舵的作用原理和对舵机的要求.ppt

第八章第八章 舵舵 机机 w第一节 w舵的作用原理和对舵机的要求 8-1-1舵设备的组成和舵的类型 w 舵用作为保持或改变航向 w 舵垂直安装在螺旋桨的后方 n早期船舶采用平板舵 n为了提高舵效和推进效率，目前多用由钢板焊接而成的空心 舵，称为复板舵 l这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵 w 舵的型式很多，图81示出三种 n舵叶的偏转由操舵装置(通常称舵机)来控制 n舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上 n舵杆3由舵承支承，它带动舵叶7偏转 n舵承固定在船体上，由承及密封填料组成 n舵叶还可通过舵销5支承在舵柱8的舵托9或舵钮6上 几种舵 w不平衡舵图8-1(a) 舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵 w平衡舵图81(b) 舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵 w半平衡舵图81(c) 仅于下半部做成平衡型式的舵 后两种舵在舵杆轴线之前有一定的舵叶面积，转舵时水流作用在它上面 产生的扭矩可以抵消一部分轴线后舵叶面积上的扭矩，从而减轻舵机的 负荷 二、舵的作用原理和转舵扭矩 w正舵位置，即=0时 n舵叶两侧所受的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响 w舵叶偏转任一角度 ，两侧水流如图所示 n水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面的流速也就较迎水面大 ，而其上的静压力也就较迎水面要小 n舵叶两侧所受水压力的合力(称为舵压力)FN就将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中 心O，并指向舵叶的背水面 n除FN外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力Fr n当舵叶偏转舵角后，在舵叶的压力中心O上，就会产生一个大小等于FN与Fr合力 的水作用F。 舵水作用力及其对船的影响 w F可分解为与水流方向垂直的升力FL和与水流方向平行的阻力FD， FL=12CLA2 FD=12CDA2 x = Cxb 式中：CL，CD，Cx升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶 几何形状有关，由模型试验测定 水的密度, A舵叶的单侧浸水面积， v舵叶处的水流速度 J舵压力中心至舵导边距离, b舵叶平均宽度 舵水作用力F对船舶运动的影响 w 假设在船舶重心G处加上一对方向相反而数值均等于F 的力F1、F2 w 那么水作用力F对船体的作用 n可用水作用力对船舶重心所产生的力矩Ms和F2的作用来代替 。 n由F和F1形成的力矩Ms迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称 为转船力矩： nF2则又可分解为R和T两个分力 n纵向分力R=F2sin，增加了船舶前进的阻力 n横向分力T=F2cos ，使船向偏舵的相反方向漂移 w 水作用力F与船舶的重心G并不在同一水平面上 n船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩 8-1-2-2 转船力矩与最大舵角 w 转船力矩 (Ms) 式中；l舵杆轴线至船舶重心的距离 Xc舵压力中心至舵杆轴线的距离 w Ms随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出现 极大值Mmax w Ms出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有关 ，并主要取决于舵叶的展弦比 ( =舵叶高度A舵叶 平均宽度b) n越小, 绕流的影响就越大，即在同样舵角上所产生的舵压力 越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。 w 舵叶的值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制 n海船 (=22.5)， Mmax的舵角多介于3035 之间，规定35 n河船 ( 1.02.0)， Mmax出现在35 45 舵角之间 8-1-2-2 水动力矩和转舵扭矩 w 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用M表 示。 