HV na Class Globe 5.80

Class Globe 5.80 niedługo wystartują do regat dookoła Świata. Otrzymałem pytania dotyczące zamontowania samosteru z dużą płetwą która wytwarza dużą siłę i nie uchyli się gdy napotka w wodzie przeszkodę.  Czy  będzie to dobry wybór dla waszej łodzi? Dobrze rozważcie ten problem bo ma on istotny wpływ na bezpieczeństwo. Jeżeli ktoś nie chce czytać zbyt długiego tekstu to poniżej skrót:

Opcja 1: Nie róbcie tego. To dobrze działający samoster ale zbyt duży i nie najlepiej dostosowany do tej łódki. A wy nie macie przygotowanych wzmocnień w miejscach montażu. Będzie sterował ale będzie również stanowił zagrożenie. Przy dużych prędkościach podczas surfowania z falą może wyrwać mocowanie z pawęży razem ze sporym kawałkiem sklejki. 

Opcja nr 2: zamontujcie w sposób który pokazałem na rysunku 2 i 2a i zmieńcie płetwę na mniejszą - 400 x 180 (max 450x180). Taka wystarczy dla CG5.80. Koniec skrótu.

Samoster działa dobrze, gdy jego ruchome części są lekkie. Dlatego musi być zaprojektowany z wielką dbałością o wagę. Ster na jachcie jest zaprojektowany z  dużym marginesem bezpieczeństwa. Znacznie większym niż w konstrukcjach samosterów. 

HV nie działa na ster jachtu tak jak np. servo pendulum czy systemy z płetwą wyważającą zwaną w różnych krajach fletnerem, płytką wyważającą lub trim tab. Prosty system HV to połączenie statecznika wiatrowego o osi poziomej z dodatkową płetwą sterową. Długą płetwą na której przy dużych prędkościach powstają duże siły. 

Kadłub jachtu w miejscach mocowania swojego własnego steru jest szczególnie wzmocniony. Nie tylko punktowo ale tak by obciążenia rozłożyć na jak największy obszar konstrukcji. Jeżeli montujemy na jachcie samoster z dużą  płetwą sterową taki jak HV to w rzeczywistości montujemy drugi ster. Na tym sterze powstaną duże siły. Na kadłubie w miejscach mocowania HV lub innego podobnego samosteru powinny być silne wzmocnienia. Podobnie jak jest dla steru głównego i odpowiednio do obciążeń. Wzmocnienia muszą być w tych miejscach do których przykręcamy samoster i muszą rozprowadzać obciążenia na duży obszar struktury kadłuba. Podkładka nawet duża, pomaga rozłożyć obciążenia, nie jest jednak żadnym wzmocnieniem.

Samoster o którym mówimy ma długą na ok. 1 m  płetwę. Jest podobna wymiarami i generuje siłę zbliżoną jak zawieszony na skegu ster CG5.80. Ponieważ płetwa samosteru jest wolnonośna (spade rudder) to siły w zawiasach i obciążenia pawęży są wyraźnie większe niż w zawiasach steru CG5.80.

HV on Class Globe 5.80

Class Globe 5.80 will soon start in the Round the World regatta. I received questions about mounting a windvane with a large fin that generates a lot of force and will not deflect when it encounters an obstacle in the water. Will this be a good choice for your boat? Consider this issue carefully because it has a significant impact on safety. If someone does not want to read too long text, here is a summary:

Option 1: Don't do it. It is a well-functioning windvane but too large and not best suited for this boat. And you do not have prepared reinforcements in the mounting locations. It will steer but will also pose a threat. At high speeds while surfing with a wave, it can tear the mount from the transom together with a large piece of plywood.

Option no. 2: mount it in the way I showed in Figure 2 and 2a and change the fin to a smaller one - 400 x 180 (max 450x180). This will be enough for CG5.80. End of summary.

A self-steering system works well when its moving parts are light. That is why a wind vane must be designed with great care for weight. The rudder on a yacht is designed with a large margin of safety. Much greater than in wind vane designs.

