舵套筒形式的全悬挂扭曲舵设计

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基于最大舵阻力减额的扭曲舵设计及性能分析

基于最大舵阻力减额的扭曲舵设计及性能分析
王超;何苗;王国亮;郭春雨
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】2014(000)003
【摘要】扭曲舵的应用能提高推进装置的效率，文章采用了面元法来计算螺旋桨
对舵的影响从而获得了不同舵剖面上的来流攻角，然后以最大附加推力为目的对舵剖面进行扭转，采用迭代处理计算了螺旋桨与桨后扭曲舵的相互干扰的水动力性能。

并对设计出的扭曲舵进行了改良，将舵导边及其前缘进行扭转。

计算结果表明，扭曲舵减小了压差阻力使得舵的总阻力减小，改善了舵的水动力性能，提高了桨舵系统效率；改良后的舵可更好地适应来流，同时减小了舵的摆动幅度，解决了由于叶剖面大幅摆动带来的问题。

【总页数】10页(P238-247)
【作者】王超;何苗;王国亮;郭春雨
【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001; 海军工程大学船舶与海洋工程系，武汉430033;中国舰船研究设计中心，武汉 430064;哈尔滨工程
大学船舶工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】U661.3;U664.36
【相关文献】
1.扭曲舵设计及性能分析 [J], 王友乾;叶金铭;王威
2.基于LMI技术的船舶舵减摇鲁棒控制器设计 [J], 杨鹤;程权成;崔宝影
3.基于硬件在环的舵鳍联合减摇实验系统设计 [J], 宰德广; 周岗; 邹令辉; 陈永冰; 李文魁
4.基于细菌觅食算法的船舶舵减横摇PID控制器设计 [J], 李晨; 陈永冰; 李文魁; 周岗
5.抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析 [J], 叶金铭;王威;于安斌;张凯奇
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扭曲舵设计及性能分析

