舵设计PPT课件

1 第五章舵的设计 2 5 1概述 影响船舶操纵性的因素船舶的主尺度 形状 航速 重量及其分布由使用性 快速型 经济性 浮性 稳性等决定采用的操纵系统形式和特性改变船体首尾的局部形状 设置一定的鳍状附体操纵装置操纵装置升力操纵装置普通舵 襟翼舵 组合舵 转柱舵 主动舵推力操纵装置 推进和操纵装置合一转动导管 Z型推进器 直翼推进器 侧推装置等 3 5 1概述 舵设计的基本思想满足操纵性要求考虑舵 螺旋桨和船体的相互影响 力求降低航行阻力 提高推进效率舵设计的内容舵的数目和形式的设计舵的尺寸和形状的设计舵力和舵杆扭矩计算和舵机功率估算舵的结构设计 4 5 1概述 5 5 2几何要素 分类和安装位置 舵的类型按舵面积与转动轴的相对位置普通舵对强度有利 但是需要的舵机功率大平衡舵节省舵机功率 强度不利半平衡舵 6 5 2几何要素 分类和安装位置 舵的类型按照舵剖面的形状平板舵结构简单 成本低 产生的升力小 阻力大 舵效低流线型舵就有较好的流体动力特性舵效高广泛采用 7 5 2几何要素 分类和安装位置 舵的类型按照舵剖面的形状 8 5 2几何要素 分类和安装位置 舵的类型按照舵的支撑情况多支撑舵淘汰双支撑舵半悬舵多桨船的中舵现代高速单桨船悬挂舵双桨双舵船 9 5 2几何要素 分类和安装位置 舵的数目和布置桨有通畅的来流 供水充足舵能充分吸收桨尾流的动能 转化为推力和舵法向力舵上沿与船底的间隙足够小 远离船舶重心 增加力臂 改善回转性多舵布置应注意干扰问题舵 桨得到船体的有效的保护 10 5 2几何要素 分类和安装位置 舵的几何要素舵面积舵高舵宽 非矩形舵平均舵宽展弦比 非矩形舵叶平衡比厚度比面积比舵剖面 11 5 3单独舵 敞水舵 的水动力性能 12 5 3单独舵的水动力性能 舵的作用原理 13 5 3单独舵的水动力性能 舵的作用原理几何形状相似的机翼 不管形状尺度大小如何 具有的无因次水动力系数是相等的 14 5 3单独舵的水动力性能 舵的作用原理压力中心系数舵杆受到的扭矩扭矩系数水动力系数之间的系数关系 15 5 3单独舵的水动力性能 舵的作用原理在一定范围内 升力系数增随攻角增大而增大大水流在弦向叶背上开始分离失速角或临界攻角 16 5 3单独舵的水动力性能 展弦比对水动力性能的影响失速前 展弦比大的舵在攻角相同的情况下 具有加大的升力系数因为端部的流动减小了叶背和叶面的压力差 17 5 3单独舵的水动力性能 展弦比对水动力性能的影响相同剖面 不同展弦比 临界攻角之前 普兰特公式 要获得同样的升力系数 展弦比小的机翼需要较大的攻角 18 5 3单独舵的水动力性能 展弦比对水动力性能的影响已知一展弦比的升力攻角曲线 求另一展弦比的升力攻角曲线 19 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积舵面积增大 对提高船舶的回转性和直线稳定性有力 舵面积过大 增加舵机的功率 舵机设备的重量和空间增加 航行阻力增大 增大舵面积 由于舵高的限制 使得展弦比减小 舵效降低在一定范围内 正确选择舵面积是非常重要的 20 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据经验系数决定舵面积舵面积比船型和航速的函数用途相同 航道相仿 主尺度或主尺度比相近 舵桨数目相同 布置上相似操纵性能良好的母型船用途相似 舵面积比比较稳定 21 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据半经验公式计算诺宾公式 可提供需要的战术直径 22 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据图谱估算村桥 山田图谱P2 3时 满足稳性要求 23 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据母型船操纵性指数K T 来决定舵面积 24 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据母型船操纵性指数K T 来决定舵面积 25 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积 26 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据母型船操纵性指数K T 来决定舵面积回转阻尼随舵面积的减小而减小回转阻尼随的增加而减小B d越大 回转阻尼越小延长直线 横轴相交 可得临界舵面积延长直线 纵轴相交 可得自身回转阻尼 回转阻尼预估图 27 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积 28 5 4舵设计中有关参数的选择 