HV does not act on the yacht's rudder like, for example, a servo pendulum or systems with a balancing fin, called in various countries a fletner, balancing plate or trim tab. A simple HV system is a combination of a wind stabilizer with a horizontal axis with an additional rudder fin. A long fin on which large forces are generated at high speeds.

The hull of the yacht is particularly reinforced in the places where its own rudder is attached. Not only point-wise, but also in order to distribute the loads over the largest possible area of ​​the structure. If we mount a self-steering system with a large rudder fin such as HV, we are actually mounting a second rudder. Large forces will be generated on this rudder. There should be strong reinforcements on the hull in the places where HV or other similar wind vane is attached. Similarly to the main rudder and appropriate to the loads. Reinforcements must be in those places to which we screw the windvane and must distribute the loads over a large area of ​​the hull structure. Large pad helps to distribute the loads, but it is not a reinforcement.

The windvane we are talking about has a fin about 1 m long. It is similar in dimensions and generates a force similar to that of the CG5.80 rudder suspended on a skeg. Since the windvane fin is free-bearing (spade rudder), the forces in the hinges and the loads on the transom are clearly greater than in the hinges of the CG5.80 rudder.

Rozpatrzmy samoster zamocowany na pawęży około 35 cm obok steru (rys. 1). Najlepiej na lewej burcie bo większość trasy regat pokonacie prawym halsem. Miejsca mocowania zawiasów mają wpływ na siły które w tych miejscach wystąpią. Popatrzcie na rysunki 2 - 4. Jeżeli chcemy by te siły były małe to miejsca mocowania powinny być odsunięte od siebie najdalej jak to jest możliwe a płetwa powinna być blisko dolnego mocowania. Górne mocowanie powinno być przykręcone do pokładnika pawęży a dolne na samym dole pawęży zamiast płetwy stabilizacyjnej (rys. 2). 

Let's consider a windvane mounted on the transom about 35 cm next to the rudder (Fig. 1). It is best on the port side because you will cover most of the regatta route on the starboard tack. The places where the hinges are attached have an impact on the forces that will occur in these places. Look at figures 2 - 4. If we want these forces to be small, the attachment points should be as far apart as possible and the fin should be close to the lower attachment. The upper attachment should be screwed to the transom beam and the lower one at the very bottom of the transom instead of the stabilizing fin (figure 2).

Płetwa sterowa HV jest dla CG.5.80 zbyt duża. Wystarczy 40cm x 18cm płetwy zanurzonej w wodzie, 45cm x 18cm to już maksimum. 

W dolnym mocowaniu występują największe siły. To jest najbardziej obciążony punkt.  Od wewnętrznej strony dolne mocowanie powinno być wzmocnione blachą która przeniesie obciążenia na grube dno. Tak jak pokazano na rysunku 2a.

The HV rudder blade is too large for the CG.5.80. 40cm x 18cm of the fin immersed in water is enough, 45cm x 18cm is the maximum.

The greatest forces occur in the lower attachment. This is the most loaded point. From the inside, the lower attachment should be reinforced with sheet metal that will transfer the loads to a thick bottom. As shown in figure 2a.

 Na jednym z jachtów HV został zamocowany tak jak na rys. 3. W tym przypadku płetwa nie musi nawet trafić w wodzie na przeszkodę, uszkodzenie może nastapić tylko pod działaniem siły powstającej na płetwie podczas normalnego żeglowania. Mocowania są przykręcone zbyt blisko siebie. Nie są przykręcone do ramy pawęży. Są przykręcone tylko do sklejkowego poszycia. Łatwo mogą się wyrwać uszkadzając pawęż. 

On one of yachts the HV was mounted as in Fig. 3. In this case the fin does not even have to hit an obstacle in the water, damage can occur under the action of the force generated on the fin during normal sailing. The fastenings are screwed too close together. They are not screwed to the transom frame. They are only screwed to the plywood covering. They can easily break off, damaging the transom. 