扭曲舵设计及性能分析王友乾;叶金铭;王威【摘要】The hydrodynamic performance of propeller is analyzed by Star-CCM software.The skew rudder is designed according to the angle of each blade profile in propeller wake field.Transverse force, torque and rudder pressure distribution on the suction surface of skew rudder and ordinary rudder with different rudder angle are calculated to analyze the rudder force performance and cavitation resistance of the skew rudder.The calculation results show that the stress of the skew rudder has improved significantly compared with ordinary rudder.And the initial speed of the rudder cavitation has increased.Besides, the skew rudder improves the direct manipulation performance and steering performance of ship.%对螺旋桨建模及网格划分并在Star-CCM软件里进行水动力性能计算,根据桨的尾流场提取出每个舵叶剖面的扭曲角度、设计的扭曲舵.数值计算了不同舵角下扭曲舵和普通舵所受到的横向力、转矩,以及舵吸力面的压力分布,分析扭曲舵相比普通舵的舵力性能优势及抗空化性能.计算结果表明,扭曲舵的受力状态相对普通舵有明显改善,提高了舵的空化的初始航速,同时对船的直航性和舵的操纵性能有提升.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2017(041)001【总页数】5页(P119-123)【关键词】扭曲舵;Star-CCM;舵水动力性能;螺旋桨;压力分布【作者】王友乾;叶金铭;王威【作者单位】海军工程大学舰船工程系武汉 430033;海军工程大学舰船工程系武汉 430033;海军工程大学舰船工程系武汉 430033【正文语种】中文【中图分类】U661.3水面船的舵布置在螺旋桨后方，螺旋桨尾流场存在旋转分量，普通舵设计未充分考虑螺旋桨旋转尾流特点，导致普通舵在空化、振动及操纵性方面存在一定问题.针对普通舵的这些问题，扭曲舵根据桨后尾流场分布情况在不同高度的剖面偏转一个角度，使之与桨后尾流场有更充分的配合，进而提高和改善船舶的推进和操作性能，改善舵在桨尾流中存在的空化、振动问题.在国内，董国祥[1-5]等对扭曲舵的研究成果表明，扭曲舵[6]在水动力性能、助推效率、抗空化性能方面都优于普通舵，在0°舵角时同时扭曲舵可以明显的减少舵上的横向力和舵轴的转矩，改善舵轴的受力，有利减轻了多轴及舵机系统[7]的负荷.1.1 桨的参数以DTRC4119桨为研究模型，在三维软件solidworks建模，分别用ICEM软件生成结构网格模型和Star-CCM软件生成非结构网格模型，再统一用Star-CCM软件进行边界条件的、湍流模型选择和求解控制参数进行选择和设置，对螺旋桨进行尾流场模拟计算，与试验值对比进行校核本文的精度.DTRC4119桨主尺寸参数见表1.1.2 网格划分用ICEM软件生成的DTRC4119桨的结构网格，见图1.用Star-CCM软件生成的DTRC4119桨的非结构网格见图2.一般而言，结构网格生成质量好，网格的划分比较耗时；非结构网格生成速度快，但计算速度和网格质量与结构网格相比都会下降.1.3 尾流场计算用Star-CCM软件计算螺旋桨DTRC4119在x/R=0.295，r/R=0.7处的速度分布，计算结果与实验的对比，见图3～5.从图3～5可见，2种网格的计算值与实验者吻合比较好，只是在对应于螺旋桨尾涡面的峰值处差距较大，这是由于本文假设尾涡面是零厚度，而在实际流场中，尾涡面是有一定厚度的，因此,实验结果的峰值范围较计算值为宽，在尾涡面内峰值叶较大[8].计算结果表明，结构网格和非结构网格计算结果与实验吻合非常好，Star-CCM软件生成的非结构网格满足水动力性能计算要求，为后面扭曲舵的设计和水动力性能计算做准备.2.1 理论设计扭曲舵的理论设计是在桨的参数基础上确定舵的主要参数，在设计的工况下求出螺旋桨尾流场的诱导速度后，而后进行扭曲舵的设计.在扭曲舵设计中不考虑桨舵之间的相互影响，以及舵对桨尾流场诱导速度的影响.根据舵位置处的桨产生的诱导速度来分析舵的来流速度以及攻角情况.在敞水条件下，采用笛卡尔坐标系，舵的导边到随边为x方向，舵的横向为z方向，舵展长y方向；设螺旋桨转数为n ，入口来流速度为vs，螺旋桨在舵位置产生的诱导速度分别为vx，vy，vz，当舵角为零时，舵叶元体的来流vR为舵叶元体来流水平面上的分量v为根据vx和vz计算出舵叶元体的来流攻角，见图6.β为来流vR在x-z水平面上的分量v与水平线上的夹角；θ为舵的叶元体翼玹与水平夹角，来流攻角为β-θ.2.2 扭曲舵模型设计2.2.1 计算对象在敞水条件下，以某桨的尾流场来设计扭曲舵，桨的主要参数见表2.用Star-CCM对某桨进行非结构网格生成、边界条件设置、湍流模型选择、求解器参数设置.各项数值格式和选项设置见表3.为避免外域对桨内域的干扰，外域尺寸直径为1 400 mm，入口段长度为1 000 mm，出口段为长度为3 400 mm.