第4章舵设备(1)

第4章舵设备•4.1概述•4.2舵装置的分类及主要组成部件•4.3舵叶的水动力特性及其计算•4.4舵设计及主要部件的尺寸确定•4.5操舵装置•4.6特种操纵装置•舵及其支承部件和操舵装置的总称•保证船舶操纵性能的一种装置4.1概述4.1概述1、船舶操纵性概述（1）船舶操纵性的定义（2）船舶操纵性与船型的关系（3）保证船舶操纵性的设备2、舵设备与船舶操纵性3、舵设备的组成与布置1、船舶操纵性概述（1）船舶操纵性的定义•船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能•为满足航行或作业的需要，船舶用其控制装置来保持或改变航向、航速和位置的能力•船舶操纵性关系到航运安全及船舶的经济性和快速性船舶操纵性的两方面内容•具体地讲，船舶操纵性包括两方面内容航向稳定性、船舶机动性•航向稳定性：船舶保持其航行不变的能力•船舶机动性：船舶改变其航向并按规定曲线轨迹运动的能力船舶机动性的细分•回转性—反映船舶应舵后作圆弧运动的能力•转首性—反映船舶应舵后是否易于改变航向的能力•航向稳定性好的船舶，不易受外力影响而改变其航向，经过很少的操纵便能维持航迹接近于直线船舶的操纵性•船舶的航向稳定性不好，维持直线航迹需频繁操纵船舶航行时间可能增加主机和操纵装置消耗的功率增加•机动性好的船舶易于改变航向和位置，便于转弯或调头减少相碰或触礁的可能性（2）船舶操纵性与船型的关系•船舶操纵性受船舶本身和操纵设备等两方面的制约•就船舶本身而言，航向稳定性和机动性对船体形状的要求是相互矛盾的•有利于保持航向稳定的因素，使船体不易回转，机动性变差•反之亦然上层建筑及重量分布的影响•船舶主尺度、几何形状和上层建筑的位置等对操纵性有很大的影响•上层建筑及重量集中在船中部时，船舶转动惯量较小，回转性能相对好一些•上层建筑及重量分布在离船舶重心较远的首尾部时，船舶转动惯量较大，使其回转或停止回转都比较困难侧面面积和形状的影响•船体水下侧面积和形状对船舶航向稳定性有极大的影响•尾部侧面形状的影响尤为显著•侧面面积一定时，侧面形心越后，航向稳定性越好•形心一定时，侧面面积越大，航向稳定性越好•Δ和T相同时，狭长而侧面投影面积较大的船舶，回转性能相对较差横剖面形状的影响•船体横剖面形状对船舶操纵性也有影响•特别是尾部横剖面形状的影响•对航向稳定性的影响，一般情况下尾部横剖面形状的优劣顺序是Y形→V形→U形•对回转性的影响顺序相反船舶主尺度比和主要系数对操纵性的影响•甲板上堆放集装箱对船舶操纵性也有较大影响不同船舶对操纵性的要求•不同类型船舶，由于用途和航行条件不同，对操纵性要求亦不同•航行于狭窄航道或频繁停靠码头的内河船和各类工作船，首先满足回转性要求•海洋船航行水域宽广、受风浪影响较大，首先考虑航向稳定性（3）保证船舶操纵性的设备•广义上讲，包括所有能迫使舰船按照驾驶人员的意图稳定航行或进行回转的设备和装置能够改变推力方向的可转向螺旋桨、直翼推进器装于船首尾端的侧推器也是一种效率很高的船舶操纵装置•在现代船舶上经常采用多种操纵设备以保证船舶的操纵性能船舶操纵设备•无论何种类型的操纵设备均应能产生垂直于中线面的分力而形成一个转船力矩•在众多操纵设备中，舵设备因其结构简单、工作可靠，一直作为主要的、也是使用最广的一种操纵设备•多数船舶的舵布置在船尾螺旋桨的尾流中，构成尾部船体+螺旋桨+舵的组合体装于船尾绕垂直轴转动的舵舵设备对船舶操纵的作用•装于船尾绕垂直轴转动的舵，对船舶的航向稳定性和机动性都起着积极的作用•操舵时起回转船舶的作用•置于零舵位时起稳定航向的作用•舵的设计就是根据不同的船型和使用要求选择一个或多个面积适当并和尾部线型和螺旋桨配合良好的舵2、舵设备与船舶操纵性•用舵操纵船舶的整个过程如图所示转船的基本原理•舵以一定的速度运动时，相当于一个在流场中运动的有限翼展的机翼•舵剖面对称，零攻角时不产生水动力•存在攻角时，由升力线理论或柏努利方程可知，在机翼两侧形成