第三章 舵的设计

1、3.1 概述3.2 舵的几何要素与分类3.3 单独舵的水动力特性3.4 舵设计有关参数的选择3.5 舵的水动力及舵机转矩的计算3.6 舵设计计算举例3.7 改善操纵性措施第三章 舵的设计第三章第三章 舵的设计舵的设计3.1 概述概述一、舵的作用一、舵的作用二、操纵性标准二、操纵性标准 三、舵设计的基本思想三、舵设计的基本思想第三章第三章 舵的设计舵的设计一一 舵的作用舵的作用1、推进系统的重要组成部分、推进系统的重要组成部分2、舵的控制作用、舵的控制作用3、舵的鳍效应、舵的鳍效应舵的作用舵的作用1、推进系统的重要组成部分、推进系统的重要组成部分舵舵船体与桨船体与桨影响受力影响受力伴流和尾流作用

2、伴流和尾流作用有机整体有机整体吸收尾流能量吸收尾流能量根涡区被填充根涡区被填充能量增加能量增加能耗降低能耗降低提高推进效率提高推进效率2、舵的控制作用、舵的控制作用船舶航向船舶航向控控 制制舵舵改变改变 保持保持体现操纵性能体现操纵性能小舵角下的小舵角下的航向稳定性航向稳定性中舵角下的中舵角下的航向改变性航向改变性大舵角下大舵角下的回转性的回转性舵的作用舵的作用3、舵的鳍效应、舵的鳍效应舵舵附附 体体产生回转阻尼产生回转阻尼零舵角零舵角操舵角操舵角固定式尾鳍固定式尾鳍减小舵力减小舵力、力矩力矩改善了直线稳定性，提高了进入新航向的跟从性改善了直线稳定性，提高了进入新航向的跟从性舵的作用舵的作用船

3、-舵-桨二、操纵性标准三、舵设计的基本思想1、传统船体设计特点、传统船体设计特点 长期以来，船体设计主要综合考虑了稳性、排长期以来，船体设计主要综合考虑了稳性、排水量、快速性、总布置和横摇周期等要求，几乎没水量、快速性、总布置和横摇周期等要求，几乎没有涉及到操纵性要求。舵设计是经典的操纵性设计有涉及到操纵性要求。舵设计是经典的操纵性设计方法。方法。2、现代船体设计特点、现代船体设计特点 大量新船型的问世，仅凭舵设计常无法保证足大量新船型的问世，仅凭舵设计常无法保证足够的操纵性能，因此必须在初步设计阶段，进行方够的操纵性能，因此必须在初步设计阶段，进行方案计算预报和核算。将快速性案计算预报和核算

4、。将快速性、操纵性操纵性、耐波性综耐波性综合权衡设计。合权衡设计。三、舵设计的基本思想舵设计的基本思想 3、舵设计的考虑因素、舵设计的考虑因素（1）要满足操纵性要求要满足操纵性要求。不同船型对操纵性的。不同船型对操纵性的 要求是不同的，设计时也应有不同的侧重。要求是不同的，设计时也应有不同的侧重。（2）考虑舵与船体、螺旋桨相互影响）考虑舵与船体、螺旋桨相互影响,降低航行降低航行阻力，提高推进效率。阻力，提高推进效率。（1）满足操纵性要求 不同类型的船舶对操纵性要求不同：远洋船- 航向保持性为主，对回转性要求不高。u 一般直线稳定性好的船，航向不容易偏离，航向保持性也好；一般直线稳定性好的船，航

5、向不容易偏离，航向保持性也好；u 舵效好的船，小舵角转首性好，也容易保持航向；舵效好的船，小舵角转首性好，也容易保持航向；u 直线稳定不好的船，频繁操舵，使舵工疲劳，航速降低，而且在风浪直线稳定不好的船，频繁操舵，使舵工疲劳，航速降低，而且在风浪 中也难以操纵中也难以操纵。沿海船和进出港频繁的海港工作船，对回转性有特殊要求。沿海船和进出港频繁的海港工作船，对回转性有特殊要求。内河船受航道的限制应注意转首性，同时满足回转性的特殊内河船受航道的限制应注意转首性，同时满足回转性的特殊 要求要求（1）满足操纵性要求三、舵设计的基本思想舵设计的基本思想 4 、舵设计的内容、舵设计的内容1）舵的数目和形式