内外域网格见图7.2.2.2 舵位置处的诱导速度使用Star-CCM对某桨进行水动力性能计算，桨后舵安装位置见图8，选择20个诱导速度采集点见图9.在敞水状况下，用Star-CCM软件计算桨的定常尾流场.外域和桨旋转域总网格数为160万时，舵位置处水平方向诱导速度vx，vz沿舵轴方向分布见图10.根据诱导速度vx和vz计算出扭曲舵每个舵叶元体的扭曲角度.考虑到网格数对尾流场精度计算影响，以及结构网格和非结构网格的计算结果的差别.分别进行5组计算，每一组的网格数或网格类型不同，对比分析设计得到扭曲舵扭曲角度，见图11，L为舵叶展长.由图11可知，不同组计算的扭转度数差距不大，5组计算结果曲线基本吻合，说明单纯改变网格类型及增加网格数量对设计的舵叶元体扭转度数影响不大.文中在扭曲舵设计中，考虑到计算的工况较多，计算量大情况.选择网格数最少的第一组作为计算基础.2.2.3 扭曲舵的建模在不改变普通舵的基本主尺度条件下，对普通舵沿展长方向等分为20站见图12. 根据桨的尾流场计场计算出每站舵叶元扭曲角度，在普通舵的基础上扭转舵叶元体，生成扭曲舵见图13.2.2.4 扭曲舵水动力性能计算桨和舵的计算域见图14.在Star-CCM软件中选择MRF运动坐标系模型，进口边界设定为速度进口条件，出口边界为压力出口，螺旋桨和舵表面为无滑移无边界，旋转域和静止域交界处为交换面.流体假定为恒温不可压缩流体，计算中选SST k-ε湍流模型[9]，对旋转MRF模型初算出流场，再用滑动网格模型[10]完成计算.入口来流速度设置为4.8 m/s，螺旋桨的转速n=1 200 r/min，分别在不同舵角下对普通舵和扭曲舵进行共数值计算.计算工况见表4.3.1 计算结果舵角为负数表示打右舵，正数为打左舵，Fz为舵所受的横向力、M为舵受到的转矩.计算结果见图15.由图15可知，扭曲舵的横向力分布对称性相比普通舵更好，扭曲舵在6个不同舵角中受到的最大转矩为2.8 N·m，普通舵的最大转矩为3.4 N·m.结果表明,扭曲舵可以减轻舵控制结构的负荷，也有利于改善船的操纵性.3.2 舵的横向力一般而言，装配普通舵的船，直航时由于桨尾流的不均匀性，必须打一定舵角才能保证船的直航性能.扭曲舵是根据桨后不均匀尾流场来设计的，在0°舵角时，扭曲舵的横向力为-0.4 N相比普通舵为-45.6 N，数值上相差极大，扭曲舵对船的直航性能改善明显；扭曲舵和普通舵的转矩分别为-0.01,-0.9 N·m，扭曲舵的转矩相比普通舵缩小了90倍.计算结果表明，扭曲舵在0°的受力状态有明显改善，提升船的直航性能.3.3 压力分布计算结果与分析在0°舵角条件下，入口来流速度为4.8 m/s，螺旋桨以1 200 r/min工况下，对普通舵和扭曲舵的压力分布进行比较分析.图16为2种舵的吸力面压力分布.从压力分布图可以看出，扭曲舵的负压力峰值比普通舵明显小，负压峰值分布相比普通舵更均匀，有利于舵的抗空化性能.为了更加清晰地区分扭曲舵和普通舵的负压峰值的分布情况，取负压峰值分布较为集中的y=0.5L 展长向位置的截面进行压力分布比较，见图17.从y=0.5L展长压力分布情况可以比较出，普通舵的负压峰值在-15 kPa左右，而扭曲舵的负压峰值在-10 kPa左右，负压值幅度明显降低，降幅到达33%，表明扭曲舵可以明显的抑制舵空化.文中对扭曲舵和扭曲舵进行数值计算，在相同的计算工况下，比较分析了扭曲舵和普通舵的压力分布，计算结果表明扭曲舵有更好地抗空化性能在相同工况下可以提高舵的空化起始航速.通过对扭曲舵和普通舵在不同舵角情况下的舵力、转矩进行初步分析研究，计算结果表明，在0°舵角时扭曲舵相比普通舵可以明显的减少舵所受的横向力和舵轴的转矩，改善舵轴的受力，有利减轻舵轴及舵机系统的负荷，同时对船的直航性能有很大提高.后续将在现有研究基础上进一步对扭曲舵、桨、船体3者装配下的空泡、操纵性能数值计算分析.【相关文献】[1]董国祥.助推节能扭曲舵的理论预报[J].船舶，1994(6):58-63[2]祝享元，黄胜，郭春雨，等.桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算[J].哈尔滨工程大学学报,2008，29(2)：126-129.[3]刘登成，黄国富.高效扭曲舵水动力特性数值分析[C].第十一届全国水动力学学术会议，中国,无锡:2011.[4]叶金铭，王威，李渊.抗空化扭曲舵设计及力学特性研究[C].2015年船舶水动力学会议，中国,哈尔滨:2015.[5]朱军，曾广会，黄昆仑.扭曲舵的水动力性能特性计算研究[C].2007年船舶力学学术会议暨《船舶力学》创刊十周年纪念学术会议论文集，中国,银川:2007.[6]WANG Chao, HE Miao, WANG Guoliang, et al. Design and performance analysis oftwisted rudder based on the maximum reduction of rudder resistance[J]. Journal of Ship Mechanics,2014(4):55-59.[7]齐慧博.扭曲舵的水动力性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.[8]苏玉民，黄胜.船舶螺旋桨理论[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2003.[9]王超,黄胜,常欣,等.基于滑移网格与RNG k-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究[J].船舶力学,2011,15(7):715-721.[10]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.。

