, когда для отклонения незакрепленного навесного транцевого руля используется гидродинамическая подъемная сила, возникающая на балансирном вспомогательном руле. Флюгер и вспомогательный руль сидят на одном и том же штоке-баллере, причем положение флюгера относительно штока фиксируется стопорным винтом. При отклонении яхты от курса флюгер поворачивает перо вспомогательного руля, набегающий поток создает на пере подъемную силу, которая передается на основной руль и будет поворачивать его. Нужно отметить, что в этой схеме вспомогательное перо и главный руль действуют в разные стороны, поэтому желательно, чтобы площадь вспомогательного пера была небольшой, а ось его вращения проходила на возможно более значительном расстоянии от оси вращения основного руля. Тогда сила F на основном руле будет значительно превышать действующую в противоположном направлении силу f на вспомогательном руле, в то время как вращающий момент, необходимый для отклонения основного руля, сохранится достаточно большим.

Подруливающее устройство с использованием дополнительной силы

Подруливающее устройство с использованием дополнительной силы, возникающей на вспомогательном балансирном руле. Fl = fL = M0; МЦБС ≈ FR — f(R + L) ≈ FR. Румпель навесного основного руля не закреплен.

Легко заметить, что при такой схеме от флюгера не требуется значительных усилий, так как вспомогательный руль является своеобразным гидродинамическим усилителем.

Подруливающие устройства системы Хаслера

Еще одна схема, в которой используется энергия обтекающего яхту потока, известна под названием системы Хаслера по имени ее конструктора, одного из участников первых трансатлантических гонок одиночек. «Автоматы» Хаслера установлены на многих известных яхтах, в том числе и на «Джипси Мот IV» (то, что это устройство доставило Чичестеру много хлопот и волнений, не говорит еще о принципиальных недостатках рассматриваемой схемы). В отличие от предыдущей, эта схема может быть применена на яхте с длинным кормовым свесом. Управляющим элементом служит балансирный вспомогательный руль 1, способный вращаться одновременно вокруг вертикальной I-I и горизонтальной продольной II-II осей. Под действием флюгера поворачивается вспомогательный руль 1, но возникающая при этом на его пере подъемная сила не только стремится развернуть яхту, но и одновременно наклоняет — поворачивает само перо относительно горизонтальной оси II-II, лежащей в ДП яхты, благодаря чему через систему штуртросов 3 поворачивается основной руль яхты 4.

Принцип действия подруливающего устройства Хаслера.

Конструкция подруливающего устройства Хаслера, выпускаемого одной из английских фирм. Вес устройства в сборе 21,3 кг. I-I — ось вращения вспомогательного руля; II-II — ось наклона вспомогательного руля: III-III — ось вращения ветрового крыла-флюгера. 1 — привод управления углом установки флюгера; 2 — палец поводка передачи для поворота флюгера (схема с встречными рычагами); узел надо выполнить таким образом, чтобы палец не заклинивало при поперечных наклонах системы вспомогательного руля, так как ось III-III флюгера остается вертикальной; 3 — опоры (для монтажа устройства в сборе на яхте) с цапфами для подвески, качающейся в поперечной плоскости горизонтальной рамы 4; 5 — вертикальная рамка (жестко соединена с рамкой 4) подвески руля, в верхней точке которой закреплен штуртросный привод 6 к румпелю основного руля; 7 — сорлинь; 8 — фиксатор положения пера руля.

Удачной комбинацией двух последних схем является система, опубликованная известным английским яхтсменом и конструктором Колином Мьюди и испытанная в одиночном плавании из Англии в Австралию. Как видно из рисунка, подруливающая система имеет вспомогательный руль 1 с закрылком 2, подвешенный к транцу на вращающемся барабане 3. Поворот барабана 3 под действием гидродинамической подъемной силы приводит в действие основной руль 4. Эту систему можно рассматривать как составленную из каскадов гидродинамического усиления.

Подруливающее устройство системы Колина Мьюди с креплением вспомогательного руля (с закрылком) на поворотном диске в плоскости транца.

Существуют также и системы, в которых роль воздушного крыла-флюгера играют воздушные винты, вращающие через замедляющую червячную передачу баллер вспомогательного руля. Здесь используется свойство винта менять направление вращения в зависимости от того, с какой стороны воздушный поток набегает на плоскость вращения. Замедляющая передача позволяет получить достаточно большие усилия даже в слабый ветер.

Подруливающее устройство с воздушными винтами.

Среди большого разнообразия применяемых конструкций трудно отметить наиболее предпочтительные схемы. Сложные системы обычно обеспечивают большую стабильность курса, однако, как показывает опыт, менее надежны. Вместе с тем даже сравнительно простые системы подруливающих устройств существенно облегчают дальние переходы с малочисленной командой, не говоря уже о плаваниях одиночек.

Б. С. Тараторкин, Б. А. Буданов, «Катера и яхты», 1971 г.

В раздел «Мотолодки, катера, яхты — разное, обзоры, советы»

Наш Telegram-канал: https://t.me/motolodki_katera. Присоединяйтесь!

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

добавить страницу в избранное