第三章 舵的設(shè)計(jì)

3.1概述3.2舵的幾何要素與分類3.3單獨(dú)舵的水動(dòng)力特性3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇3.5舵的水動(dòng)力及舵機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例3.7改善操縱性措施第三章舵的設(shè)計(jì)第三章舵的設(shè)計(jì)3.1概述一、舵的作用二、操縱性標(biāo)準(zhǔn)

三、舵設(shè)計(jì)的基本思想第三章舵的設(shè)計(jì)一

舵的作用1、推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分2、舵的控制作用3、舵的鰭效應(yīng)舵的作用1、推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分舵船體與槳影響受力伴流和尾流作用有機(jī)整體吸收尾流能量根渦區(qū)被填充能量增加能耗降低提高推進(jìn)效率2、舵的控制作用船舶航向控制舵改變保持體現(xiàn)操縱性能小舵角下的航向穩(wěn)定性中舵角下的航向改變性大舵角下的回轉(zhuǎn)性舵的作用3、舵的鰭效應(yīng)舵附體產(chǎn)生回轉(zhuǎn)阻尼零舵角操舵角固定式尾鰭減小舵力、力矩改善了直線穩(wěn)定性，提高了進(jìn)入新航向的跟從性舵的作用船-舵-槳二、操縱性標(biāo)準(zhǔn)三、舵設(shè)計(jì)的基本思想1、傳統(tǒng)船體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

長期以來，船體設(shè)計(jì)主要綜合考慮了穩(wěn)性、排水量、快速性、總布置和橫搖周期等要求，幾乎沒有涉及到操縱性要求。舵設(shè)計(jì)是經(jīng)典的操縱性設(shè)計(jì)方法。2、現(xiàn)代船體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

大量新船型的問世，僅憑舵設(shè)計(jì)常無法保證足夠的操縱性能，因此必須在初步設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行方案計(jì)算預(yù)報(bào)和核算。將快速性、操縱性、耐波性綜合權(quán)衡設(shè)計(jì)。三、舵設(shè)計(jì)的基本思想

3、舵設(shè)計(jì)的考慮因素（1）要滿足操縱性要求。不同船型對操縱性的要求是不同的，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)有不同的側(cè)重。（2）考慮舵與船體、螺旋槳相互影響,降低航行阻力，提高推進(jìn)效率。（1）滿足操縱性要求

不同類型的船舶對操縱性要求不同：遠(yuǎn)洋船--航向保持性為主，對回轉(zhuǎn)性要求不高。

一般直線穩(wěn)定性好的船，航向不容易偏離，航向保持性也好；舵效好的船，小舵角轉(zhuǎn)首性好，也容易保持航向；直線穩(wěn)定不好的船，頻繁操舵，使舵工疲勞，航速降低，而且在風(fēng)浪中也難以操縱。沿海船和進(jìn)出港頻繁的海港工作船，對回轉(zhuǎn)性有特殊要求。內(nèi)河船受航道的限制應(yīng)注意轉(zhuǎn)首性，同時(shí)滿足回轉(zhuǎn)性的特殊要求（1）滿足操縱性要求三、舵設(shè)計(jì)的基本思想

4、舵設(shè)計(jì)的內(nèi)容1）舵的數(shù)目和形式的選擇。2）舵的尺寸和形狀的設(shè)計(jì)。3）舵力以及舵桿扭矩計(jì)算和舵機(jī)功率估算。第三章舵的設(shè)計(jì)3.2舵的幾何要素與分類RudderNomenclatureTipChordRootChordHullStockSpanLeadingEdgeTrailingEdgeWaterFlow3.2、舵的幾何要素及分類一、舵的幾何要素1.舵面積Ad舵的外形輪廓所包圍的面積。

2.舵高h(yuǎn)

為沿舵桿軸線方向，舵葉上緣至下緣的直線距離。

3.舵寬b

為舵葉前、后緣之間的水平距離。對矩形舵舵寬即各剖面弦長，對非矩形舵可用平均舵寬bm表示。非矩形舵：λ=h2/Ad矩形舵：舵高h(yuǎn)在機(jī)翼中稱為翼展、舵寬b稱為翼舷。λ=h/b4.展弦比λ

舵高與舵寬之比5.平衡系數(shù)kK為舵軸前面積與整個(gè)舵面積之比值。一、舵的幾何要素6.厚度比Z

舵剖面的最大厚度與舵寬的比值7.面積比μ表示舵面積與船體垂線間長LBP和設(shè)計(jì)吃水d的乘積之比值一、舵的幾何要素一、舵的幾何要素8.舵剖面形狀流線型舵的剖面常為對稱機(jī)翼形。通常為使其能產(chǎn)生較大的升力和具有較小的阻力，前緣為圓形，后緣較尖。舵剖面線型

NACA翼型表示方法拱度比厚度比t/b拱度位置二、舵的類型（一）.按舵面積對轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的分布情況分類1.普通舵UnbalancedRudder

