99m敞口集散两用船的舵设计

1、99m敞口集散两用船的舵设计航行于内河A、B级航区的敞口集散两用船的舵设计对敞口集散两用船舵设备的受力进行了探讨用力学理论确定舵设备的主要要素。1概述99m敞口集散两用船为钢质、纵横混合骨架式结构,普通前倾式船首、方尾、双尾船型。中部货舱区域为单甲板、双底双舷。其主甲板下设置纵向抗扭箱,主甲板、抗扭箱、双层底为纵骨架式,舷侧为横骨架式,首尾部船底为纵骨架式,其它区域为单底、单舷、横骨架式。首尾设有升高甲板,机舱、起居室及驾驶室均设置在船尾,双机、双桨、双舵。本船为柴油机驱动的敞口集散两用船,主要航行于内河A、B级航区,续航力100h。可承运煤炭、砂石等散装货物,亦可装载6. 1m标准集装箱22

2、0只。2主要量度总长 99. 20m设计水线长 96. 60m船长 94. 30m型宽 16. 00m型深 7. 00m设计吃水 5. 20m总排水量 7 260t方形系数 0. 90设计航速 18. 5km/h3舵参数选择舵是实现船舶操纵的主要设备,转动舵时,舵上产生的水动力在垂直于船体中心线方向上的分力相对于船体舯剖面形成转船力矩,起回转船舶的作用,置于零舵位时起稳定航向的作用。性能优良的舵设备能满足船舶对操纵性的要求,能使舵装置与操舵装置的重量轻、成本低、功率消耗小,工作安全可靠,便于制造和维修。根据本船船体尾部形状,以及本船主要航行于内河航区,对船舶操纵性的要求较高,所以设计时选用双桨

3、、双舵,采用流线型双支承平衡舵,舵位于螺旋桨的正后方。3. 1舵面积确定舵面积是影响船舶操纵性的主要因素之一。考虑到本船尾部线型,应尽量增大舵面积,以减小大舵角时的回转直径,提高船舶的机动性。本船船型和主要量度接近母型船,且已投入营运的母型船操纵性能较好,故取母型船的舵面积比0=3. 85%为舵面积比。=0=2A / L·d×100% =3. 85%式中:L船长,L=94. 30md设计吃水,d=5. 20mA单舵舵面积,m2故A=9. 45m2考虑本船尾部线型和吃水,实取舵高h=3. 50m,舵宽b=2. 70m。3. 2展弦比本舵为矩形舵,其展弦比=h / b=3. 5

4、0m / 2. 70m=1. 2963. 3舵叶剖面形状和厚度比由于NACA剖面的升力较大,阻力较小,适宜于正对螺旋桨尾流的舵叶。故本船舵叶选取NACA0015对称机翼剖面,即型厚比为0. 15。3. 4舵平衡比根据统计资料,该类型货船的舵平衡比k宜在0. 250. 28之间,本舵为矩形舵,实取舵杆中心线至导边的距离为a=0. 73m,则舵平衡比 k=a / b=0. 73m / 2. 70m=0. 273. 5转舵速度与最大舵角按钢质内河船舶入级与建造规范(2002)的规定,舵叶自一舷35°至另一舷30°所需时间不超过20s,转舵角度应以船舶左右舷各35°为宜。

5、舵的外形尺寸如图1所示。4舵水压力及扭矩计算本船主要有正航、倒航2种工况,考虑到倒航工况不常使用,且倒航时舵上水流速度最大只取正航时的50%,因此仅计算正航时的最大水压力和扭矩,作为选配舵机和舵杆直径的依据。4. 1舵上水流速度由于本船舵位于螺旋桨正后方,其来流速度V按经验公式可取航速VS的1. 25倍,即V=1.25VS=1. 25×18. 50 km/h=23. 1km/h=6. 425m/s4. 2舵水动力计算本船舵水压力及扭矩计算采用模型舵法,选用NACA0015的水动力系数作为计算依据。据NACA0015翼型水动力特性曲线图谱,查得展弦比0=1时舵在失举角时的各水动力系数如

