舵的设计0410

M
1 N V0 L3 dC N 2
K ' CM ' T CI
AR L2 d ' K T Ld
'
I
1 4 L dCI 2
1 AR L ' ' T K
舵面积
1）如舵面积不变，则K‘的 增加将导致T’的增加；
2）增大舵面积可在T’不变 的情况下增大K‘，或在K‘不 变时，使T’变小； 3）对一般民船， K‘和T’之 间存在一个近似的线性惯性， 找到了其中一个，就可预估 出另一个。



2、悬挂舵：只有上支承而无下支承，其舵叶全部悬挂在船体外的舵杆 上。广泛应用。 3、半悬挂舵：指下支承的位置设在舵叶中间的舵。
三、按舵叶的剖面形状分
1、平板舵：也称单板舵， 仅用于小船。
2、流线型舵(又称复板舵)： 海船广泛采用。 除了部分非自航船外， 绝大数机动船都采用流线型
舵的分类
舵与船体、螺旋桨组成有机的整体，考虑它们的相互影响，力求 降低航向阻力，提高推进效率。
舵设计的内容
舵的数目和形式的选择 舵的尺度和形状的设计 舵力及舵杆扭矩计算和舵机功率估算。
舵的几何要素
舵面积AR：舵叶的侧投影面积（如有部分舵叶露出水面，舵面积
指设计水线以下的舵的侧投影面积）； 舵高（展长）h，舵杆轴线方向舵叶上下缘的垂直距离；
第二节 舵装置的分类
一、按舵杆轴线在舵叶宽度上的位置分
1、不平衡舵：又称普通舵，
适用于小船。 特点：舵叶全部位于舵杆 轴线之后，舵钮支点较多， 舵杆强度容易得到保证。 需要较大的转舵力矩。

2、平衡舵：海船广泛应用。
特点：①舵杆轴线位于舵叶的前后缘之间； ②舵杆轴线之前的舵叶起平衡作用，这部分的面积与舵叶全 部面积之比称为平衡比度或平衡系数，一般在0.2～0.3之间；
③所需的转舵力矩小，进而可相应减小舵机功率。



