3舵的工作原理-3
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
M e 41.35 g b AR VR2 sin
式中： M e ——转舵力矩，N m 。
5．舵压力 PN 所产生的转船力矩 M P（单位：N m ）
（1）航行时的舵压力转船力矩
A．初始转船力矩： 航行中的船舶操舵后，初始阶段的支点为船舶重心 G ，近似
地取 G 位于船中，则有：
式中： K
忽略水的粘性 PN
P
2．舵压力 PN （normal presure）的估算
（1）PN 的表达式：
PN1 2gFra bibliotekwCN
AR VR2
式中： PN ——舵压力，N；
CN ——舵压力系数，由舵角 和舵叶形状决定；
AR——舵面积，m2；
VR ——舵速，m/s；
g——重力加速度，g 9.8m / s 2
（2）舵压力 PN 的估算式
舵面积系数 ：
AR 100%
LPP d
式中： d ——船舶平均吃水，m； LPP ——船舶垂线间长，m。
☆ 舵面积系数 的一般数值：内河 海船 海船中， 最大的是：海洋拖船， 3.0% ~ 6.0% ； 内河中， 最大的是：内河推船， 6% ~ 11% 。
（三）船体、伴流和螺旋桨尾流的影响
压力降至该温度下
舵背流面压力 的汽化压力时 舵叶背面产生空泡
升舵力表系面数与水CL的接触被阻 断, 流体连续性被破坏 舵金属表面产生剥蚀
3．空气吸入现象
舵的上缘与水面接近/ 高出水面
且速度较大
舵背面吸入空气, 产生涡流, 舵力下降
（二）舵的几何尺度、形状的影响
1．舵叶展弦比 的影响
展弦比： h h 2
5．滑失 S r 的影响
Sr 螺旋桨进速 VP ,诱导速度 ua PN 舵效
舵压力增加率 PN
：PN
K
S
1.5 r
☆ 实际操船中：注意利用螺旋桨的滑失，增加诱导速 度，减小伴流，使用停车——倒车的操纵方法，既能 抑制船速，又能发挥舵力，从而增加舵效。
6．考虑各种综合影响后的船尾舵正压力
2. 3 舵的工作原理
一、舵的分类
按舵的支承情况来分：
1．多支承舵：船体尾柱连有三个以上的舵钮。 2．半悬式舵：下支承的位置在舵的半高处。 3．悬式舵：挂在舵杆上的。 4．双支承舵：除了上支承儿还有一个安在舵根的下支承。
按舵杆轴线位置来分：
1．普通舵：舵叶位于舵杆轴线之后。 2．半平衡舵：一般就是半悬式舵。 3．平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后一定的距离。 一般在舵叶前缘后的1／3处。
1．失速现象
操某一舵角
，
升力系数CL， 当舵角达到
阻力系数CD
s
时
舵 叶背流面流线分离背流面涡流（vortex）
升力系数CL 升力PL 失速现象， 为s 临界舵角
或极限舵角（critical angel or burbling point）。
2．空泡现象
操大舵角/舵进速较大/舵前缘截面曲率较大
1．船体的干扰及船尾形状的影响
操某一舵角 舵的压力场变化波及船尾部
船尾两侧产生压力差方向与舵升力方向相同
转船力矩
船尾压力使舵压力PN ,
舵效
船体与舵 船尾舵压力较单独舵压力提高20% ~ 30% 相互干扰 且船体与舵间隙越小效果越显著
(提示看书P24图1 13)
2．伴流对舵压力的影响
伴流存在 舵速VR
☆ 舵的厚度与舵压力的关系：
A．当时 150， t (舵越厚) PD (舵阻力增加越快 )；
B．当时 150 ，t (舵越薄) PD (舵阻力增加越快 ) ；
C．当厚宽比
t 18% ~ 20% b
时，舵压力 PN
最大。
3．舵面积大小的影响
舵压力与舵面积成正比： PN ∝ AR ，AR PN
博福（Beaufoy）估算式：
PN 58.85 g AR VR2 sin
即：PN 576.2 AR VR2 sin
滕井估算式：
PN
6.13 g sin 2.25
1 2
w
AR
VR2
式中：
——舵的展弦比，
h b
h2 AR
3．舵压力作用点估算
根据乔塞尔（Jossel）估算式：根据博福（Beaufoy）估 算式：
速较大，但因伴流影响使舵处的来流速度下降从而致使舵效
