船舶运动学第五章舵的设计.ppt

第五章 舵的设计,第一节 舵的作用,一、推进系统的重要组成部分,二、舵的控制作用,三、舵的鳍效应,舵的作用,一、推进系统的重要组成部分,舵,船体与桨,影响受力,伴流和尾流作用,有机整体,吸收尾流能量,根涡区被填充,能量增加,能耗降低,提高推进效率,二、舵的控制作用,船舶航向,控 制,舵,改变 保持,体现操纵性能,小舵角下的 航向稳定性,中舵角下的 航向改变性,大舵角下 的回转性,舵的作用,三、舵的鳍效应,舵,附 体,产生回转阻尼,零舵角,操舵角,固定式尾鳍,减小舵力、力矩,改善了直线稳定性，提高了进入新航向的跟从性,舵的作用,船-舵-桨,第五章 舵的设计,第二节 舵设计的基本思想,The rudder has remained virtually unchanged since its introduction millennia ago.,This is a typical rudder from a 6th century Nordic vessel.,舵设计的基本思想,一、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方法。,二、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、操纵性、耐波性综合权衡设计。,舵设计的基本思想,三、舵设计的考虑因素,（1）要满足操纵性要求。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。,（2）考虑舵与船体、螺旋桨相互影响,降低航行阻力，提高推进效率。,满足操纵性要求,不同类型的船舶对操纵性要求是不同的，设计时应有不同的侧重。 远洋船一般以航向保持性为主，对回转性要求不高。一般只限稳定性好的船，航向不容易偏离，航向保持性也好；舵效好的船，小舵角转首性好，也容易保持航向。如果直线稳定性不良，不仅容易使舵工疲劳，航速降低，而且在风浪中难以操纵。 沿海船和进出港频繁的海港工作船，望望对回转性有较高的要求。 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要求。,要满足操纵性要求,对船体而言，其对直线稳定性和回转性的影响是 相矛盾的，往往为了改善稳定性和跟从性，而在回转性和转首性方面做出牺牲，反之亦然。 据细长体理论，得到直线稳定性的条件为：,舵设计的基本思想,四、舵设计的内容,1。舵的数目和形式的选择。,2。舵的尺寸和形状的设计。,3。舵力以及舵杆扭矩计算 和舵机功率估算。,第五章 舵的设计,第三节 舵的类型及布置,Rudder Nomenclature,Hull,Water Flow,一、舵的几何要素及分类,舵的几何要素,1.舵面积Ad,舵的外形轮廓所包围的面积。,2.舵高h 为沿舵杆轴线方向，舵叶上缘 至下缘的直线距离。 3.舵宽b 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， 对非矩形舵可用平均舵宽bm表示,非矩形舵：=h2/ Ad,矩形舵：舵高h在机翼中称为翼展、舵宽b称为翼舷。 =h/b,4.展弦比 舵高与舵宽之比,5.平衡系数k,K为舵轴前面积与整个舵面积之比值。,舵的几何要素,6.厚度比Z 舵剖面的最大厚度与舵宽的比值 7.面积比 表示舵面积与船体垂线间长LBP和设计吃水d的乘积之比值,舵的几何要素,舵的几何要素,8.舵剖面形状,流线型舵的剖面常为对称机翼形。通常为使其能产生较大的升力和具有较小的阻力，前缘为圆形，后缘较尖。,舵剖面线型,NACA翼型表示方法,拱度比,厚度比t/b,拱度位置,舵的类型及布置,二、舵的类型：,1.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,舵的类型及布置,一、舵的类型：,2.按舵剖面结构情况分类,舵的类型及布置,一、舵的类型：,3.按舵的支承情况分类,图a,图bc,图d，f,图e,按舵的支承情况分类,舵的类型及布置,三、舵的布置原则：,1. 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。,2. 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，一般布置在桨的后方。,4. 多舵布置时必须注意舵之间的干扰问题。,第五章 舵的设计,第五节 舵的水动力特性,舵的水动力特性,（+）,（-）,L,F,FN,D,FT,D阻力（N）,L升力（N）,F舵力（N）,FN正压力（N）,PT摩擦力（N）,舵角（）,V 舵叶对水速度（m/s）,Ad舵叶浸水面积（m2）,e,S,b,舵的水动力特性计算,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。,（一）敞水舵,升力系数：,阻力系数：,压力中心系数：,合力系数：,法向力系数：,1、舵力的概念 由机翼理论可知舵的水动力特征。 水流以角冲向舵时，产生升力L和 阻力D，其合力R分为法向力F和切向力A。 我们称法向力F为舵力。舵力F的大小可用 下式求得： 其中：AR为舵面积； V为舵速 C为舵力系数，其大小可用经验公式计算： 其中，为舵的展舷比,舵压力及舵压力转船力矩,2. 舵力转船力矩 其中NR为舵力转船力矩，其大小 与舵力、舵角等因素有关。,舵压力及舵压力转船力矩,敞水舵的系列试验资料,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 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,运用试验资料来估算舵的水动力特性,运用试验资料来估算舵的水动力特性,舵、船体、螺旋桨的相互影响,（二）船后舵,1。船体对舵力的影响：,其大小比螺旋桨处伴流的还要大。,有效进速- 船后伴流降低了舵与水的相对速度。,1. 船体舵力的影响 有效攻角 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： 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。,二、船、桨、舵之间的综合影响,舵、船体、螺旋桨的相互影响,（二）船后舵,2。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。确定舵的相对流速VR和相对水流冲角R。