船舶设备2舵设备

一、概述舵设备定义船舶尾流控制器或操纵器舵—置于船尾的平板，用以对船体产生横向力，使船舶变向、回转。舵设备—舵和操舵装置的总称。一、概述舵设备船舶操纵性与舵的作用航向稳定性敏转性转首性(小舵角)回转性(大舵角)BCLLFbssL一、概述舵设备船舵和发展“深涉南海数万里，千万人之命直奇于一柁”——杜甫舵是远洋航行的三大要件（舵、帆、指南针）之一。史称“轩辕作舟，夏禹作舵”至迟到东汉我人民已发明船舵，广州东汉墓出土的陶船模型上有舵（拖舵）。拖舵应用至少延至隋唐。垂直舵至迟不迟于宋。二、舵设备的组成舵设备1.操舵装置操舵器、舵角指示器、传动装置2.舵机动力与转舵机构3.转舵装置舵柄、舵扇4.止舵装置限位开关、止舵器5.舵装置二、舵设备的组成舵设备舵装置1.上舵承(连支承舵)2.下舵承(连接船体与舵)3.舵杆(传递扭矩)4.连接件(连接舵叶与舵杆)5.舵叶(产生水动压力)6.舵销(回转)7.舵托(托舵并支承)二、舵设备的组成舵设备舵与船体的连接整体式连接式插入连接式三、舵的分类舵设备1.按舵叶截面形状分单板舵（flat-platerudder)复板舵流线型舵（streamlinedrudder）三、舵的分类舵设备2.按舵叶支承方式分单支承舵(悬挂舵)（hangingrudder）多支承舵（multipintlerudder）半悬挂舵（partiallyunderhungrudder）三、舵的分类舵设备3.按舵面积对转轴的分布分不平衡舵(普通舵)（unbalancedrudder)平衡舵（balancedrudder)半平衡舵（semi-balancedrudder）流线型舵的改进形式舵设备1.增加推进效率整流舵反应舵2.提高舵压力蒂姆舵（鱼尾舵）希林舵特种舵舵设备1.主动舵2.襟翼舵3.转柱舵4.平旋推进器(VCR)5.Z形推进器6.Z形电力推进器四、舵的几何要素及水动力特性舵设备舵的几何要素1.舵侧面形状2.舵高（展长h）——舵叶上下两点间距离；3.舵宽（弦长b）——舵叶导边至随边距离,非矩形舵平均弦长b=A/h；4.舵面积AR总面积AR—不转舵在中线面的投影；平衡面积Ac—转轴前的面积；固定部分面积Ap—框架、托架面积；综合舵面积Ak—Ak=AR+Ap5.展弦比λ——展长与弦长之比矩形舵：λ=h/b任意形：λ=h2/AR=AR/b2综合体：λ=h2/AK=AK/b26.平衡比e——平衡面积与总面积之比e=Ac/AR7.最大厚度比t——t=tmax/b7.剖面形状——垂直轴的平面剖切的舵叶截面形状。1)类型对称剖面非对称剖面2)国内常用剖面NACA——美国航空国家咨询委员会（NACA0020）Jfs——汉堡大学造船学院НЕЖ——俄茹可夫斯基WZF——武汉水运工程学院舵的水动力特性1.目的—求解水动力与力矩2.方法—根据匀流、敞水下的水动力特征进行修正，以求取自由表面下船、桨后舵的水动力。3.机翼上流体作用力简述α—冲角，水流方向v与弦线夹角；剖面压力中心—合力P与弦线交点；舵压力中心—舵水动力合力作用线与ox平面交点；xp—压力中心至导边的距离；S—转轴至导边的距离。TαSpbvPPPPNMxPLOLDMax4.水动力关系式:P=ρArV2C/2PL、PD、PN、PT（略）M=PN×xpMa=PN(xp-S)5.水动力系数C=2P/（ρV2Ar）CL、CD、CN、CT（略）CM=CN×Cp几何相似的舵，在相同的流态中CL、CD、Cp相等TαSpbvPPPPNMxPLOLDMax影响(敞水)舵水动力特性的因素1.展弦比λ翼端绕流：攻角减小—界层分离：叶背紊流压差降低影响舵水动力特性的因素1)某一α下(不产生涡流,在出θ前),CL随λ增大而增大;2)CL一定,λ越大,对应的攻角α越小;3)λ越大,临界攻角θ出现越早;4)α＜10°～16°时,CL与α保持线性关系;5)升力曲线相对于α斜率dcL/dα随λ减小而减小,有限翼展:dcL/dα=π/(0.5+1/λ)影响舵水动力特性的因素2.