Porównajmy siły. Rysunki aby były łatwo zrozumiałe nie przedstawiają reakcji w zawiasach. Te oczywiscie mają przeciwny zwrot. Rysunki przedstawiają jakie siły w zawiasach powoduje siła hydrodynamiczna powstająca na sterze.  Aby prosto i czytelnie zobrazować zagadnienie siły są pokazane tylko na jednej płaszczyźnie. Mam nadzieję, że te uproszczenia pomogą zrozumieć problem i zostaną mi wybaczone. W rzeczywistości siły na płetwie/sterze działają pod kątem zależnym od wychylenia steru. Mówiąc obrazowo siły działające na zawiasy i punkty mocowania próbują wyrwać i przesunąć w bok dolny zawias i punkt mocowania steru a górny zawias i punkt mocowania przesunąć w bok i wcisnąć w pawęż.

Let's compare the forces. To make them easier to understand, the drawings do not show the reactions in the hinges. These of course have the opposite direction. The drawings show what forces in the hinges are caused by the hydrodynamic force generated on the rudder. To illustrate the issue simply and legibly, the forces are shown on one plane only. I hope that these simplifications will help you understand the problem and that you will forgive me. In reality, the forces on the fin/rudder act at an angle dependent on the rudder deflection. Figuratively speaking, the forces acting on the hinges and attachment points try to tear out and move the lower hinge and the rudder attachment point to the side and move the upper hinge and attachment point to the side and push it into the transom.

Nie tylko uderzenie płetwą w przeszkodę może powodować awarię. Same siły hydrodynamiczne mogą wyrwać samoster z pawęży jeżeli nie ma odpowiednich wewnętrznych wzmocnień kadłuba. Tak może się stać również na dużych jachtach. Siły hydrodynamiczne bywają bagatelizowane, to przecież tylko woda.

Żeglujecie z silnym wiatrem. Fale rosną. To jest wyścig. Łódka surfuje z falą. Czternaście węzłów. Nie raz tak było. Jakie mogą wystąpić siły przy takiej prędkości?

Popatrzcie na rysunek 2. Ster Class Globe 5.80 i jego mocowanie. Mocny zawias i solidne mocowanie które nie pozwala uszkodzić kadłuba nawet w skrajnych sytuacjach. Przy 14 węzłach maksymalna siła na sterze wyniesie 5490 N. Ta siła spowoduje, że dolny zawias będzie obciążony siłą 7137 N. Tylko 7137 N dzięki szerokiemu rozstawieniu zawiasów. Aż 7137 N, to tak jak byśmy powiesili na tym zawiasie mały samochód. Na górny zawias działa 1647 N. Górny zawias jest zawsze mniej obciążony. Tym mniej im dalej jest od zawiasu dolnego. 

It's not just hitting an obstacle with the fin that can cause a failure. Hydrodynamic forces alone can tear the wind vane off the transom if there are no appropriate internal hull reinforcements. This can also happen on large yachts. Hydrodynamic forces are sometimes underestimated, it's just water after all.

You're sailing with a strong wind. The waves are growing. This is a race. The boat is surfing with the wave. Fourteen knots. It's happened more than once. What forces can occur at such a speed?

Look at Figure 2. The Globe Class 5.80 rudder and its mounting. A strong hinge and solid mounting that prevents damage to the hull even in extreme situations. At 14 knots, the maximum force on the rudder will be 5490 N. This force will cause the lower hinge to be loaded with a force of 7137 N. Only 7137 N thanks to the wide spacing of the hinges. As much as 7137 N, it's as if we were hanging a small car on this hinge. The upper hinge is subject to 1647 N. The upper hinge is always less loaded. The further it is from the lower hinge, the less it is.

