Значительное влияние угла перекладки руля на циркуляцию связано с действием гидродинамической силы RP Величина силы RP зависит от скорости встречного потока (А) и скорости потока, отбрасываемого винтом. Скорость потока, закрученного винтом в спираль, имеет две составляющие: осевую и окружную. Давление осевой составляющей на переложенный руль называют силой винтовой отработки и обозначают Св.о (рис. 1). Окружная составляющая потока действует на верхнюю и нижнюю части руля в противоположных направлениях. При винте правого шага поток набрасывается на нижнюю часть пера справа лопастью, перемещающейся из правого положения в нижнее, и на верхнюю часть пера слева лопастью, перемещающейся из левого положения в верхнее. Струя воды, набрасываемая справа, стремится уклонить корму влево, а набрасываемая слева стремится уклонить корму вправо.
По мере увеличения глубины возрастает гидростатическое давление, поэтому сила, уклоняющая корму влево, превышает, силу, уклоняющую корму вправо. Результирующую силу набрасываемой струи обозначают С, эта сила действует на руль и тогда, когда он находится в прямом положении. Таким образом, при перекладке руля полная гидродинамическая сила рассчитывается так:
Rp=A+Cв.о±С,
где знак у силы С зависит от стороны перекладки руля.
Величина силы А зависит от скорости судна, а силы Св.о — от частоты вращения винта. При установившихся скорости судна и частоте вращения винта сила винтовой отработки составляет 30-40% силы встречного потока. С увеличением частоты вращения винта сила Св.о, а следовательно, и сила Rр возрастают и поворотливость судна улучшается. Это происходит до тех пор, пока скорость судна не будет соответствовать новой частоте вращения винта, т. е. в эволюционный период циркуляции. Действие силы Св.о при увеличении оборотов двигателя проявляется преимущественно в уменьшении выдвига, прямого смещения и, в меньшей степени, тактического диаметра, а диаметр установившейся циркуляции остается неизменным.
Наибольший эффект от влияния силы Св.о наблюдается, когда судно описывает циркуляцию с места (рис. 1). Сила С повышает эффективность руля при повороте вправо (у судов с правым шагом винта) и снижает при повороте влево. Следствием этого должно быть уменьшение циркуляции судов в одну сторону и увеличение в другую.
Рис.1. Схема направлений сил при взаимодействии винта с рулем и корпусом судна.
а) на переднем ходу, б) на заднем ходу.
На заднем ходу винт правого шага вращается против часовой стрелки и, закручивая воду в спиральный поток, набрасывает ее на кормовые обводы судна. На правую раковину вода набрасывается лопастью, движущейся из правого положения в верхнее под углом 90°. На левую раковину вода набрасывается лопастью, движущейся из левого положения в нижнее под острым углом. В результате давление воды справа налево будет больше, чем слева направо. Под действием набрасываемой струи (сила С’) корма будет уклоняться влево. Изменит также на обратное направление сила реакции винта D и на заднем ходу, независимо от шага винта, будет действовать согласованно с силой С’, При перекладке руля на тот или иной борт на перо руля будут оказывать действие силы встречного потока А и всасываемой струи.
Величина и направление сил А, В, Св.о, С, С’, D зависят от направления движения судна и режима работы винта. При перемене направления движения или режима работы винта эти силы будут складываться или вычитаться, соответственно улучшая или ухудшая поворотливость.
Если судну, не имеющему движения, дать задний ход, то под влиянием силы D корма покатится влево. Возникнет и будет увеличиваться сила набрасываемой струи С’, направленная в ту же сторону, что и сила D. Корма быстро пойдет влево. Для удержания судна на курсе нужно переложить руль вправо, чтобы силы встречного потока А и всасываемой струи В компенсировали силы С’ и D. У некоторых типов судов сумма сил C’+D может оказаться больше суммы сил А +B, вследствие чего перекладки руля для удержания судна на курсе оказывается недостаточно. В таком случае целесообразно разогнать судно на заднем ходу с рулем право на борту и застопорить машину: с исчезновением сил С’ и D корма пойдет вправо.
Если судно не имеет поступательного движения, то в момент дачи переднего хода возникнет сила реакции D, под влиянием которой корма резко пойдет вправо (сила набрасываемой струи в начальный момент будет невелика). При перекладке руля влево сила винтовой отработки Св.о сложится с силой D и корма еще быстрее пойдет вправо. Если в момент дачи хода руль переложить вправо, то сила С компенсирует действие силы D и судно будет одержано на курсе. По мере увеличения хода сила D уменьшается, а сила С возрастает. Когда судно достигнет назначенной скорости, силы С и D примерно уравняются, а некоторый избыток одной из них легко компенсируется небольшой перекладкой руля.
Поэтому если судну необходимо развернуться на обратный курс в стесненной обстановке, то циркуляцию лучше начинать с места или, если такой возможности нет, предварительно уменьшить ход до минимально возможного. Поворот влево следует осуществлять, используя влияние силы D, т. е. сильными, но кратковременными толчками машины вперед, не разгоняя судна. При повороте вправо надлежит использовать влияние силы Св.о, для чего обороты следует наращивать постепенно. Очевидно, что с учетом влияния винта поворотливость судна влево лучше, чем поворотливость вправо.
Рассмотренные закономерности взаимодействия винта с корпусом и рулем относятся к винту правого шага. В случае винта левого шага эффект его действия будет прямо противоположным.