舵面积根据母型船操纵性指数K T 来决定舵面积保持舵面积和修长度不变的情况下 K增 T减为K增 T增 必增加舵面积或同一艘船在各种操作中保持常数可以通过得到的K T 中的一个 得到另一个 29 5 4舵设计中有关参数的选择 舵的展弦比兼顾升力系数和失速角 30 5 4舵设计中有关参数的选择 舵的展弦比通常情况下 海船内河船 受限于吃水深度 可采用1桨多双舵 或者是双桨3舵加装制流板提高舵的升力减小转舵力矩 31 5 4舵设计中有关参数的选择 舵剖面形状和厚度比剖面形状对升力系数有较大的影响 NACA00XX 00表示对称剖面 xx表示厚度百分比 32 5 4舵设计中有关参数的选择 舵剖面形状和厚度比NACA型 升力系数较大 阻力系数较小 前缘不太肥 对提高螺旋桨的推进效率有利 安装于螺旋桨正后方茹科夫斯基型 阻力较大 强度差 施工不便 应用于丰满驳船 和非正对螺旋桨舵的船上 可以消除尾涡 提高船速 舵效好厚度比综合考虑 取 这样兼顾了结构 安装 较大的升力系数和较小的阻力系数 33 5 4舵设计中有关参数的选择 舵的外形和平衡比保持舵的展弦比和面积不变 仅改变舵的外形 则升力系数改变不大 压力中心系数略有变化 因此 舵的设计中 可以不必考虑多外形改变对水动力的影响外形设计的出发点 与船体和螺旋桨的配合良好 施工方便 造价低廉 34 5 4舵设计中有关参数的选择 舵的外形和平衡比平衡舵的优点是转舵力矩小 可节省舵机功率e的选取应该使得在整个舵角范围内舵杆的扭矩变化范围小 35 5 5水动力和舵机转矩的计算 单独舵的水动力计算一般形状的剖面特殊形状剖面有限展弦比 机翼理论环量椭圆分布的普朗特公式攻角25 30度 计算精度较高 25时 计算值略大 36 5 5水动力和舵机转矩的计算 单独舵的水动力计算藤井 津田公式 日本广泛使用 压力中心位置取决于展弦比 剖面形状 厚度比和外形 可通过模型实验确定 37 5 5单独舵的水动力性能 舵的作用原理 舵水动力特性的经验公式乔塞尔公式巴兹求宁 考虑了船体和螺旋桨尾流影响k对不同的桨和舵的组合值不同 简单 设计平板舵 38 5 5水动力和舵机转矩的计算 船后舵的水动力计算船体伴流和螺旋桨尾流改变了舵的来流速度和有限攻角有效攻角的改变直航突然改变转舵回转过程 39 5 5船后舵 船体的影响双桨的中舵 不受桨流的影响 舵的轴向水流速度螺旋桨尾流影响由螺旋桨的尾流场决定 尾流场分量轴向 径向和切向 轴向诱导速度使得流向舵的速度增加 切向诱导速度引起舵的有效攻角变化 40 5 5水动力和舵机转矩的计算 船后舵的水动力计算来流速度的影响船体对舵来流速度的影响影响因素 舵型 船尾形状 间隙伴流影响系数 41 5 5水动力和舵机转矩的计算 船后舵的水动力计算来流速度的影响 切向和径向较小 螺旋桨的影响 考虑轴向诱导速度的变化 理想推进器理论 螺旋桨的推力载荷系数情况复杂 采用以下近似伴流使来流速度减小 0 2 0 4 V 螺旋桨增加 0 2 0 6 V 大约取舵的来流速度为船速的 1 0 1 2 V 42 5 5水动力和舵机转矩的计算 船后舵的水动力计算来流速度的影响升力K1伴流影响系数 k2螺旋桨尾流影响系数压力中心的变化 冈田公式 S 0 20 0 60 左舵取正号 右舵取负号 43 5 5水动力和舵机转矩的计算 带舵柱的不平衡舵水动力计算舵柱看作舵的一部分压力向前扩充 减小了舵杆扭矩 使得压力中心前移 减小了升力系数与同面积 同展弦比的平衡舵相比 升力系数 44 5 5水动力和舵机转矩的计算 综合考虑各项影响因素没有考虑船体和螺旋桨对舵上水动力的作用点的影响 通常前移 倒车时 45 5 5水动力和舵机转矩的计算 舵机转矩的计算Mf的大致范围悬挂舵 0 3 0 4Mr平衡舵 0 2Mr不平衡舵 0 12 0 15Mr考虑一定的富裕度过分的精细是没有必要的 应该存在一定的安全富裕度 46 5 6舵的设计步骤 舵面积的选择舵的水动力计算舵机功率估算舵的强度计算 47 5 7改善操纵性的措施 为了使船舶有良好的操纵性 可着手舵的正确设计船体的主尺度和型线的正确选择设计特种操纵装置 48 5 7改善操纵性的措施 船体的主尺度和型线的正确选择船舶水线长船愈长 定常回转直径愈大 有可能会发生 相对回转直径变化不大 但是回转直径显著增大主尺度比增大 直线稳定性提高 回转性变差 定常回转直径增加增大 船舶扁而宽 回转性提高 不宜操纵 吃水小 舵效低 增加 回转阻尼降低 回转指数增加 提高了回转性 49 5 7改善操纵性的措施 船体的主尺度和型线的正确选择方形系数增大 修长度增加 直线稳定性变差 回转性提高操纵异常现象肥大型船 水流分离 舭部涡流 50 5 7改善操纵性的措施 船体的主尺度和型线的正确选择中纵剖面面积和形状是重要因素增加中纵剖面尾部面积 直线稳定性提高增加中纵剖面首部面积 不明显中纵剖面尾部面积和船尾形状的微小改变 