下降甚至失去。方型系数 现象更显著。
较大的肥大型船舶因伴流大，此
Cb
3．螺旋桨尾流的影响
舵叶处的轴向分速： VR VA ua VA ( 1 P )
∴
VR2
V
2 A
(1
P
)
式中： VA ——螺旋桨盘面处的轴向平均流速，VA Vs (1 w)
b AR
小，舵叶矮而宽迎 流面来的 水流从舵的 上下端进入背流面 绕流 舵压力 ；
大，舵叶高而窄 提示看书P21图111或DP40图2 12
舵力曲线斜率越陡
操小舵角时的升力较大 , 有利于小舵角的保向性
过早失速, s变小 不利于大舵角旋回
一般地： 1.4 ~1.9 。
河船的舵高受吃水的影响，一般 较小，易产生绕流，
冈田（Okada）滕井（Fuji）等人经过研究，给出考虑各种 综合影响后的船尾舵正压力表达式：
PN
6.13 g sin 2.25
1 2
w
AR
Vs2 (1 w)2
(1
3.6S
1.5 r
)
7．斜流的影响：使船舶旋回中的舵力降低
（1）船舶旋回 旋回降速 舵处来流速度 舵压力PN
（2）船舶旋回
w 为螺旋桨盘面处的伴流系数；
P
——螺旋桨推力系数， P
8T
wV
2 A
D
2
故舵压力 PN： VR PN
PN
1 2
g
w
CN
AR
VA2 (1 P )
4．伴流、螺旋桨尾流的综合影响
A．单螺旋桨船的舵压力大致相当于敞水舵的舵压力； B．双桨单舵船的舵压力只有敞水舵的40%~60%，中舵所起 作用较小，中舵主要为保证船舶在滑行中有一定舵效而设。
按舵剖面形状来分
1．平板舵：舵的剖面是直线型的。 2．改良平板舵：在平板舵上敷以木块，其外形与流线型相似。 3．流线型舵：舵的剖面是流线型。 4．整流舵（反应舵）：舵的剖面是对称的流线型。
一．舵压力
1．舵压力产生原理
船舶正舵航行时，舵叶两侧流速对称相等，不产生舵压力。 当操某一舵角：
平行流 附加环流
迎流面, 平等流与附加环流方向 背流面, 平等流与附加环流方向
相反 相同
流速 流速
, 压力 , 压力
舵叶两侧产生压力差
舵升力 舵阻力
PL PD
, 平行于水流 , 垂直于水流
合力为舵的水动力 P
分解舵 舵压 叶力 摩擦: P力N ,
垂直于舵叶剖面 , 亦称舵的正压力 : PT , 平行于舵叶剖面
M P PN l
KARV
2 R
sin
L 2
cos
1 4
KLARVR2
sin
2
——系数，在Beaufoy公式中 K 58.85 。
从上式：当 450 时，舵力转船力矩为最 大，M P M P max。但在实际中，因为舵叶形状等 因素影响，在转头初期，若取 450 ，则系
数 K 常会减小，且阻力增加，舵机功率也要增加 ，故一般船舶极限舵角 s 350 ，超大船舶极 限舵角 s 400 。
舵压力较小。提高舵压力的措施：增加舵叶数目(2 ~ 3), 相应提高展弦比
舵的上下端设挡板, 减少绕流
2．舵的外形及剖面形状的影响
当船尾与舵的间隙较大时，舵的外形对舵压力的影响才较显著。
舵叶水平 平板型 不符合流体运动规律,水阻力大, 舵压力小 截面形状: 流线型(对称机翼状) 符合流体运动规律,水阻力小20%,舵压力大
相对船体斜流 船尾漂角 A
有效舵角 (有效冲角)
舵压力
PN
B．航行中实际舵压力转船力矩
船舶操某一舵角进入圆航后，实际支点应为转心 ，P 则舵压 力转船力矩为：
M P PN lP
l P ——转心 P至舵压力作用线 垂
直距离。
（2）系泊时舵压力转船力矩 M P0
M P0 PN la PN L cos
二．影响舵压力的因素
（一）减低舵压力的流体现象
e (0.195 0.305 sin ) b
式中： e ——舵压力作用点至舵叶前缘（方向取船首为前）
的距离，m；
b ——平板舵的宽度，m。
由估算式可知：
0时, e 20%b 舵压力作用点向舵叶后 缘移动 900 e 0.5b
4．舵前缘的转舵力矩估算
乔塞尔（Jossel）估算式：
VR Vs (1 w)
所以舵压力 PN ： PN船尾舵 PN敞水舵
PN 576.2 AR Vs2 (1 w)2 sin
w ——平均伴流系数；
单桨船 : w 0.50Cb 0.05; 双桨船 : w 0.55Cb 0.20