Popatrzmy na rysunek 3. Tak jest na jednej z łódek. Zawiasy są blisko siebie choć pewnie widzieliśmy wszyscy zawiasy ustawione jeszcze bliżej na jachtach przygotowujących się do dalekich rejsów. Zawiasy są przykręcone tylko do sklejki. Czternaście węzłów. Siły są przybliżone, policzone są na podstawie niepełnych danych samosteru dostępnych w sieci. Na długiej płetwie HV powstanie siła około 4360 N. Mniejsza niż na sterze jachtu. Ta siła działa jednak na dużym ramieniu. Z tego powodu zawias dolny będzie obciążony siłą 11336 N. Ponad półtora raza większą niż dolny zawias steru. Tylko tu nie ma solidnego skegu i grubego dna, Jest to jak powieszenie ponad tonowego samochodu na 10 mm cienko laminowanej sklejce z użyciem wcale nie tak dużych podkładek. Czy to się urwie? Na starcie zapewne nie. Urwie się przy dużych prędkościach. Dla formalności, w górnym zawiasie 6976 N. Ponad cztery razy więcej niż w górnym zawiasie steru. 

Let's look at Figure 3. This is how it is on one of the boats. The hinges are close together, although we have probably all seen hinges set even closer on yachts preparing for long voyages. The hinges are screwed only to the plywood. Fourteen knots. The forces are approximate, calculated based on incomplete data available on the web. On the long HV fin, a force of about 4360 N will be created. Smaller than on the yacht's rudder. However, this force acts on a large arm. For this reason, the lower hinge will be loaded with a force of 11336 N. More than one and a half times greater than the lower hinge of the rudder. Only here there is no solid skeg and a thick bottom. It is like hanging a car weighing over a ton on 10 mm thinly laminated plywood using not-so-large washers. Will it break? Probably not at the start. It will break at high speeds. For the record, in the upper hinge 6976 N. More than four times more than in the upper rudder hinge.

Przejdźmy do rysunku 4. Tu mamy ten sam samoster ale z niewielkimi zmianami. Dolny zawias został zamocowany porządnie na samym dole pawęży. Górny zawias jest przykręcony przez pokładnik na górze pawęży. Zawiasy są od siebie najdalej jak to jest możliwe. Płetwa została zmniejszona do rozmiarów które wystarczą dla Class Globe 5.80. Czternaście węzłów. Siła maksymalna na płetwie - 1500 N. Siła w zawiasie dolnym - 2013 N. Prawie sześć razy mniejsza niż w wersji z rysunku 3. W zawiasie górnym 510 N, prawie czternaście razy mniej. Jest dobrze. 

Let's move on to Figure 4. Here we have the same windvane but with minor changes. The lower hinge has been securely fastened at the very bottom of the transom. The upper hinge is screwed through the beam at the top of the transom. The hinges are as far apart as possible. The fin has been reduced to a size that will suffice for the Class Globe 5.80. Fourteen knots. Maximum force on the fin - 1500 N. Force in the lower hinge - 2013 N. Almost six times less than in the version in Figure 3. In the upper hinge 510 N, almost fourteen times less. It's good.

Na blogu https://globe580.blogspot.com/ wpis z 30 września 2021 pokazałem najprostszy samoster do Setki i CG5.80 który można zrobić w jedno popołudnie. Koszt materiałów jest symboliczny. Na samosterach takiego systemu większość Setek przepłynęła Atlantyk. Nie jest tak skuteczny i czuły jak servo pendulum ale działa i jest niezawodny. Nie obciąża konstrukcji. Nie będzie powodem awarii. Możecie go zabrać jako główny lub zapasowy. To jest statecznik wiatrowy o pionowej osi obrotu. Zrównoważoną solidną płetwę już macie. To wasz ster. 

Zrobiliście mocne i dzielne łodzie. Odwdzięczą się za włożony wysiłek. 

Powodzenia!

On the blog https://globe580.blogspot.com/ entry from September 30, 2021 I showed the simplest self-steering for the Setka and CG5.80 that can be made in one afternoon. The cost of materials is symbolic. Most Setka have crossed the Atlantic on windvane of this system. It is not as effective and sensitive as the servo pendulum, but it works and is reliable. It does not burden the structure. It will not cause failures. You can take it as the main or spare. This is a wind stabilizer with a vertical axis of rotation. You already have a balanced, solid fin. This is your rudder.

You have built strong and seaworthy boats. Your 5.80 will reward you for your efforts.

Good luck!