对操纵性的影响显著提高稳定性的措施中纵剖面尾部面积增加 中纵剖面面积形心后移尾部加装尾鳍增加回转性的措施 51 5 7改善操纵性的措施 船体的主尺度和型线的正确选择尾部形状一般形式的巡洋舰尾 回转阻尼比普通船尾大25 后体采用U剖面 可以减小回转阻尼 提高回转性首部形状球首的增加 直线稳定性下降 回转性提高大的球首 可以增加倒航时的直线稳定性影响不大 52 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置推进和操纵合一的装置主要从推进方面考虑 兼顾操纵性要求主动式转向装置提高船舶的转船力矩的操纵装置特种舵普通舵基础上的适当改造 53 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置转柱舵 rotatingcylinderrudder 玛格努斯 Magnus 效应 在均匀水流中 旋转的圆柱可以在垂直于来流和旋转轴方向上产生升力 54 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置转柱舵 rotatingcylinderrudder 提高升力 增大转船力矩 提高回转性推迟水流分离 增大了临界舵角一般情况其舵力高出50 最大值为2倍 低速时可达到3 5倍甚至10倍 倒航时可提高4倍 在低速航行时启动 改善操纵性 55 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置主动舵 activerudder 操纵性极为优良 在低速和倒航的时候能发挥很大的效能前进时提高航速 或提供低速在风浪中具有良好的操纵性结构复杂 56 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置侧推器 sidethruster 利用安装在船首或船尾的水泵或螺旋桨横向喷出的水柱产生的侧向反作用式推力具有良好的正航和倒航操纵性具有良好的抗风性能低速时效果最好用于定位要求高的船舶 57 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置鱼尾舵 FishtailRudder 在普通流线型舵后加装一组楔形板和尾封板转舵后 鱼尾舵后缘使舵叶后部的压力增加 明显提高舵效 同时 压力中心后移 增加了航行时的阻力 倒航性能变差钝首缘 方尾缘 收缩激烈 有利于提高流体的动力效果 58 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置襟翼舵 flaptyperudder 普通流线型舵的后缘再接一个小的流线型舵剖面的弯曲相当于增大了剖面的拱度 水流加速 临界舵角增大 提高了升力 缺点倒航性能差 操纵机构复杂 59 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置反应舵 reactionrudder 舵叶前部以螺旋桨轴线为界 上下端向左右舷相反方向扭曲 具有整流作用 并吸收螺旋桨尾流旋转能量 扭曲方向与螺旋桨旋向相反 抑制尾流的扭转 增大轴向诱导速度 提高推进效率3 5 的节省动力 60 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置整流舵 导流罩舵 counterrudder 位于螺旋桨后加装回转体状的导流体 效果改善了尾流 提高了推进效率 可改善尾部振动提高0 3 0 5Kn航速 拖力提高10 结构简单 效果显著 61 5 7改善操纵性的措施 特种操纵装置麦鲁舵 Mellorrudder 舵叶前后缘有很多不封口的圆管满足操纵型的前提下 提高航速收益大 构造不复杂 62 5 7改善操纵性的措施 当普通形式的舵不能满足要求时 可以考虑采用特殊形式的舵特种舵性能优异 但结构复杂 或需要额外动力等 根本解决途径是在总体设计时 考虑到操纵性 即 主尺度选择和型线设计时同时兼顾快速性 耐波性和操纵性 63 第六章操纵性的一些其他问题 64 6 1限制航道中的操纵性问题 限制航道水深受限制的浅水宽度受限的狭水道研究发展操纵性的研究发展缓慢内河船舶60年代后 船舶大型化发展 密度增加 碰撞 触底等安全事故频发 问题显现 促进了发展 65 6 1限制航道中的操纵性问题 限制航道的特殊性水深有限 流经船底的水流受限加速 压力降低 船体下沉 产生吸底现象 当水深和吃水处于某一值时 可能丧失稳性狭窄航道可发生吸岸现象 易发生艉碰岸问题 66 6 1限制航道中的操纵性问题 直线稳定性和回转性随水深的吃水比变化极浅水域 回转性降低 直线运动稳定性增加中等水深 肥大型 船舶操纵性不随水深单调变化消瘦型 直线稳定性随水深变浅单调增加肥胖型 中间水深航向不稳定 水深变浅 稳定性