舵的设计 1 船舶设备

2.1 舵面积 Ak
3．常用的方法
❖母型法：
选择在使用中证明具有
与设计船形状、尺寸相近
优良操纵性能的母型船的舵面积比估算设计船所需的舵面积
再根据设计船与母型船在船型、舵型、航速及航区等方面的差异，加以修正。
❖采用一些经验公式来估算
2.1 舵面积 Ak
❖利用船型统计资料选择舵面积
如P26表1-2所提供的各种类型船的值
④按各部位受力的不同分两种情况：
仅承受扭矩作用
弯矩
同时承受
作用
扭矩
4.1舵杆直径的计算
1．对仅承受扭矩作用的舵杆
= M t [ ]
Wp
对圆形截面，其抗扭剖面模数
Wp
d3
16
舵杆直径：
d 3 16Mt
[ ]
[ ] [ ]
1.3
4.1舵杆直径的计算
弯矩M b
2．对同时承受弯弯矩矩M 按第三强度理论扭矩M
➢国际海上人命安全公约规定
2.5转舵速度与最大舵角
3．最大有效舵角的确定 ➢当操舵角超过此值时，不再使这一操纵特性有明显的改善
最大有效舵角 0 0 max
➢要区分：最大转舵角 max
舵叶的临界攻角 k
最大转舵角 max 与舵叶临界攻角k 的关系
转舵角＞位于船尾处舵叶上水流的实际攻角
2.5转舵速度与最大舵角
轴线与舵压力中心的间距，能在不降低舵压力的情况下，减小舵杆扭矩，节省舵机功率。
3．舵压力中心位置随水流的攻角而变化。在正航时，有三种情况，P32图1-18
2.4平衡比e —影响舵机功率大小
1) 欠平衡状态——稳定状态＞临 ✓舵杆轴线位于水压力中心之前， xP a 0 ，M 为“+” ✓在舵压力矩作用下有舵角减小的趋势

舵叶选型及适应性参数优化

舵叶选型及适应性参数优化宋锋，蒋冬华，戴天凌（沪东中华造船（集团）有限公司研发设计院，上海 200129）摘要：船舶航行过程中舵的作用至关重要，除了能保证最基本的航向稳定性和操纵性外，还可以在船舶快速性和经济性方面进行优化。

不同的船型对舵叶性能的侧重不同，则舵叶的设计也会不同。

舵叶的形式分很多种，其固定方式的种类也较多，且舵叶的自身参数受展弦比、舵叶剖面线型、平衡比、舵叶面积等因素的影响。

文章根据实船的需求进行舵叶选型与相应的参数优化，找到其中的内在联系，使性能达到均衡并突出需求。

关键词：操纵性；航向稳定性；展弦比λ；平衡比β；舵叶面积中图分类号：U662.3 文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2019.04.015Selection of Rudder Blade and Optimization ofAdaptive ParametersSONG Feng, JIANG Donghua, DAI Tianling(Design&Research Institute, Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)Abstract: The role of the rudder during the voyage of the ship is essential. It can not only ensure the most basic heading stability and maneuverability, but also optimize the speed and economy of ship. Different ship types have different emphasis on the performance of the rudder blades, and the design of the rudder blade will also be different. There are many types of rudder blades, and there are several types of fixing methods. The parameters of rudder blades involve many factors, such as aspect ratio, rudder blade profile, balance ratio, rudder blade area, etc. According to the requirement of the real ship, the rudder blade selection and the corresponding parameters are optimized to find the internal relationship, so that the performance can be balanced and the demand can be highlighted.Key words: maneuverability; course keeping quality;aspect ratio λ; balance ratio β; rudder blade area.0 引言舵叶按固定方式可分为舵踵支撑的舵、半悬挂舵、全悬挂舵（见图1）。