3、半平衡舵：适用于尾柱形状比较复杂的船舶。
特点：舵的下半部为平衡舵，上半部为不平衡舵，平衡比 度介于平衡舵和不平衡舵之间，即0.2以下。


二、按舵的支承方式分
1、支承舵：分多支承舵和双支承舵两种。 多支承舵：与船体尾柱连接有三个及以上支承点的舵。其支承点可分 为舵承、舵钮和舵托等。舵的重量由船体内的支承和舵托来支承。 双支承舵：指除上支承外，在舵根处还设有一个下支承的舵。
V—水相对舵的速度
3-3单独舵的水动力性能
失速：
失速角（临界攻角）：
展弦比对水动力性能的影响
失速前展弦比λ较大的舵在攻角α相同时具有较大的升力系 数Cy。这是因为来流与舵之间的攻角为α时，在舵的上下两端 产生了从高压面绕过端部向低压面的横向流动，两端的横向绕 流减小了叶背和叶面之间的压力差，因而导致升力的降低。这 种影响对于小展弦比的舵在整体上较大展弦比的舵更为严重。 但展弦比λ大的舵失速角较小。
舵的数目及安装位置
•
•
舵应布置在远离船舶重心处，以便增大转船力臂，但要注意舵的 可靠保护；
为了获得螺旋桨尾流以提高舵效，舵一般布置在螺旋桨的后方。 试验资料表明，螺旋桨尾流要经一段距离后，其尾流速度才能达 到最大值。所以原则上应将舵布置在尾流速度大处工作，对提高 舵效有利。 舵上缘与船底间隙足够小，可利用边界效应提高舵效； 使桨、舵有效的受到船体遮蔽保护，以避免损伤；
• 现在普遍采用的舵多是流线型的平衡舵； • 在双桨双舵上常采用悬挂式舵，主要考虑到舵位于桨 之后方，舵的下缘难以支撑。 • 半平衡半悬挂舵多用于多桨船的中舵（或单桨单舵 船），这时将尾呆木切去少许以增进其回转性，同时 也便于设舵。
舵的数目及安装位置
舵的数目：取决于船型和航行情况，与螺旋桨数目有很大关系。 一般情况下，舵数＝桨数 但对一些操纵性要求高，吃水又受限制的船，也配置双桨三舵。（如长江上游） 舵的形式：与船尾形式、航行条件及设备条件有关。
展弦比对水动力性能的影响
普兰特换算公式：
2 1 57.3
Cy 1 1 ( ) 2 1 2 Cy 1 1 Cx 2 Cx1 ( ) 2 1
2
当 和 分别表示展弦比为
1
1
和 机翼的攻
2
角时，其升力系数均为 Cy1 Cy 2 Cy 。 如果2
•
有尾框架及舵柱的船尾采用多支承的不平衡舵，转舵时，舵杆扭矩较大，需
要较大的舵机，不平衡舵在风浪中容易出现应舵不灵的现象；
• • • •
有尾框架船尾采用双支承平衡舵， 借以减小舵杆扭矩和舵机效率。 变吃水船，舵叶上端离水面距离远些，可提高轻载时的舵效 对无尾框架的敞式船尾，采用半悬挂式半平衡舵 双桨船上常采用悬挂式双平衡舵。
•
3-3单独舵的水动力性能
Pn2 Pt 2 Pn Py cos Px sin Pt Px cos Py sin Py Pn cos Pt sin Px Pn sin Pt cos P Py2 Px2
概述—操纵性标准
4）停船能力 全速倒车试验测得的停船轨迹应不超过15L，但如果因 船舶排水量大而使该衡准值不切实际时，主管机构可修改 该衡准值。 5）船舶航向为不稳定时，可用螺旋试验或回舵试验确 定其不稳定的程度。
舵设计的基本思想
满足操纵性要求 远洋船以航向保持性为主； 沿海船和进出港频繁的港作船，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，同时需满足回转性的特殊 要求；
舵宽（弦长） 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表示； 展弦比λ
对矩形舵λ ＝h/b；
2 h h 对非矩形舵叶 A2R bM AR bM
舵的几何要素
平衡比e，指舵杆轴线前的舵面积与整个舵面积的比值。对不平衡舵，舵
杆轴线在舵的导缘，e=0；
• •
舵的数目及安装位置
• 采用多舵时，要注意舵与舵之间的干扰问题；前后方向上，转舵 时前面的舵不要使水流不能很好的流到后面的舵上去；另一方面 是横的方向上，如两舵相距太近，转舵时使一个舵的低压区落到 另一个舵的高压区内，产生相互抵消作用，所以两舵间横向距离 一般不小于半个舵宽为宜。 注意舵的良好保护好拆装工艺需要； 舵的下缘不得超出船底基线 舵的后缘在任何舵角下不要超出船尾轮廓线 舵的导缘应离桨叶随边略近些，要注意螺旋桨和尾轴的安 装工艺要求 舵的上缘与船底部的间隙要小
1则2 1 ，即在相同升力系数
条件下，展弦比较小的机翼要在较大的攻角 时才能得到相同的升力系数。
展弦比对水动力性能的影响
应用：通过模型舵的水动力试验经过换算得到实舵的水动力系数。
AB 2 1 57.3
Cy 1 1 ( )
2
1
舵面积
舵面积对操纵性的影响： 舵面积大：回转性和直线稳定性好，能全面改善船的操纵 性能。 舵面积过大：将增加舵机功率、舵设备重量和所占空间， 船舶航行阻力有所增加且舵高受到船尾空间限制舵面积大 到一定程度，由于展弦比下降使舵效降低。
（
Ad 0.123 ） 0.0056 0.0060 ' 设 LdK 0.114
舵设计举例
（ Ad 1 ） 设 Ld 61
K '母 K '设
AR 1 2.48 Ld 0.0056 A 1 R 2.71 Ld 0.0060
舵设计举例
按回转性指标来设计舵
1）由图3-8得： （
舵设计举例
设某母型船的 Cb 0.8, L 7.0, AR 1 ，而新设计的船其 Cb 0.8, L 6.5 ，
B Ld 72
B
问后者应有多大的 AR 才能保证与母型船有同样的航向稳定性？
Ld ' ' （1）要求与母型船有同样的航向稳定性，则 T设 T母
Ld
' 母
由母型船知： Cb 0.8 0.114, 及 AR 1 ，由图3-8求得： （ 2
舵杆所受的力矩M r Pn ( x p a ) a 扭矩系数Cmr Cm Cn b
2 2 2 C Cy Cx Cn Ct2 C n C y cos C x sin Ct C x cos C y sin C y C n cos Ct sin C x C n sin Ct cos Cm CnC p
L/B 7.0 Ld 72
Ad ） 0.0056 ' 母 Ld K
A L A L （ R )设 （ R )母 （2）要 T T ，由图3-9知： K ' K '
' 设
AR L2 d AR L2 d （ ） （ ） 设 母 LdK ' LdK '
（
CB B ） （ ） 设 设 0.123 L2 d L
厚度比：舵剖面的最大厚度与舵宽的比值t b
面积比μ：舵面积与船体垂线间长和设计吃水 的乘积的比值。
t