CN ——舵压力系数（船后舵）
☆ 实际操船中：船舶驶向泊位/锚地时，停车，虽然船舶余
式中： M e ——转舵力矩，N m 。
5．舵压力 PN 所产生的转船力矩 M P（单位：N m ）
（1）航行时的舵压力转船力矩
A．初始转船力矩： 航行中的船舶操舵后，初始阶段的支点为船舶重心 G ，近似
地取 G 位于船中，则有：
式中： K
忽略水的粘性 PN
P
2．舵压力 PN （normal presure）的估算
（1）PN 的表达式：
PN1 2gFra bibliotekwCN
AR VR2
式中： PN ——舵压力，N；
CN ——舵压力系数，由舵角 和舵叶形状决定；
AR——舵面积，m2；
VR ——舵速，m/s；
g——重力加速度，g 9.8m / s 2
（2）舵压力 PN 的估算式
舵面积系数 ：
AR 100%
LPP d
式中： d ——船舶平均吃水，m； LPP ——船舶垂线间长，m。
☆ 舵面积系数 的一般数值：内河 海船 海船中， 最大的是：海洋拖船， 3.0% ~ 6.0% ； 内河中， 最大的是：内河推船， 6% ~ 11% 。
（三）船体、伴流和螺旋桨尾流的影响
压力降至该温度下
舵背流面压力 的汽化压力时 舵叶背面产生空泡
升舵力表系面数与水CL的接触被阻 断, 流体连续性被破坏 舵金属表面产生剥蚀
3．空气吸入现象
舵的上缘与水面接近/ 高出水面
且速度较大
舵背面吸入空气, 产生涡流, 舵力下降
（二）舵的几何尺度、形状的影响
1．舵叶展弦比 的影响
展弦比： h h 2
5．滑失 S r 的影响
Sr 螺旋桨进速 VP ,诱导速度 ua PN 舵效
舵压力增加率 PN
：PN
K
S
1.5 r
☆ 实际操船中：注意利用螺旋桨的滑失，增加诱导速 度，减小伴流，使用停车——倒车的操纵方法，既能 抑制船速，又能发挥舵力，从而增加舵效。
6．考虑各种综合影响后的船尾舵正压力
2. 3 舵的工作原理
一、舵的分类
按舵的支承情况来分：
1．多支承舵：船体尾柱连有三个以上的舵钮。 2．半悬式舵：下支承的位置在舵的半高处。 3．悬式舵：挂在舵杆上的。 4．双支承舵：除了上支承儿还有一个安在舵根的下支承。
按舵杆轴线位置来分：
1．普通舵：舵叶位于舵杆轴线之后。 2．半平衡舵：一般就是半悬式舵。 3．平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后一定的距离。 一般在舵叶前缘后的1／3处。
1．失速现象
操某一舵角
，
升力系数CL， 当舵角达到
阻力系数CD
s
时
舵 叶背流面流线分离背流面涡流（vortex）
升力系数CL 升力PL 失速现象， 为s 临界舵角
或极限舵角（critical angel or burbling point）。
2．空泡现象
操大舵角/舵进速较大/舵前缘截面曲率较大
1．船体的干扰及船尾形状的影响
操某一舵角 舵的压力场变化波及船尾部
船尾两侧产生压力差方向与舵升力方向相同
转船力矩
船尾压力使舵压力PN ,
舵效
船体与舵 船尾舵压力较单独舵压力提高20% ~ 30% 相互干扰 且船体与舵间隙越小效果越显著
(提示看书P24图1 13)
2．伴流对舵压力的影响
伴流存在 舵速VR
☆ 舵的厚度与舵压力的关系：
A．当时 150， t (舵越厚) PD (舵阻力增加越快 )；
B．当时 150 ，t (舵越薄) PD (舵阻力增加越快 ) ；
C．当厚宽比
t 18% ~ 20% b
时，舵压力 PN
最大。
3．舵面积大小的影响
舵压力与舵面积成正比： PN ∝ AR ，AR PN
博福（Beaufoy）估算式：
PN 58.85 g AR VR2 sin
即：PN 576.2 AR VR2 sin
滕井估算式：
PN
6.13 g sin 2.25
1 2
w
AR
VR2
式中：
——舵的展弦比，
h b
h2 AR
3．舵压力作用点估算
根据乔塞尔（Jossel）估算式：根据博福（Beaufoy）估 算式：
速较大，但因伴流影响使舵处的来流速度下降从而致使舵效
下降甚至失去。方型系数 现象更显著。
较大的肥大型船舶因伴流大，此
Cb
3．螺旋桨尾流的影响