船舶设计原理_06_船舶总布置设计_0611_舵设备的布置

116.11舵设备的布置6.11 舵设备的布置按照舾装部位，船舶舾装设备有外舾装和内舾装之分。

外舾装也称甲板设备舾装，内舾装也称舱室舾装。

外舾装设备主要包括：舵设备、锚泊和系泊设备、起货设备、救生设备和信号设备等。

本节课程主要介绍舵设备的布置，包括四个部分的内容：一是，舵的分类二是，舵形式的选择三是，舵的形状参数四是，舵的数目及安装位置6.11 舵设备的布置一、舵的分类舵设备主要是指舵,是实现船舶操纵的主要设备。

操舵能使船舶改变航向，把舵置于零舵位则具有稳定航向的作用。

舵可以概括地分为普通舵与特种舵，这里主要介绍普通舵。

普通舵都是被动舵，即在相对来流速度作用下才产生舵力和转船力矩，没有相对来流速度也就没有舵效。

6.11 舵设备的布置一、舵的分类普通舵可以根据不同特点分成下述一些类型。

根据舵的支承情况，分为多支承舵、双支承舵、半悬挂舵和悬挂舵四种。

悬挂舵多支承舵双支承舵半悬挂舵6.11 舵设备的布置一、舵的分类根据舵的剖面形状，可分为平板舵和流线型舵。

除了部分非自航驳船外，绝大多数机动船都采用流线型舵。

6.11 舵设备的布置一、舵的分类根据舵杆轴线在舵宽度上的位置可分为不平衡舵、平衡舵和半平衡舵（即半悬挂式半平衡舵）。

半平衡舵平衡舵不平衡舵6.11 舵设备的布置二、舵形式的选择舵形式的选择与船舶的用途、大小和船尾型线有关，一般有如下规律。

●例如，悬挂式平衡舵适用于中小型船舶，尤其适用于双桨双舵船。

●例如，双支承平衡舵常用于一般运输船舶。

●例如，直接处于舵柱后的双支承或多支承不平衡舵常用于破冰船，一般运输货船大多不设舵柱。

●例如，半平衡舵常用于中高速集装箱船和双桨油船及货船。

从舵与船尾型线配合来区分，双支承以及多支承舵的船尾型线是闭式尾框，悬挂式和半悬挂式舵对应的船尾型线是开式尾框。

6.11 舵设备的布置三、舵的形状参数舵可以作为小展弦比的机翼，其形状可用表征机翼的参数表示。

舵的形状参数的选择需要考虑的主要要素有舵面积，舵的外形，展弦比，平衡系数，厚度比和舵剖面等。

全悬挂舵舵承设计

2019年第6期总第352期造船技术MARINE TECHNOLOGYNo.6Dec.,2019文章编号：1000-3878（2019）06-0001-04全悬挂舵舵承设计张黎，管庆祥，王海波，王运才（大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁大连116011）摘要通过研究，合理设计全悬挂舵舵承，该设计可节约空间并减小舵系设备质量。

从常规及嵌入式舵承受力计算分析、嵌入式舵承结构设计、嵌入式舵承润滑设计和舵承止推设计等4个方面对全悬挂舵舵承的设计方法进行探究，掌握其设计方法，并对嵌入式舵承止推进行计算校核，保证舵承设计的合理可靠。