厚度比tλ＞1.8后,t对CL影响不大,但一般船舶λ在0.8左右,故影响较大;α＜θ时,CL随厚度比增大而减小;一般船舶,t=15～17%时,CL最大,t＞25%不适合Tmax前移,剖面后凹部曲率增大时,小λ翼的CL增大。t=0.15t=0.20t=0.18影响舵水动力特性的因素3.外形一般情况下（A、λ相同），形状不同对CL影响不大，仅压力中心Cp发生变化。当α＞20°(大舵角)时，面积向下分布CL增大。影响舵水动力特性的因素4.剖面形状前缘丰满，外形微凹，水动力特性较好。五、舵设计舵设备设计内容与步骤1.确定舵的形式、数量、相对于桨的位置；2.选择舵面积AR；3.根据水动力影响规律和船体线型，确定有关要素（λ、剖面形状、外形、t、e），绘船、桨、舵综合体关系图；4.计算水动力；5.舵主要零件强度计算；6.确定操舵系统及舵机功率。Dacd舵形式、数量选择、位置的确定1.确定舵的形式通常由运行条件决定。目前常用流线型平衡舵。海船——多支承平衡舵；内河——悬挂舵；推船——半悬挂舵2.确定舵的数目根据船型、船舶参数、尾轴数目决定。单舵——一般运输船机构简单，正对桨，充分利用尾流；双舵——内河船、浅吃水，增大λ，提高操纵性；多舵——浅吃水，操纵性要求高的工程船、推拖船。舵、桨配合1.满足操舵原理,远离船舶回转中心(重心)；2.置于桨后高水流区，靠近桨盘，提高CL；3.舵有良好的保护（上不出水，下不出基线，前靠近桨，后不出尾轮廓）；4.舵位置与尾型线配合；5.考虑多舵效果（刹车作用、侧移效果）；6.考虑各种配合特点。舵面积AK确定增大AR(AK)对操纵性有益,但面积过大则增加阻力,影响布置,浪费舵机功率；水动力P=ρV2ARC/2计算中,只有AR是可变因素,故决定AR是设计的关键。1.AR的确定方法型船确定法AR/AR0=LT/LT02.舵面积系数法μ=AR0/L0T规律：大型船保证航向稳定，μ小；推、拖船要求灵活转向，μ大；内河船μ大于海船；航速愈小，μ值愈大。剖面形状、厚度比、平衡系数的确定1.剖面形状确定方法主要考虑水动力、舵效（内河）：Ifs侧重考虑强度、工艺性（海船）：NACA非正对桨舵：НЕЖ快速艇：不对称舵2.舵厚度比t水动力性好，满足舵杆安装要求。一般10～17%,≯25%单桨船舵：15～18%；双桨船（双支承舵）：15%；半悬挂舵：9%；悬挂舵（舵杆弯矩大）：20%剖面形状、厚度比、平衡系数的确定3.平衡比e确定舵机功率大小—舵轴线应与压力中心尽量靠近，↓L,↓Ma舵的稳定性—压力中心在轴线后，转舵时，压力永远迫使舵自行回正。海船Cb=0.6:e=0.25～0.255Cb=0.7:e=0.26～0.265Cb=0.8:e=0.265～0.275长江船e=0.25～0.33敞水舵水动力特性计算计算P、PL、PN的目的P与舵机功率相关PL影响转船力矩构造结构尺寸，估算舵机功率PN影响舵杆尺寸舵压力及力矩实用算法1.压力及压力中心计算（1）近似计算以空气动力学理论为基础，考虑主要因素对舵力的影响，实用、简单，但结果不够精确（偏大）。敞水舵水动力特性计算费加耶夫斯基计算式（α以弧度计）k0-λλ0.60.81.01.21.41.61.8k00.450.560.670.750.820.850.88Cp0–tt/b0.20.30.4Cp00.260.160.12适用范围：内河船（Jfs、НЕЖ）cossin2/212LC320sinsin01.0kCDcossinLDNCCCNCppCC20sin5.0敞水舵水动力特性计算勃兰特计算式（α以弧度计）适用范围：海船（NACA）对舵轴的力矩系数/15.0LC)1(23LNCC)22(5.1212)42(2225.0pCeCCpma2422sin2sin2敞水舵水动力特性计算（2）按模型资料换算利用条件：Re＜0.1×106不可靠（低速小船）；Re≥1.8×106较优。