6、的选择。）舵的数目和形式的选择。2）舵的尺寸和形状的设计。）舵的尺寸和形状的设计。3）舵力以及舵杆扭矩计算）舵力以及舵杆扭矩计算 和舵机功率估算。和舵机功率估算。第三章第三章 舵的设计舵的设计3.2 3.2 舵的几何要素与分类舵的几何要素与分类Rudder NomenclatureTip ChordRoot ChordHullStockSpanLeading EdgeTrailing Edge3.2、舵的几何要素及分类、舵的几何要素及分类一、舵的几何要素一、舵的几何要素1.1.舵面积舵面积A Ad d 舵的外形轮廓所包围的面积。舵的外形轮廓所包围的面积。 2. 舵高舵高h 为沿舵杆轴线方向，舵

7、叶上缘为沿舵杆轴线方向，舵叶上缘 至下缘的直线距离。至下缘的直线距离。 3. 舵宽舵宽b 为舵叶前、后缘之间的水平距离。为舵叶前、后缘之间的水平距离。 对矩形舵舵宽即各剖面弦长，对矩形舵舵宽即各剖面弦长， 对非矩形舵可用平均舵宽对非矩形舵可用平均舵宽bm表示。表示。非矩形舵：非矩形舵：=h2/ Ad矩形舵：舵高矩形舵：舵高h在机翼中称为翼展、在机翼中称为翼展、舵宽舵宽b称为翼舷。称为翼舷。 =h/b4.展弦比展弦比 舵高与舵宽之比舵高与舵宽之比5.5.平衡系数平衡系数k kK为舵轴前面积与整个舵面积之比值。为舵轴前面积与整个舵面积之比值。一、舵的几何要素一、舵的几何要素6.厚度比厚度比Z 舵剖

8、面的最大厚度与舵宽的比值舵剖面的最大厚度与舵宽的比值7.面积比面积比 表示舵面积与船体垂线间长表示舵面积与船体垂线间长LBP和设计和设计吃水吃水d的乘积之比值的乘积之比值一、舵的几何要素一、舵的几何要素一、舵的几何要素一、舵的几何要素8.8.舵剖面形状舵剖面形状流线型舵的剖面常为流线型舵的剖面常为对称机翼形。通常为对称机翼形。通常为使其能产生较大的升使其能产生较大的升力和具有较小的阻力，力和具有较小的阻力，前缘为圆形，后缘较前缘为圆形，后缘较尖。尖。舵剖面线型 NACANACA翼型表示方法翼型表示方法拱拱度度比比厚厚度度比比t/b拱拱度度位位置置二、舵的类型二、舵的类型（一）（一）.按舵面积对

9、转动轴位置的分布情况分类按舵面积对转动轴位置的分布情况分类1.普通舵 Unbalanced Rudder 舵的全部面积均在转轴后方2. 平衡舵 Balanced Rudder 在整个舵的高度上，均有部分 舵面积在舵轴线的前方3. 半平衡舵 Semi Balanced只有占舵高一部分的舵面积 在舵轴线的前方二、舵的类型：二、舵的类型：（二）（二） 按舵剖面结构情况分类按舵剖面结构情况分类二、舵的类型：二、舵的类型：（三）（三） 按舵的支承情况分类按舵的支承情况分类图图a图图bc图图d，f图图e （三）（三）按舵的支承情况分类三、舵的布置原则三、舵的布置原则1. 为了产生尽可能大的舵力矩，舵应布置

10、在为了产生尽可能大的舵力矩，舵应布置在 远离船舶重心处：船首尾部。远离船舶重心处：船首尾部。 2. 注意使舵得到突出的尾型的保护。注意使舵得到突出的尾型的保护。3. 为了获得桨的尾流来提高舵效，一般布置为了获得桨的尾流来提高舵效，一般布置在桨的后方。在桨的后方。4. 多舵布置时必须注意舵之间的干扰问题。多舵布置时必须注意舵之间的干扰问题。第三章第三章 舵的设计舵的设计3.3 舵的水动力特性舵的水动力特性 3.3 舵的水动力特性（+）（-）LFFNDFTsin2 .5762RRNVAPD阻力（阻力（N）L升力（升力（N）F舵力（舵力（N）FN正压力（正压力（N）PT摩擦力（摩擦力（N）舵角（舵角