舵的全部面積均在轉(zhuǎn)軸后方2.平衡舵BalancedRudder

在整個(gè)舵的高度上，均有部分舵面積在舵軸線的前方3.半平衡舵SemiBalanced只有占舵高一部分的舵面積在舵軸線的前方二、舵的類型：（二）

按舵剖面結(jié)構(gòu)情況分類二、舵的類型：（三）按舵的支承情況分類圖a圖bc圖d，f圖e

（三）按舵的支承情況分類三、舵的布置原則1.為了產(chǎn)生盡可能大的舵力矩，舵應(yīng)布置在遠(yuǎn)離船舶重心處：船首尾部。2.注意使舵得到突出的尾型的保護(hù)。3.為了獲得槳的尾流來提高舵效，一般布置在槳的后方。4.多舵布置時(shí)必須注意舵之間的干擾問題。第三章舵的設(shè)計(jì)3.3舵的水動(dòng)力特性

3.3舵的水動(dòng)力特性

δ（+）（-）LFFNDFTD——阻力（N）L——升力（N）F——舵力（N）FN——正壓力（N）PT——摩擦力（N）δ——舵角（°）V

——舵葉對水速度（m/s）Ad——舵葉浸水面積（m2）eSb1、舵力的概念由機(jī)翼理論可知舵的水動(dòng)力特征。水流以α角沖向舵時(shí)，產(chǎn)生升力L和阻力D，其合力R分為法向力F和切向力A。我們稱法向力F為舵力。舵力F的大小可用下式求得：其中：AR－為舵面積；V－為舵速C為舵力系數(shù)，其大小可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：其中，λ為舵的展舷比

舵壓力及舵壓力轉(zhuǎn)船力矩αRFDLA2.舵力轉(zhuǎn)船力矩其中NR為舵力轉(zhuǎn)船力矩，其大小與舵力、舵角等因素有關(guān)。舵壓力及舵壓力轉(zhuǎn)船力矩Gxeδ3.3舵的水動(dòng)力特性

在均勻流場中敞水舵水動(dòng)力特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行船體、螺旋槳等項(xiàng)的修正。（一）敞水舵升力系數(shù)：阻力系數(shù)：壓力中心系數(shù)：合力系數(shù)：法向力系數(shù)：

敞水舵的系列試驗(yàn)資料據(jù)流體力學(xué)相似理論，幾何形狀相似的機(jī)翼在相同的流動(dòng)狀態(tài)下CL、CP、CD均相等，所以，一組實(shí)驗(yàn)值可用于幾何相似，大小不等的一系列機(jī)翼中敞水舵的試驗(yàn)資料：NACA系列前蘇聯(lián)漢堡大學(xué)Jfs系列Tayler水池TMB系列（一）敞水舵運(yùn)用試驗(yàn)資料來估算舵的水動(dòng)力特性（一）敞水舵運(yùn)用試驗(yàn)資料來估算舵的水動(dòng)力特性（一）敞水舵（二）船后舵1。船體對舵力的影響：其大小比螺旋槳處伴流的還要大。有效進(jìn)速--

船后伴流降低了舵與水的相對速度。1.船體對舵力的影響有效攻角船舶曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，船尾舵處的幾何漂角為：則船舶作定常旋回時(shí)舵處的舵的攻角為：ξ為拉直效應(yīng)系數(shù)。由此可見，由于船體的影響，使舵的攻角減小，從而使舵力減小。舵、船體、螺旋槳的相互影響（二）船后舵（二）船后舵2。螺旋槳尾流對舵力影響：

舵處于螺旋槳之后，槳后排出流的軸向部分增加了舵的進(jìn)速，橫向部分還增大了舵的攻角。在螺旋槳的尾流之中，舵的水動(dòng)力特性由尾流場決定。螺旋槳尾流的誘導(dǎo)速度有三個(gè)分量，軸向、切向和徑向。徑向分量較小可忽略。確定舵的相對流速VR和相對水流沖角αR。提出了各家的經(jīng)驗(yàn)公式。舵、船體、螺旋槳的相互影響

3.影響舵力大小的因素1）舵與船體間的相互干擾尾部船體兩側(cè)，相當(dāng)于增加了舵葉面積，從而使舵力增加。舵與船尾越近，增加越明顯。2）伴流的影響船體周圍的部分水追隨船舶運(yùn)動(dòng)而形成的水流稱伴流。它使舵力下降。伴流的特點(diǎn)是：近大遠(yuǎn)小、上大下小、左右對稱。船舶前進(jìn)時(shí)，首部為零，自首至尾逐漸擴(kuò)大，船尾最大；倒航時(shí)船尾為零。單車單舵船，前進(jìn)中突然停車，因伴流過強(qiáng)造成舵力極度下降，甚至出現(xiàn)無舵效的現(xiàn)象。

3、影響舵力大小的因素

3）螺旋槳排出流的影響因螺旋槳排出流比船速高得多，大大提高了舵葉與水的相對速度，極大地增加了舵力。注意：雙車單舵船因排出流對舵力幾乎不產(chǎn)生作用，當(dāng)船舶在靠離泊作業(yè)、船速很低時(shí)幾乎沒有舵效。4）船舶回轉(zhuǎn)中的舵力下降一是：船舶繞旋回圈中心進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，在舵葉處存在一個(gè)漂角，使水流的有效流入角減小。二是：船舶在回轉(zhuǎn)中繞自身轉(zhuǎn)心運(yùn)動(dòng)時(shí)，使舵葉附近的水流對舵的沖角減小。