提出了各家的经验公式。,舵、船体、螺旋桨的相互影响,1、舵效的概念 操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角的大小的效能称为舵效。 2、舵效指数(转首指数P) 其物理意义：操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的转向角的变化值。,三、舵效及舵效指数的概念及其影响因素,3、影响舵效的因素 （1）舵角的影响 一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵角有关，舵角越大，舵效越好。 （2）舵速影响 一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵速有关，舵速越大，舵效越好。 （3）排水量影响 舵效与船舶转动惯量有关，惯量大(排水量)越大，其T值越大(T=1/N)，P值越小，舵效越差。换言之，转动惯量越大，船舶不易控 制。,三、舵效及舵效指数的概念及其影响因素,3、影响舵效的因素 （4）纵倾、横倾的影响 首倾比尾倾舵效差；横倾时，向低舷转向比向高舷转向舵效差。 （5）转舵速率的影响 转舵越快，舵效越好，反之，越差。 （6）外界因素的影响（风、流、浅水等） 顺风、顺流舵效比顶风、顶流舵效差；浅水中，由于船舶旋回阻尼力矩比深水中大，因此，浅水中舵效比深水中差。,三、舵效及舵效指数的概念及其影响因素,舵 影响舵力大小的因素,1、舵与船体间的相互干扰 尾部船体两侧，相当于增加了舵叶面积，从而使舵力增加。舵与船尾越近，增加越明显。 2、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流。它使舵力下降。 伴流的特点是：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；倒航时船尾为零。 单车单舵船，前进中突然停车，因伴流过强造成舵力极度下降，甚至出现无舵效的现象。,舵. 影响舵力大小的因素,3、螺旋桨排出流的影响 因螺旋桨排出流比船速高得多，大大提高了舵叶与水的相对速度，极大地增加了舵力。 注意：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、船速很低时几乎没有舵效。 4、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，使舵叶附近的水流对舵的冲角减小。,舵 影响舵力大小的因素,5、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。 （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，在舵的背流面产生空泡现象，使升力减小。 （3）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 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，从而引起过早失速。 高宽比一般选择在1.41.9之间。,第五章 舵的设计,舵参数的选择,一、舵的设计步骤,舵面积及几何要素,水动力及转舵力矩,强度校核，定舵杆尺寸,舵机功率选舵机,舵参数的选择,1. 舵面积 舵设计的重要一环。 舵面积大 优点:回转力矩大，大舵角回转半径小；小 舵 角起呆木作用，回转半径大 缺点：舵机大，失去船体保护，空间大 选取： 参照母型船 经验公式,舵参数的选择,2。展弦比,舵参数的选择,3。舵剖面形状 平板舵内河小船；流线型海船 4。厚度比 据船型、舵型、安装综合考虑 5。舵外型 考虑与船体、螺旋桨配合。 6。平衡比 原则：在各种舵角下，舵杆扭矩最小。,舵参数的选择,舵的水动力特性计算,舵机功率估算,舵的强度计算,舵的强度计算,改善操纵性的措施,为了使船舶具有良好的操纵性，以保证安全航行，对于设计者来说，可以从以下三方面着手 1。舵的正确设计 2。船体主要尺度和型线的正确选择 3。设计特种操纵装置,船舶主尺度与形状对操纵性的影响,二、船舶主尺度比,船长越长那么定常回转直径越大，给操纵船舶带来了困难。,一、船舶水线长LWL,1。L/B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。,2。B/d增加，船舶扁而宽，回转性有所提高。,3。船体修长度 增大，回转阻尼降低，回转性 指数K增加，提高船舶回转性。,船舶主尺度与形状对操纵性的影响,三、方型系数CB,方型系数增加，船体受扰动之后，水动力的位置力作用点往船首移动，使直线稳定性变差，回转性有所改善。,四、中线面面积,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。为了提高直线稳定性，可增加尾部中线面面积，让中线面面积形心后移。,船舶主尺度与形状对操纵性的影响,五、尾部形状,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下，增大后体丰满度采用U形剖面，提高了回转性。,六、首部形状,球鼻艏的安装相当于增加了首部中线面面积，使直线稳定性变差，回转性改善。总体来说首部对操纵性影响不是太显著，只有特殊船型如破冰船的首部才会对回转性显著影响。,二、特种操纵装置,为了提高推进效率，盖善操纵性能，在不同的船上广泛采用各种形式的操纵装置。不同于普通舵的操纵装置统称为特种操纵装置，按其工作特点可分为三类： 1。推进操纵合一装置 2。主动式转向装置 3。特种舵,1。转柱舵,特种舵简介,1、侧推器的工作原理 侧推器安装在船首（首侧推）或船尾（尾侧推），由电动机带动螺旋桨产生横向力，进而产生转船力矩。 2、侧推器在操纵中的应用 侧推器的作用与船舶速度有关，船速越小，其作用越大，随着船速的增加，其作用逐渐降低。 例如： 船速 3节 8节 转船力矩（与舵）/单独舵转船力矩 3.5 1.28 3、目前侧推器用于要求定位精度较高的火车渡轮、航标船、大型客船、集装箱船和工程船舶上。,3。侧推器,特种舵简介,4。组合舵（鱼尾舵）,特种舵简介,特种舵简介,组合舵的形状,特种舵简介,5。襟翼舵,特种舵简介,5。襟翼舵,特种舵简介,6. 反应舵,特种舵简介,7.整流舵,特种舵简介,8.麦鲁舵,特种舵简介,特种舵简介,思 考 题,1.何谓舵的展弦比？从提高舵效的观 点，应使舵的展弦比增加还是减少？为什么？ 2.内河浅吃水船上，