舵叶处的轴向分速： VR VA ua VA ( 1 P )
∴
VR2
V
2 A
(1
P
)
式中： VA ——螺旋桨盘面处的轴向平均流速，VA Vs (1 w)
b AR
小，舵叶矮而宽迎 流面来的 水流从舵的 上下端进入背流面 绕流 舵压力 ；
大，舵叶高而窄 提示看书P21图111或DP40图2 12
舵力曲线斜率越陡
操小舵角时的升力较大 , 有利于小舵角的保向性
过早失速, s变小 不利于大舵角旋回
一般地： 1.4 ~1.9 。
河船的舵高受吃水的影响，一般 较小，易产生绕流，
冈田（Okada）滕井（Fuji）等人经过研究，给出考虑各种 综合影响后的船尾舵正压力表达式：
PN
6.13 g sin 2.25
1 2
w
AR
Vs2 (1 w)2
(1
3.6S
1.5 r
)
7．斜流的影响：使船舶旋回中的舵力降低
（1）船舶旋回 旋回降速 舵处来流速度 舵压力PN
（2）船舶旋回
w 为螺旋桨盘面处的伴流系数；
P
——螺旋桨推力系数， P
8T
wV
2 A
D
2
故舵压力 PN： VR PN
PN
1 2
g
w
CN
AR
VA2 (1 P )
4．伴流、螺旋桨尾流的综合影响
A．单螺旋桨船的舵压力大致相当于敞水舵的舵压力； B．双桨单舵船的舵压力只有敞水舵的40%~60%，中舵所起 作用较小，中舵主要为保证船舶在滑行中有一定舵效而设。
按舵剖面形状来分
1．平板舵：舵的剖面是直线型的。 2．改良平板舵：在平板舵上敷以木块，其外形与流线型相似。 3．流线型舵：舵的剖面是流线型。 4．整流舵（反应舵）：舵的剖面是对称的流线型。
一．舵压力
1．舵压力产生原理
船舶正舵航行时，舵叶两侧流速对称相等，不产生舵压力。 当操某一舵角：
平行流 附加环流
迎流面, 平等流与附加环流方向 背流面, 平等流与附加环流方向
相反 相同
流速 流速
, 压力 , 压力
舵叶两侧产生压力差
舵升力 舵阻力
PL PD
, 平行于水流 , 垂直于水流
合力为舵的水动力 P
分解舵 舵压 叶力 摩擦: P力N ,
垂直于舵叶剖面 , 亦称舵的正压力 : PT , 平行于舵叶剖面
M P PN l
KARV
2 R
sin
L 2
cos
1 4
KLARVR2
sin
2
——系数，在Beaufoy公式中 K 58.85 。
从上式：当 450 时，舵力转船力矩为最 大，M P M P max。但在实际中，因为舵叶形状等 因素影响，在转头初期，若取 450 ，则系
数 K 常会减小，且阻力增加，舵机功率也要增加 ，故一般船舶极限舵角 s 350 ，超大船舶极 限舵角 s 400 。
舵压力较小。提高舵压力的措施：增加舵叶数目(2 ~ 3), 相应提高展弦比
舵的上下端设挡板, 减少绕流
2．舵的外形及剖面形状的影响
当船尾与舵的间隙较大时，舵的外形对舵压力的影响才较显著。
舵叶水平 平板型 不符合流体运动规律,水阻力大, 舵压力小 截面形状: 流线型(对称机翼状) 符合流体运动规律,水阻力小20%,舵压力大
相对船体斜流 船尾漂角 A
有效舵角 (有效冲角)
舵压力
PN
B．航行中实际舵压力转船力矩
船舶操某一舵角进入圆航后，实际支点应为转心 ，P 则舵压 力转船力矩为：
M P PN lP
l P ——转心 P至舵压力作用线 垂
直距离。
（2）系泊时舵压力转船力矩 M P0
M P0 PN la PN L cos
二．影响舵压力的因素
（一）减低舵压力的流体现象
e (0.195 0.305 sin ) b
式中： e ——舵压力作用点至舵叶前缘（方向取船首为前）
的距离，m；
b ——平板舵的宽度，m。
由估算式可知：
0时, e 20%b 舵压力作用点向舵叶后 缘移动 900 e 0.5b
4．舵前缘的转舵力矩估算
乔塞尔（Jossel）估算式：
VR Vs (1 w)
所以舵压力 PN ： PN船尾舵 PN敞水舵
PN 576.2 AR Vs2 (1 w)2 sin
w ——平均伴流系数；
单桨船 : w 0.50Cb 0.05; 双桨船 : w 0.55Cb 0.20
CN ——舵压力系数（船后舵）
☆ 实际操船中：船舶驶向泊位/锚地时，停车，虽然船舶余