该设计方法可为采用全悬挂舵船舶的舵承提供设计参考。

关键词全悬挂舵;舵套筒；嵌入式舵承;润滑;止推中图分类号U664.36文献标志码ADesign of Rudder Carrier of Full Spade RudderZHANG Li,GUAN Qingxiang,WANG Haibo,WANG Yuncai(Design and Research Institute,Dalian Shipbuilding Industry Co.，Ltd.，Dalian116011,Liaoning,China)Abstract Through the research,the rudder carrier of full spade rudder is reasonably designed,and the design can save the space and reduce the weight of the equipment.The design method of full spade rudder carrier is explored from the aspects of force calculation and analysis of conventional and embedded rudder carrier,structure design of embedded rudder carrier, lubrication design of embedded rudder carrier and stopper design of embedded rudder carrier, so as to master its design method.Through the strengthen design and calculation check of the embedded rudder carrier,the design of the rudder carrier is ensured to be reasonable and dependable.This design method can provide reference for the rudder carrier design of the vessel adopting full spade rudder.Key words full spade rudder；rudder trunk；embedded rudder carrier；lubrication；stoppero引言目前船舶市场普通船舶通常选用半悬挂平衡舵，舵承布置在位于舵机甲板上方的舵承座上。

2018-05舵设计

襟翼舵
转柱舵
船海系：邱磊
按支承情况可分为
《船舶操纵性与耐波性》课件
多支承的舵
半悬挂舵
双支承舵
与船体尾柱连接有三个以上的舵钮，
下支承的位置在舵的半高处，
悬挂舵
整个舵叶挂在舵杄上
除上支承外，只有一个生在舵根的下支承
船海系：邱磊
舵的类型(Rudder types)
《船舶操纵性与耐波性》课件
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。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。
船海系：邱磊
影响舵力大小的因素
《船舶操纵性与耐波性》课件
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展舷比（即高宽比、纵横比）密切相关。展弦比越大，提高了小舵角的航向保持性。但过大，将导致临界舵角变小，从而引起过早失速。展弦比一般选择在1.4~1.9之间。
舵的鳍效应改善了船舶直线稳定性，也提高了操舵后船舶进入新航向的跟从性。
船海系：邱磊
对舵力的简单分析
《船舶操纵性与耐波性》课件
δ——舵角（°）
PN PR PL
PL——升力（N） PD——阻力（N） PR——舵力（N）
PD
（ -）
PT
δ
（+）
PN——正压力（N） PT——摩擦力（N）
PN 576 .2 AR V sin
船海系：邱磊
舵的鳍效应(the stabilizer fin effect of rudder)
《船舶操纵性与耐波性》课件
舵作为附体，产生阻力，当船舶回转时，舵产生回转阻尼力矩。若舵角为零，舵与呆木一样，起固定式尾鳍的作用，对直线稳定性有利；当操了一定的舵角，船舶进行回转运动时，随着水流的偏转，舵的有效攻角小于实际舵角，减少了舵力和转船力矩，这部分差额相当于被舵的回转阻尼力矩抵消，该回转阻尼作用是舵阻尼，也可称为舵的鳍效应。

扭曲舵+舵球节能效果数值模拟

扭曲舵+舵球节能效果数值模拟邱云锋;白明根;邰宜峰【摘要】基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),对1艘海上油田环保作业船自航进行数值模拟,从推进效率和流动细节上对比分析平板舵方案和扭曲舵+舵球组合方案的差异.计算采用RANS方法结合滑移网格法处理螺旋桨旋转运动,数值模拟得到的转速、推力和扭矩与试验数据吻合较好.计算结果显示:采用扭曲舵+舵球方案可降低螺旋桨尾流区旋涡强度,减小舵导边附近的高压区,提高推进效率.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】5页(P1-4,37)【关键词】节能装置;扭曲舵+舵球;计算流体动力学;滑移网格法【作者】邱云锋;白明根;邰宜峰【作者单位】上海船舶研究设计院,上海201203;上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海船舶研究设计院,上海201203【正文语种】中文【中图分类】U664.360 引言近年来，随着绿色船舶概念的深入，节能装置的开发和应用成为船舶工程领域的研究热点。