式中：CN，称为压力系数，其余符号同式(81) w 转舵扭矩M n操舵装置施加在舵杆上的扭矩 n舵匀速转动时，转舵扭矩M即应等于水动力矩Ma和舵各支承处的 总摩擦扭矩Mf 的代数和，即 M= Ma + Mf n普通平衡舵 Mf=(0.150.20) Ma nM可用经验公式或舵的模型试验资料计算 w 公称转舵扭矩 n指在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩 n它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转 到最大舵角所需要的扭矩来确定的 n公称转舵扭矩是确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据 8-1-2-2 综上可见 w (1)水动力矩与舵叶的面积A和舵叶处水流速度的平方 成正比，并随舵角的增大而增大 w (2)不平衡舵 n因X=Xc，故当船舶正航并向一舷转舵时，水动力矩将始终 为正(指与舵叶转向相反)，而回舵时则变为负(指与舵叶转向 相同) n平衡舵因Xc=XZ，小舵角时由于压力中心。处于舵杆轴线 的前方，故Ma为负，只有当舵角增大到某一数值之后， Ma 才会因O点移到轴线之后而变为正值 8-1-2-2 综上可见 n平衡系数 l舵杆轴线之前的舵叶面积A，与整 个舵叶面积A之比，用X表示 lX越大，舵叶的最大水动力矩越小 ，即舵机所需的公称转舵扭矩较小 l但X也不宜过大，否则在常用舵角 (10-20)范围内回舵时需克服的转 舵扭矩就可能较大，从而使舵机功 耗增加 l一般舵的X在0.150.35之间 w (3)船舶倒航时 n舵叶后缘变成了导边，压力中心离开 舵杆轴线距离增大（力臂增加） n同一舵角下倒航时的水动力矩会超过 正却时的水动力矩 n但实际上倒航时的最大航速将比正航 时要小得多，故倒航时的最大水动力 矩不会超过正航时的水动力矩 8-1-3 对舵机的基本技术要求 n是保持或改变船舶航向，保证安全的重要设备 n一旦失灵，船会失去控制，甚至事故 w 因此，我国钢质海船人级与建造规)根据国 际海上人命安全公约(SOLAS公约)的规定，对 舵机提出了明确的要求 n基本精神要求舵机必须具有足够的转舵扭距和转舵速 度 n并且在某一部分万一发生故障时，应能迅速采取替代 措施，以确保操舵能力 n基本技术要求如下； w 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w (1)必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置，或主操舵装 置有两套以上的动力设备。当其中之一失效时，另一套应能 迅速投入工作。 n主操舵装置应具有足够的强度 l能在最深吃水并以最大营运航速前进时将舵自一舷35转至另一舷的35 l自一舷的35 转至另一舷的30所需的时间不超过28s l在船以最大速度后退时应不致损坏 n辅操舵装置应具有足够的强度 l能在最深航海吃水，并以最大营运航速的一半但不小于7kn前进时，能在不 超过60s内将舵自任一舷的15 转至另一舷的15 n在主操舵装置有两台以上相同动力设备符合下列条件时，也可不设辅 操舵装置 l当管系或一台动力设备发生单项故障时应能将缺陷隔离，以使操舵能力能 够保持或迅速恢复 l客船，当任一台动力设备不工作时 l货船，当所有动力设备都工作时，应能满足对主操舵装置的要求 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w (2)主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器 n当主操舵装置设置两台动力设备时，应设有两套独立的控制系 统，且均能在驾驶室控制 n如果采用液压遥控系统，除1万Gt以上的油轮(包括化学品船、 液化气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统 w (3)对舵柄处舵杆直径大于230mm的船应设有能在45s内 向操舵装置提供的替代动力源 n这种动力源应为应急电源（独立动力源），其容量至少应能向 一台动力设备及其控制系统和舵角指示器提供足够的能源 n此独立动力源只准专用于上述目的 n对1万Gt以上的船舶，它应至少可供工作30min，对其它船舶为 10min。 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w (4)操舵装置应设有有效的舵角限位器 n应设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住 w (5)对1万Gt以上的油船、化学品船、LPG船尚有如下 附加要求： n当发生单项故障而丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得 操舵能力 n为此 l舵机可由两个均能满足主操舵装置要求的独立的动力转舵系统组成 l或至少有两个相同的动力转舵系统 l其中任一系统中液压流体丧失时应能被发现，有缺陷