11、（）V 舵叶对水速度（舵叶对水速度（m/s）Ad舵叶浸水面积（舵叶浸水面积（m2）eSb1 1、舵力的概念、舵力的概念 由机翼理论可知舵的水动力特征。由机翼理论可知舵的水动力特征。 水流以水流以角冲向舵时，产生升力角冲向舵时，产生升力L L和和阻力阻力D D，其合力，其合力R R分为法向力分为法向力F F和切向力和切向力A A。我们称法向力我们称法向力F F为舵力。舵力为舵力。舵力F F的大小可用的大小可用下式求得：下式求得：其中：其中：A AR R为舵面积；为舵面积； V V为舵速为舵速C C为舵力系数，其大小可用经验公式计算：为舵力系数，其大小可用经验公式计算： 其中，其中，为舵的展舷比为

12、舵的展舷比 舵压力及舵压力转船力矩舵压力及舵压力转船力矩RFDLAsin212RRRCVAF25. 213. 6RC2. 2. 舵力转船力矩舵力转船力矩 其中其中N NR R为舵力转船力矩，其大小为舵力转船力矩，其大小与舵力、舵角等因素有关。与舵力、舵角等因素有关。舵压力及舵压力转船力矩RRRRRXYNFYFXsincosGxe3.3 3.3 舵的水动力特性舵的水动力特性 在均匀流场中敞水舵水动力特性的基在均匀流场中敞水舵水动力特性的基础上，进行船体、螺旋桨等项的修正。础上，进行船体、螺旋桨等项的修正。（一）敞水舵（一）敞水舵升力系数：升力系数：阻力系数：阻力系数：压力中心系数：压力中心系数：

13、合力系数：合力系数：法向力系数：法向力系数： 敞水舵的系列试验资料n据流体力学相似理论，几何形状相似的机翼在相同的流动状态下CL、CP、CD均相等，所以，一组实验值可用于几何相似，大小不等的一系列机翼中n敞水舵的试验资料：NACA 系列前苏联汉堡大学Jfs系列Tayler水池 TMB系列（一）敞水舵（一）敞水舵运用试验资料来估算舵的水动力特性（一）敞水舵（一）敞水舵运用试验资料来估算舵的水动力特性（一）敞水舵（一）敞水舵（二）船后舵（二）船后舵1。船体对舵力的影响：。船体对舵力的影响：其大小比螺旋桨处伴流的还要大。其大小比螺旋桨处伴流的还要大。有效进速有效进速- 船后伴流降低了舵与水的相对船后

14、伴流降低了舵与水的相对速度。速度。1. 船体对舵力的影响船体对舵力的影响有效攻角有效攻角船舶曲线运动时，船尾舵处的几何漂角为：船舶曲线运动时，船尾舵处的几何漂角为：则船舶作定常旋回时舵处的舵的攻角为：则船舶作定常旋回时舵处的舵的攻角为：为拉直效应系数。为拉直效应系数。由此可见，由于船体的影响，使舵的攻角减小，从而使舵力减小。由此可见，由于船体的影响，使舵的攻角减小，从而使舵力减小。sincos1rxVrxtgRRRR舵、船体、螺旋桨的相互影响（二）船后舵（二）船后舵（二）船后舵（二）船后舵2。螺旋桨尾流对舵力影响：。螺旋桨尾流对舵力影响： 舵处于螺旋桨之后，桨后排出流的轴向部分增舵处于螺旋桨之

15、后，桨后排出流的轴向部分增加了舵的进速，横向部分还增大了舵的攻角。加了舵的进速，横向部分还增大了舵的攻角。在螺旋桨的尾流之中，舵的水动力特性由尾流场在螺旋桨的尾流之中，舵的水动力特性由尾流场决定。螺旋桨尾流的诱导速度有三个分量，轴向、决定。螺旋桨尾流的诱导速度有三个分量，轴向、切向和径向。径向分量较小可忽略。确定舵的相切向和径向。径向分量较小可忽略。确定舵的相对流速对流速VR和相对水流冲角和相对水流冲角R。提出了各家的经验。提出了各家的经验公式。公式。舵、船体、螺旋桨的相互影响 3. 3. 影响舵力大小的因素影响舵力大小的因素1）舵与船体间的相互干扰）舵与船体间的相互干扰 尾部船体两侧，相当于