目前，已有多种形式的节能装置被应用到实船上，并取得良好效果，如桨前节能导管、伴流补偿导管、桨后毂帽鳍、舵球、扭曲舵等。

这些装置的节能原理不尽相同，但都是通过提高螺旋桨的推进效率或船身效率达到节能效果。

为获得更好的节能效果，有时会将多种节能原理不同的节能装置组合使用。

由于节能装置之间存在流动的相互干扰现象，节能装置组合使用时的节能效果评估一直是节能装置开发的难点之一。

此外，节能装置组合使用的节能原理及其对船舶周围流场的影响尚待研究。

扭曲舵相当于一个固定导叶被置于螺旋桨尾流中，通过降低舵的阻力提高推进效率[1-2]。

舵球可改善螺旋桨毂涡，降低螺旋桨桨毂阻力[3-4]。

这两种装置的节能原理不同，组合使用可能获得更高的推进效率。

但是，目前关于扭曲舵和舵球的研究大部分是单独考虑各自的效果，针对扭曲舵和舵球组合方案的研究工作较少。

舵叶节能设计简介

基础科技船舶物资与市场 231 舵叶对船体的作用国际航线，远洋运输的船舶，航行在开阔水域，受风浪影响较大，对航向稳定性要求较高。

内河航线，短程运输的船舶，如在港口工作的船舶或者在内河狭窄航道中航行的船舶，需要频繁的转向、调头、对回转性要求较高。

不论是保持航向稳定，还是快速改变航向、调头，都必须靠船舶的操纵装置来实现。

应用最广的，被大家所熟知的船舶操纵装置就是安装于船舶尾部，螺旋桨后方的舵叶[1]。

舵叶的转船力矩和对船舶的回转作用（见图1）。

当向右转舵时，转角α，此时水流作用在舵上一个水压力F ，这个力可以分解为2个分力，分力F D 与船中线平行且和航行方向相反，它增加了航行阻力，使船速有所下降。

分力F L 与船中线垂直指向船的左侧，它产生一个转船力矩M ，使船绕重心G 向右回转。

左转舵时船向左转，右转舵时船向右转。

如果保持一定舵角不变，船便沿着圆形轨迹运动。

当船舶预定沿着一定方向作直线航行时，由于海洋中水流、波浪和风的作用，总是会不断地偏离原定的航线。

为了纠正方向的偏差，就得不断地转舵控制船舶的运动。

所以，即使计划沿一定方向作直线航行，它实际上行驶的路线还是一条曲线。

曲线越靠近直线，表明船的航向稳定性越好。

舵叶节能设计简介王威（南通远洋船舶配套有限公司大连分公司，辽宁大连116052）摘要：随着人类社会的发展，能源消耗与日剧增。

“节能”越来越被人们重视,相应的节能产品层出不穷，各行各业都有。

海洋运输量在国际贸易货物运输总量中占80%左右，船舶的运营消耗大量能源，不仅是高成本，同时也是高消耗，节能高效船舶备受各国船东青睐。

怎样提高船舶效率、节约能源，各国船舶行业专家通过不同的方式达到目的。

比如改善船体线型、改善船舶艏部设计、改善船舶艉部装置相关设计等。

通过设计改善，节能舵叶在提高船舶效率、节约能源中作出较大的贡献。

关键词：舵叶；节能；设计改善中图分类号：U664 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2020.11.010［引用格式］王威.舵叶节能设计简介[J].船舶物资与市场,2020,(11):23-24.收稿日期：2020-09-22作者简介：王威（1986-），女，学士，工程师，研究方向为船舶舵叶设计。

方向舵悬挂的设计研究

方向舵悬挂的设计研究作者：何晓春梁芳明陈丽媛来源：《科技视界》 2013年第32期何晓春梁芳明陈丽媛（中航工业陕西飞机工业〈集团〉有限公司，陕西汉中 723213）0 引言某某型机研制中，在某某台架上进行操纵系统试验时，发现方向舵有下沉现象。