3、影響舵力大小的因素5）使舵力減小的流體現(xiàn)象（1）失速現(xiàn)象：當(dāng)達(dá)失速舵角或臨界舵角時(shí)，舵升力驟然下降。（2）空泡現(xiàn)象：當(dāng)舵的背流面壓力下降至該溫度下的汽化壓力時(shí)，在舵的背流面產(chǎn)生空泡現(xiàn)象，使升力減小。（3）空氣吸入現(xiàn)象：在舵葉表面吸入空氣、產(chǎn)生渦流而使舵力下降。6）舵的尺度、形狀等因素對舵力的影響臨界舵角的大小與舵的高寬比（即縱橫比、展舷比）密切相關(guān)。高寬比越大，提高了小舵角的保向性。但過大，將導(dǎo)致臨界舵角變小，從而引起過早失速。高寬比一般選擇在1.4~1.9之間。第三章舵的設(shè)計(jì)3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

1.舵面積舵設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。舵面積大優(yōu)點(diǎn):回轉(zhuǎn)力矩大，大舵角回轉(zhuǎn)半徑?。恍《娼瞧鸫裟咀饔?，回轉(zhuǎn)半徑大缺點(diǎn)：舵機(jī)大，失去船體保護(hù)，空間大選?。簠⒄漳感痛?jīng)驗(yàn)公式3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

2。展弦比λ舵葉隨攻角而變化的水動(dòng)力曲線主要有展弦比決定

3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

3。舵剖面形狀平板舵—內(nèi)河小船；流線型—海船4。厚度比據(jù)船型、舵型、安裝綜合考慮5。舵外型考慮與船體、螺旋槳配合。6。平衡比原則：在各種舵角下，舵桿扭矩最小。

3.4舵設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇

第三章舵的設(shè)計(jì)

3.5舵的水動(dòng)力及舵機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算3.5舵的水動(dòng)力和舵機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算一、舵機(jī)功率估算二、舵的強(qiáng)度計(jì)算二、舵的強(qiáng)度計(jì)算第三章舵的設(shè)計(jì)3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例舵的設(shè)計(jì)步驟舵面積及幾何要素水動(dòng)力及轉(zhuǎn)舵力矩強(qiáng)度校核，定舵桿尺寸舵機(jī)功率選舵機(jī)3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例3.6舵設(shè)計(jì)計(jì)算舉例第三章舵的設(shè)計(jì)3.7改善操縱性措施一、船舶主尺度與形狀對操縱性的影響二、特種操舵裝置3.7改善操縱性措施一、船舶主尺度與形狀對操縱性的影響2、船舶主尺度比

船長越長那么定常回轉(zhuǎn)直徑越大，給操縱船舶帶來了困難。1.船舶水線長LWL1。L/B增加，船舶直線穩(wěn)定性有所提高，而回轉(zhuǎn)性變差，定?；剞D(zhuǎn)直徑變大。2。B/d增加，船舶扁而寬，回轉(zhuǎn)性有所提高。3。船體修長度增大，回轉(zhuǎn)阻尼降低，回轉(zhuǎn)性指數(shù)K增加，提高船舶回轉(zhuǎn)性。一、船舶主尺度與形狀對操縱性的影響3、方型系數(shù)CB

方型系數(shù)增加，船體受擾動(dòng)之后，水動(dòng)力的位置力作用點(diǎn)往船首移動(dòng)，使直線穩(wěn)定性變差，回轉(zhuǎn)性有所改善。4、中線面面積

尾部中線面面積和尾部形狀的微小變動(dòng)對船舶操縱性有明顯的影響。為了提高直線穩(wěn)定性，可增加尾部中線面面積，讓中線面面積形心后移。一、船舶主尺度與形狀對操縱性的影響5、尾部形狀

尾部形狀不僅對快速性有影響，對操縱性也有顯著影響。在尾部中線面面積不變的情況下，增大后體豐滿度采用U形剖面，提高了回轉(zhuǎn)性。6、首部形狀

球鼻艏的安裝相當(dāng)于增加了首部中線面面積，使直線穩(wěn)定性變差，回轉(zhuǎn)性改善?？傮w來說首部對操縱性影響不是太顯著，只有特殊船型如破冰船的首部才會(huì)對回轉(zhuǎn)性顯著影響。

二、特種操舵裝置

襟翼舵

二、特種操舵裝置轉(zhuǎn)柱舵二、特種操舵裝置組合舵二、特種操舵裝置

組合舵的形狀二、特種操舵裝置1、側(cè)推器的工作原理側(cè)推器安裝在船首（首側(cè)推）或船尾（尾側(cè)推），由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生橫向力，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩。其速度一般為2－3檔，在駕駛臺(tái)用手柄控制。2、側(cè)推器在操縱中的應(yīng)用側(cè)推器的作用與船舶