6、下：失举角0=34°,法向力系数Cn0=1. 153,升力系数Cy0=1. 052,力矩系数Cm0=0. 141。则有阻力系数Cx0=（Cn0-Cy0·cos0） / sin0= 0. 502压力中心系数Cp0=Cm0 / Cn0 + 0. 25 = 0. 372 3本舵展舷比=1. 296,根据普兰特公式进行换算。=0 + 57.3Cy0 / · (1 / -1 / 0) = 29. 62°Cx=Cx0+Cy0 / · (1 / -1 / 0) = 0. 425Cy=Cy0=1. 052Cp=Cp0=0. 372 3水动力合力系数C和法向力系

7、数Cn为C=(C2y+C2x)0.5=1. 135Cn=Cy·cos+Cx·sin=1. 125求得舵压力P、法向水压力Pn及扭矩Mn分别为P = 221 382. 83NPn = 219 432. 32NMn = Pn · (Cp · b - a) = 60 389. 97N·m5舵杆强度计算及舵杆直径本船主舵杆设上、下舵承,舵叶下端设舵托。舵杆直径在上舵承处为DA=0. 18m、下舵承处为DB=0. 22m、舵托处为DC=0. 16m。舵杆的受力情况可以简化成如图2所示的3支点梁。5. 1各支点反力经计算,各支点反力分别为RB=150 09

8、7. 56NRC=112 462. 48NRA=41 177. 21N5. 2舵杆轴承摩擦扭矩Mf=f·Ri·ri式中:f摩擦系数,f=0. 15ri各支点处的舵杆半径,rA = 0. 09m,rB = 0. 11m,rC = 0. 08m故Mf = f·(rA·RA+rB·RB+rC·RC) = 4 382. 05N·m5. 3舵杆上所受总扭矩MNMN=Mn+Mf=64 772. 02N·m因此,本船选用100kN·m的电动液压舵机能满足要求。5. 4舵杆上所受最大弯矩MW MW=112 351. 79

9、N·m5. 5下舵承处最大弯矩和舵杆直径按莫尔强度理论,下舵承处合成弯矩MT为MT=0.35MW+ 0.65M2W+M2N=123 618. 7 N·m本舵舵杆采用35号钢,其抗拉强度b=530MPa,安全系数n取3. 6,则许用应力=b / n = 147. 22MPa,所以下舵承处舵杆直径Db为Db=332MT·=332×123 618. 7N3. 14×147. 22MPa=0. 205m本船舵杆直径下舵承处实为0. 22m,满足要求。5. 6舵柄处舵杆直径在舵柄处,按扭矩校核强度。取=0.6=88. 33MPa。舵柄处舵杆直径D1=31

10、6Mn·=316×60 389. 97N3. 14×88. 33MPa=0. 152m舵柄处舵杆直径实为0. 18m,满足要求。6舵机功率估算舵机功率N按下式计算。N=2·MN··k360°·式中:MN舵杆总扭矩,MN=64 772. 02N·m从左满舵到右满舵的舵角,=65°从左满舵到右满舵所需的时间,=20sk考虑舵机效率等因素的功率储备系数,本船选用电动液压舵机,可取k=1. 5故N=5 508. 32W本船实际选取Y132M-4H-B3船用三相异步电动机,其功率为7. 5kW,电压380

11、V,电流15. 4A,转速1 440r/min。7舵设备其它结构本船舵设备其它结构按钢质内河船舶入级与建造规范(2002)的要求核定。舵叶板和隔板厚度的规范计算值为7. 08mm,实取为10mm。舵销直径的规范计算值为130. 13mm,实取为160mm。舵叶与下舵杆连接水平法兰螺栓直径的规范计算值为50. 56mm,实取为56mm,水平法兰的厚度实取t=58mm。舵杆上舵承轴承套高度的规范计算值为7. 77cm,实取为18cm,下舵承轴承套高度的规范计算值为6. 35cm,实取为31. 8cm。舵柄在距离舵杆中心1. 5D处的剖面对其垂直轴的剖面模数规范计算值为367. 94cm3,本船实取剖面尺寸为200mm×150mm,其剖