AR LBP d
舵剖面，指与舵杆轴线垂直的舵叶剖面。对沿高度
方向厚度不变的矩形舵，在整个高度方向其剖面是
一样的。
舵的分类
按舵的支承情况：多支承舵、双支承舵、半悬挂舵和 悬挂舵。 按舵的剖面形状： 平板舵和流线型舵 按舵杆轴线在舵宽度上 的位置：不平衡舵、 平衡舵和半平衡舵。
第三章 舵的设计
概述 舵的几何要素、分类及安装位置 单独舵的水动力性能 舵设计中有关参数的选择 舵的水动力和舵机转矩的计算 舵设计计算举例 改善操纵性的措施
概述—操纵性标准
操纵性标准：
1993年国际海事组织(1MO)对100m及以上海船的操纵性标准 提出了要求，之后，又进行了修订，具体规定如下： 1）回转能力：船舶以左（右）35o舵角回转时，回转圈的纵距不 超过4.5L（L为垂线间长），战术直径不超过5.0L。 2）初始回转能力 船舶操左10º 舵角或右10º 舵角后，船首向角从原航向改变10º 时，
舵面积
1 Lpp d
2.按半经验公式计算 3.按母型船选择舵面积
AR AR 0 LPP d LPP 0 d 0
AR d d F 1.81 L2 (CB A ) Ld 725dDT 6d
舵面积
4.按图谱确定舵面积
1）当p≤2.2~2.3时，曲线族较平坦， 所确定的舵面积比，满足船舶前进 三倍船长后首向改变60o的转首性 要求； 2）当p＞2.2~2.3时，曲线族急剧 上升，此时是按稳定性要求来决定 舵面积比μ的数值
M Pn x p
M r Pn ( x p a)
压力对舵前缘的力矩 压力对转轴的力矩
阻扰舵向舷侧方向转 动的力矩为正
进行无因次转换
Pn v2 AR 2 Pt 切向力系数 Ct v2 AR 2 Py 升力系数 C y v2 AR 2 Px 阻力系数 Cx v2 AR 2 M 力矩系数 Cm v2 AR b 2 x C 压力中心系数 C p p m b Cn 法向力系数 Cn
船舶前进的纵距应不超过2.5倍船长。
概述—操纵性标准
3）偏航纠正和航向保持能力
10º ／10ºZ形操纵试验测得的第一超越角应不超过：
10º 20º
如L/V＜10s时； 如L/V ≥30s时；
(5＋1/2 (L/V))º 如10s ≤L/V ＜30s时。 10º ／10º Z形操纵试验测得的第二超越角应不超过上述第 一超越角衡准值加15º 20º ／20º Z形操纵试验测得的第一超越角应不超过25º
p CB B / d
p CB B / d
舵面积
按一般要求确定舵面积的图 谱
舵面积
5.按母型船操纵性指数K’，T’来决定设计船的舵面积
K M I ,T N N
1 V02 L2 dCM 2
K V02CM 2 T L CI
K M T I
A CM R Ld C I L2d