主要参数：α、λ，当设计船与模型λ不同时，需换算勃兰特换算式：0LLCC)(02110LCDDCC)(3.5700110LC0ppCC敞水舵水动力特性计算舵压力及力矩实用算法2.力矩计算（1）对舵轴的力矩系数近似计算（2）按模型资料换算（距导边25%处Cm0.25）eCCpma2422sin2sin2maNabCPMNpmCCCNmCCpC25.025.0NbSmmaCCC)25.0(25.0敞水舵水动力特性计算舵压力及力矩实用算法3.摩擦力矩计算先将PN通过力学模型换算为各支点反力pi式中：di—舵杆、轴、销的直径；pi—承座处支反力；μi—摩擦系数滑动轴承钢与钢=0.04～0.14胶木与钢=0.12～0.14钢与青铜=0.1～0.1iiifpdM21影响船后舵水动力的因素1.自由表面自由表面对舵的影响决定于舵相对于敞水表面的位置和舵的展弦比。（1）当舵近水面时，水表面有镜面反射作用，尤其当Fnb＜0.4时，产生一个实效λ0=kλ(k＞1)；（2）当Fnb≈0.4时，敞水表面如同镜面反射(k=2),故低速船应予考虑；（3）当Fnb=0.4时，表面开始兴波，敞水影响开始消失。（4）当Fnb≥0.5～0.7时,空气浸入舵表面，升力下降。影响船后舵水动力的因素2.复体舵舵柱影响当AR=AK时，复体舵升力小于平衡舵。CL0=kCL；(k=1.872bR-0.591bR2-0.281bR3)bR=b/(b+bc)以替代产生偏安全的误差，可忽略。3.船底影响主要影响大平底、纵流船。CL0=kdCLδ/h0.050.150.250.35kd1.301.161.071.00bbcδ影响船后舵水动力的因素4.船体伴流影响因船尾水流速度、大小、方向与船速（船体重心处）不同，引起流向舵的水流轴向分速度的变化。可通过伴流分数ωR进行计算。射向舵的水流速度：VR=Vs(1-ωR)=Vω式中:Vs—船速；u=1(舵在中线面上)ωR—舵伴流分数，ωR=(0.7Cb-0.08)uu=Cb+0.15在船体伴流影响下，水动力：令：为船体伴流影响系数。22221221)1()1(RLRsLRLRLPVCAVCAP实2)1(Rk影响船后舵水动力的因素5.桨尾流影响舵水动力特性很大程度上由桨尾流速度场决定。桨尾流的射流诱导速度可分为:轴向Vap、切向Vtp和径向Vrp，轴向起主导作用。进桨速度:Vp=Vs(1-ω)Tp:桨推力轴向诱导速度:Dp:桨径则射向舵的流速：Vx=Vp+Vapρ:水密度在桨尾流影响下，水动力：)1()1(2221221psLRxLRLVCAVCAP实)11(ppapVV)(228pppDVTppVVap=Vp((1+σp)1/2-1)σp=8Tp/πρVp2Dp2影响船后舵水动力的因素倘若舵部分浸于桨尾流中，其余部分则视为舵伴流中，故令：为桨尾流影响系数。则：221221)(VCAAVCAPLpRxLpL实D]}1)1()[(1{)1(2112221pAARsLpLRRpVCAP实]}1)1()[(1{211pAApRRpkLpsLppLPkkVCAkkP221实水动力计算表格1.已知条件船体尺度要素、桨参数、舵形式、数目、剖面形式、布置2.舵参数及计算h、b、AR、λ、t、e3.水动力预备计算船体伴流分数ω水动力因子n=ρARVs2/2舵伴流影响系数kω桨尾流影响系数kp水动力计算表格15101520253035234567891011121314151617MT1=(11)+(13)设计船攻角α。由t插值求Cp0MT2=(11)-(13)Mz1=Z×(14)Mz2=Z×(15)/15.0LC)