压力差•由于流体的粘性作用，沿舵叶表面切线方向产生摩擦力•二者合力即为舵上的总水压力(动压力)，简称舵压力P作用在舵上的水动力舵叶压力分解(1)•P力作用线与舵叶对称面的交点称为舵的压力中心O•中心位置以其离舵叶导缘的距离xp来度量得到Px力和Py力•P力沿流体运动方向和垂直于流体的运动方向分解：舵叶压力分解(2)•Px为舵叶产生的阻力•Py是使舵叶产生转船力矩的外力•将P力沿舵叶中心线和其垂直线分解•得舵叶切向力Px和法向力Pn•Pn可用于计算舵叶上水压力产生的舵杆扭矩船舶回转过程—转舵阶段•从船舶受力和运动状态分析，整个回转过程可分为三个阶段•1、转舵阶段从转舵开始到终止，约10~15秒此阶段已产生转船力矩由于作用时间短、船的惯性大，船舶几乎仍按原航向运动Py力产生的横向位移及旋转角均很小，前进速度因Px略有减小船舶回转过程—过渡阶段(1)•过渡阶段：从转舵终止到船舶进入定常回转状态为止•此时Py使船舶产生反向横移•转船力矩MP=Py×L/2使船舶绕重心G旋转过渡阶段(2)•伴随回转运动，船体相对水流发生偏转•破坏了流体相对于船体的对称性•此时船体本身相当于一个短翼•中线面与航速V之间形成一个漂角β•漂(攻)角β的存在，使流体对船体产生一个水动力R作用于K点过渡阶段(3)•K点通常位于船舶重心G之前•船体所受到的水动力R可分解为Rx和Ry•Rx使船速进一步降低•Ry与Py相反阻止船舶反向横移,同时对G产生力矩MR=Ry×l加强回转角速度ω船舶在转舵后的受力过渡阶段(4)•转动舵叶是船舶转向的起因•船体尺度比舵叶大得多→Ry与MR比Py与MP大•整个过程中起决定作用的是船体本身所受到的水动力和力矩•从另一个角度说明船体本身对船舶操纵性的影响过渡阶段的主要特征•作用在船体上水动力随时间而变化，运动参数也随时间变化•回转角速度ω和漂角β逐渐增大•船速下降，横向漂移减小•船舶运动轨迹的曲率半径逐渐减小船舶回转过程—定常回转阶段(1)•与回转角速度ω有关的流体阻力MR增加，K点后移定常回转阶段(2)•船上水动力和力矩达到动态平衡•船舶的回转角速度达到ωmax，角加速度为零，β为定常值•船在曲率半径定常的圆上做回转运动•D为定常回转直径——船舶满载全速正向航行时进入定常回转阶段后的回转圆直径定常回转阶段(3)•D是衡量回转性最基本、最主要的特征参数，表征船舶大角度回转的性能•D/L—相对回转直径，其值越小，船的回转性能越好41油船3.457.50客货船3.005.00海洋货船.006.10拖船.502.50回转圈•DT—船舶转到180o时，其重心距初始直航线的横向距离•军舰的重要参数定常回转阶段(3)•DT也是民船在狭窄航道内调头回航的重要依据•DT=(0.9~1.2)D••S1(进距)——自转舵瞬时的船舶重心沿初始航线至首转为90°时的船舶重心间的距离定常回转阶段(4)•S1是船舶转航避碰得最短有效距离•S1=(0.6~1.2)D•S2=(0.5~0.6)D•S3=(0.0~0.1)D•一般运输船全速满舵时，•S3过大时，在狭窄航道内转舵避让过程中容易发生碰撞问题112SB船舶的航向稳定性•船舶航向稳定性通常以平均操舵率和平均操舵角衡量•在普通海况条件下，为保证船舶直线航行而进行操舵，若平均舵角≤2º~5º平均操舵率≤4~6次/min•认为这条船的航向稳定性较好舵设备对船操纵性的作用•舵叶安装在船尾相当于呆木，可提高船体航向稳定性•就机动性而言，不利于回转，但转舵产生的水动力又能使船改变航向•舵设备对于船舶操纵性所包含的两个互相制约的方面稳定性和机动性都能起到积极的作用•这一效能，使舵设备仍能成为船舶最主要的操纵设备舵设计的要求•①小舵角时的航向稳定性利用回转舵叶保持航向通常舵角≤5°•②中舵角的航向机动性利用转动舵叶改变航向时，其舵角在10º~15º之间•③大舵角的回转性(紧急规避性)紧急避让时，在最大转舵角下，有最小定常回转直径3、舵设备的组成与布置•舵设备主要由舵、操舵系统、舵机、转舵装置和