16、增加了舵叶面积，从而尾部船体两侧，相当于增加了舵叶面积，从而使舵使舵力增加力增加。舵与船尾越近，增加越明显。舵与船尾越近，增加越明显。2）伴流的影响）伴流的影响 船体周围的部分水追随船舶运动而形成的水流称伴船体周围的部分水追随船舶运动而形成的水流称伴流。它流。它使舵力下降使舵力下降。 伴流的特点是：伴流的特点是：近大远小、上大下小、左右对称近大远小、上大下小、左右对称。船舶前进时，首部为零，自首至尾逐渐扩大，船尾最大船舶前进时，首部为零，自首至尾逐渐扩大，船尾最大；倒航时船尾为零。；倒航时船尾为零。 单车单舵船，前进中突然停车，因伴流过强造成舵单车单舵船，前进中突然停车，因伴流过强造成舵力极度

17、下降，甚至力极度下降，甚至出现无舵效的现象出现无舵效的现象。 3 3、影响舵力大小的因素3）螺旋桨排出流的影响）螺旋桨排出流的影响 因螺旋桨排出流比船速高得多，大大提高了因螺旋桨排出流比船速高得多，大大提高了舵叶与水的相对速度，舵叶与水的相对速度，极大地增加了舵力极大地增加了舵力。 注意：注意：双车单舵船因排出流对舵力几乎不产双车单舵船因排出流对舵力几乎不产生作用，当船舶在靠离泊作业、船速很低时几乎生作用，当船舶在靠离泊作业、船速很低时几乎没有舵效没有舵效。4）船舶回转中的舵力下降）船舶回转中的舵力下降 一是：船舶绕旋回圈中心进行回转时，在舵一是：船舶绕旋回圈中心进行回转时，在舵叶处存在一个漂

18、角，使水流的有效流入角减小。叶处存在一个漂角，使水流的有效流入角减小。 二是：船舶在回转中绕自身转心运动时，使二是：船舶在回转中绕自身转心运动时，使舵叶附近的水流对舵的冲角减小。舵叶附近的水流对舵的冲角减小。 3 3、影响舵力大小的因素5）使舵力减小的流体现象）使舵力减小的流体现象 （1）失速现象：当达失速舵角或临界舵角时，舵升力骤然下降。）失速现象：当达失速舵角或临界舵角时，舵升力骤然下降。 （2）空泡现象：当舵的背流面压力下降至该温度下的汽化压力时，在）空泡现象：当舵的背流面压力下降至该温度下的汽化压力时，在舵的背流面产生空泡现象，使升力减小。舵的背流面产生空泡现象，使升力减小。 （3）空

19、气吸入现象：在舵叶表面吸入空气、产生涡流而使舵力下降。）空气吸入现象：在舵叶表面吸入空气、产生涡流而使舵力下降。6）舵的尺度、形状等因素对舵力的影响）舵的尺度、形状等因素对舵力的影响 临界舵角的大小与舵的高宽比（即纵横比、展舷比）密切相关。临界舵角的大小与舵的高宽比（即纵横比、展舷比）密切相关。高宽比越大，提高了小舵角的保向性。但过大，将导致临界舵角变小，高宽比越大，提高了小舵角的保向性。但过大，将导致临界舵角变小，从而引起过早失速。从而引起过早失速。 高宽比一般选择在高宽比一般选择在1.41.9之间。之间。第三章第三章 舵的设计舵的设计3.4 舵设计有关参数的选择舵设计有关参数的选择3.4