这一现象反映在方向舵悬挂支臂与方向舵前缘开口上下间隙偏离，即上间隙小，下间隙大。

在飞机结构部件对接装配后，再次出现同样问题。

值得注意的是，当方向舵与其操纵系统相连后，“下沉”消失，方向舵恢复正确位置。

这说明方向舵受到操纵系统上顶作用。

从“下沉”到“恢复”，从个别到一般，反映出方向舵及其操纵系统，无论是原形机还是改型机，都存在设计问题甚至潜在的隐患。

1 方向舵下沉原因可以肯定地说，方向舵下沉是在自重作用下，由于悬挂支臂刚度太差造成的。

方向舵由四个支臂悬挂在垂直尾翼安定面后梁上，支臂通过关节轴承与舵面梁上的接头相连。

支臂成为一端固支的悬臂梁，方向舵的重力完全由这四个悬臂梁承担。

由于支臂较长，与安定面后梁的固定较弱，支臂截面也不利于承受垂直方向的弯矩，致使在方向舵重力作用下支臂末端产生较大的挠度。

虽然新型机方向舵悬挂支臂由原来的三个增加到四个，但由于新型机的方向舵重量大幅度增加，悬挂支臂加长，且截面垂向弯曲刚度未加大，所以下沉量明显增大。

为什么安装操纵系统后，方向舵又恢复其正常位置呢。

这是由于方向舵操纵系统的管轴安装是以机体结构为基准的，它要保持正确的安装位置，就必然与下沉的方向舵发生干涉，在管轴上端与方向舵转轴相连时，将方向舵上顶，并使其恢复到正确位置。

方向舵恢复到正确位置，表面上看是好事，实际却存在着隐患。

首先，方向舵转轴上端与一径向轴承相连，这种轴承理论上不承受轴向力，实际可以承受很小的轴向力。

一旦轴向力较大，轴承内环将脱离外环，致使不能转动或难以转动。

第二，方向舵转轴与方向舵结构之间，在四个悬挂交点处没有任何连接可以传递轴向载荷（垂向载荷），管轴上顶的力不可能由转轴直接传给方向舵。

大型全悬挂舵几何要素值的选取

大型全悬挂舵几何要素值的选取GUAN Qing-xiang;WANG Hai-bo;ZHANG Li【摘要】分别以舵套筒插入舵叶深度比和舵叶的展弦比为变量,推导全悬挂舵的舵力、舵扭矩、舵杆直径和舵套筒直径的数学表达式.根据函数性质、函数极值和函数曲线,选取较佳的舵套筒插入深度比和展弦比几何要素.该选取方法可作为大型全悬挂舵的设计参考依据.【期刊名称】《船舶与海洋工程》【年(卷),期】2019(035)003【总页数】5页(P48-52)【关键词】全悬挂舵;展弦比;舵套筒插入深度比【作者】GUAN Qing-xiang;WANG Hai-bo;ZHANG Li【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】U664.360 引言随着船舶逐渐朝高性能化方向发展，全悬挂舵的应用越来越广泛。

船级社的规范和规则虽然对全悬挂舵的设计有一些指导和要求，但还需设计人员对其进行深入研究。

全悬挂舵设计的难题之一是合理设计舵杆和舵套筒结构[1]，舵杆直径过大会导致舵叶厚度比过大，进而导致舵叶受到的阻力增大，使船舶的推进能效降低。

对于大型全悬挂舵而言，为减小舵杆直径，仅依靠高强度锻钢材料是不够的，还必须把舵杆和舵套筒插入舵叶内部，减小舵杆在下舵套处承受的弯矩。

对于主尺度确定的船舶而言，当船东对其操纵性的要求未超出国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）标准的要求时，其所需的舵叶面积基本上是确定的。

在固定舵叶面积的基础上需选取合适的几何要素，从而使全悬挂舵既满足高性能要求，又具有适宜的舵杆和舵套筒直径，进而降低船舶的运营成本。

1 几何要素定义舵套筒插入舵叶内部的全悬挂舵结构简图见图1。

由于在进行舵系受力分析时均可采用平均舵叶宽度的方法将梯形舵叶简化为矩形舵叶，因此本文直接采用矩形舵叶进行公式推导，从而降低计算的复杂度。

全悬挂舵主要几何要素和力学参数分别见表1和表2。

图1 舵套筒插入舵叶内部的全悬挂舵结构简图表1 主要几何要素舵叶面积舵叶高度舵叶宽度舵套筒插入深度比展弦比舵杆下端直径A=hw h w i=h1/h λ=h/w Dc表2 主要力学参数舵力舵扭矩下舵套舵杆弯矩舵套筒剪切力舵套筒弯矩F Q M Ft Mt受各种实船条件的限制，舵套筒插入深度比i的极限范围通常为0～0.5，展弦比λ的极限范围通常为1～2[2]。