止舵装置组成4.2舵装置的分类及主要组成部件•舵设备由舵装置和操舵装置两大部分组成•舵装置——舵叶及其支承、限位部件等•操舵装置——包括操舵系统、舵机和转舵装置1、舵装置的分类和选择•习惯上有三种分类方法按舵叶的剖面形状分类按舵杆轴线的位置分类按舵叶的支承型式分类（1）按舵叶的剖面形状分类•平板舵：结构简单、但阻力大且不利于提高推进效率•现仅见于驳船和内河小船•在平板上敷上木块，使其外形呈流线型为改良平板舵舵叶的剖面形状(2)•复板舵也称流线型舵：舵叶剖面呈流线型，阻力小•舵产生的水压大，强度高，有利于提高推进效率•舵叶一般为密封的钢质空心结构•虽然结构复杂，却应用广泛舵叶的剖面形状(3)•反应舵也称整流舵：一种特种舵•舵叶导边以螺旋桨轴线为界限上下分别向左右反向扭曲•扭曲方向根据螺旋桨转向而定（2）按舵杆轴线的位置分类•不平衡舵：舵杆轴线靠近舵叶导缘，舵的面积全部分布在轴线的后方舵杆扭矩大，需配置大功率舵机大型船舶很少采用平衡舵：•舵杆轴线离舵叶前缘有一定距离•轴线前的舵面积沿整个舵高分布•缩短了水压力中心至舵杆轴线的距离•减少舵杆扭矩•节省舵机功率半平衡舵：•舵杆轴线前面的面积只分布在下半部•形状依尾部线型而定半平衡舵实例（3）按舵叶的支承型式分类•悬挂舵：仅在船体内部设支承点(舵承)，舵叶悬挂在船体外部此类舵多为平衡舵常见于双机双桨船上或尾部平坦又无舵柱(或舵托)的舰艇及内河小船上由于上舵杆所受弯矩大,不适用于大型船舶半悬挂舵：•就是半平衡舵•舵叶上部支承于舵柱或挂舵臂的舵钮上，下部呈悬挂状多见于设有尾框架的海船、双桨船或多桨船的中舵大型船采用悬挂舵与半悬挂舵按舵叶的支承型式分类•双支承舵：舵叶设上、下两个支撑点上支撑点以舵承形式置于船体内部下支撑点设在舵叶下方的舵托上此类舵一般为平衡舵，常见于有尾柱的海船无上舵承时为单支承舵，已不多见•多支承舵：舵叶有三个以上的支撑点一般为不平衡舵，很少见双支承舵与多支承舵舵的数目及型式的选定•舵的数目与操纵性、船尾部形状及螺旋桨数目有关•增加舵的数目容易满足较高的操纵性要求，但是也造成舵设备更加复杂和较高的造价•除一些特殊要求外，取最少数量的舵•在海船中，常用单浆单舵和双桨双舵形式•某些特殊情况，有些船舶设置的舵数量与螺旋桨数量不等。如：冰区航行的巨型客船、浅吃水船舵的数目及型式的选定•舵的型式应根据船舶的大小、用途、螺旋桨直径和船尾线型来选定•悬挂式平衡舵适用于中小型船舶，尤其适用于双桨双舵船•双支承平衡舵常用于大型运输船•直接处于舵柱后的双支承或多支承不平衡舵常用于破冰船•与挂舵臂构成组合体的半平衡舵常用于中高速集装箱船、油船2、舵装置的主要组成部件•主要有1舵柄2上舵承3舵杆4下舵承5舵叶6舵销7舵托舵装置主要组成部件•舵杆接头；下舵杆；舵钮；挂舵臂舵柱；舵轴（1）舵叶•产生舵压力构件•流线型复板舵的舵叶采用焊接的密封板架结构•上、下封以顶板、底板，四周封以舵(旁)板、导边板及舵叶尾板舵叶结构(1)•内部设有水平隔板和垂直隔板•多数复板舵设有下舵杆代替垂直隔板•隔板的设置与舵的型式有关•分隔间距是决定舵叶板及其它构件厚度的因素之一舵叶结构(2)•按劳氏规范，垂直隔板的间距应不大于水平隔板间距的1.5倍•以垂直隔板代替下舵杆时，应为纵通连续构件•此时，无论隔板自身还是其区域内的舵板，都应予以加厚•加厚的舵板宽度可取为厚度的40~60倍或0.18倍的舵叶高度舵叶结构(3)•除水密隔腔外，垂直与水平隔板上开有减轻孔，孔径不大于该宽的一半•为了便于舵叶的安装和拆卸，在舵叶适当位置开孔安装钢管，供穿过吊索用•在舵叶顶板和底板设放泄孔，配置放泄塞(气密、水密试验、注放防锈沥青用)•舵面积和展弦比受限制时，可将上、下板放宽(一般不超过舵板厚度的2-3倍)，以提高舵效•带导流罩的舵叶，D≈1.1桨毂径，或20-25%桨径舵叶装配•装配舵叶时，先将加工好的一侧舵板在制作舵叶的胎架上定位•然后装焊垂直隔板、水平隔板和尾材，再盖上另一侧舵板•后装配的舵板由于是盖板