20、舵设计有关参数的选择1. 舵面积舵面积 舵设计的重要一环。舵设计的重要一环。舵面积大舵面积大 优点优点:回转力矩大，大舵角回转半径小；小回转力矩大，大舵角回转半径小；小 舵舵 角起呆木作用，回转半径大角起呆木作用，回转半径大缺点缺点：舵机大，失去船体保护，空间大：舵机大，失去船体保护，空间大选取：选取： 参照母型船参照母型船 经验公式经验公式3.4 舵设计有关参数的选择3.4 舵设计有关参数的选择3.4 舵设计有关参数的选择n2。展弦比展弦比舵叶随攻角而变化的水动力曲线主要有展弦比决定舵叶随攻角而变化的水动力曲线主要有展弦比决定 3.4 舵设计有关参数的选择3.4 舵设计有关参数的选择3。舵剖

21、面形状。舵剖面形状平板舵平板舵内河小船；流线型内河小船；流线型海船海船4。厚度比。厚度比据船型、舵型、安装综合考虑据船型、舵型、安装综合考虑5。舵外型。舵外型考虑与船体、螺旋桨配合。考虑与船体、螺旋桨配合。6。平衡比。平衡比原则：在各种舵角下，舵杆扭矩最小。原则：在各种舵角下，舵杆扭矩最小。 3.4 舵设计有关参数的选择第三章第三章 舵的设计舵的设计 3.5 3.5 舵的水动力及舵机转矩的计算舵的水动力及舵机转矩的计算3.5 舵的水动力和舵机转矩的计算一、舵机功率估算二、舵的强度计算二、舵的强度计算第三章第三章 舵的设计舵的设计3.6 3.6 舵设计计算举例舵设计计算举例舵的设计步骤舵面积及几

22、何要素舵面积及几何要素水动力及转舵力矩水动力及转舵力矩强度校核，定舵杆尺寸强度校核，定舵杆尺寸舵机功率选舵机舵机功率选舵机3.6 舵设计计算举例3.6 舵设计计算举例3.6 舵设计计算举例3.6 舵设计计算举例3.6 舵设计计算举例第三章第三章 舵的设计舵的设计3.7 3.7 改善操纵性措施改善操纵性措施一、一、船舶主尺度与形状对操纵性的影响二、特种操舵装置3.7 3.7 改善操纵性措施改善操纵性措施一、一、船舶主尺度与形状对操纵性的影响船舶主尺度与形状对操纵性的影响2 2、船舶主尺度比、船舶主尺度比 船长越长那么定常回转直径越大，给操纵船舶带船长越长那么定常回转直径越大，给操纵船舶带来了困难

23、。来了困难。1. 1. 船舶水线长船舶水线长L LWLWL1 1。L/BL/B增加，船舶直线稳定性有所提高，而回转性增加，船舶直线稳定性有所提高，而回转性 变差，定常回转直径变大。变差，定常回转直径变大。2 2。B/dB/d增加，船舶扁而宽，回转性有所提高。增加，船舶扁而宽，回转性有所提高。3 3。船体修长度。船体修长度 增大，回转阻尼降低，回转增大，回转阻尼降低，回转性性 指数指数K K增加，提高船舶回转性。增加，提高船舶回转性。一、船舶主尺度与形状对操纵性的影响一、船舶主尺度与形状对操纵性的影响3 3、方型系数、方型系数C CB B 方型系数增加，船体受扰动之后，水动力方型系数增加，船体受

24、扰动之后，水动力的位置力作用点往船首移动，使直线稳定性变的位置力作用点往船首移动，使直线稳定性变差，回转性有所改善。差，回转性有所改善。4 4、中线面面积、中线面面积 尾部中线面面积和尾部形状的微小变动对尾部中线面面积和尾部形状的微小变动对船舶操纵性有明显的影响。为了提高直线稳定船舶操纵性有明显的影响。为了提高直线稳定性，可增加尾部中线面面积，让中线面面积形性，可增加尾部中线面面积，让中线面面积形心后移。心后移。一、船舶主尺度与形状对操纵性的影响一、船舶主尺度与形状对操纵性的影响5 5、尾部形状、尾部形状 尾部形状不仅对快速性有影响，对操纵性尾部形状不仅对快速性有影响，对操纵性也有显著影响。在尾部中线面面积不变的情况也有显著影响。在尾部中线面面积不变的情况下，增大后体丰满度采用下，增大后体丰满度采用U形剖面，提高了回形剖面，提高了回转性。转性。6 6、首部形状、首部形状 球鼻艏的安装相当于增加了首部中线面面球鼻艏的安装相当于增加了首部