舵套筒形式的全悬挂扭曲舵设计

舵叶面积的选择，往往按照艉部结构的空间选择；对于舵套筒形式的全悬挂扭曲舵舵叶的选择，只要满足经
验公式即可，这样其舵叶高度比普通半悬挂平衡舵小，在舵叶上方应设置呆舵，以满足线型连续的结构特点。
1.2 舵力和舵叶扭矩的计算 舵套筒形式的全悬挂扭曲舵的舵叶没有切口，按照船级社规范[2]，舵力CR和舵扭矩QR的计算式为
摘要：从舵系计算及舵叶、呆舵、舵杆、舵套筒和舵承的设计等方面出发，对舵套筒形式的全悬挂扭曲舵进行优
化设计。利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）软件计算分析，确保整个舵系设计达到预期
效果。
关键词：悬挂舵；扭曲；呆舵；舵套筒
中图分类号：U664.36
文献标志码：A
NAVAL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程 2019 年第 35 卷第 4 期（总第 128 期） DOI：10.14056/j.cnki.naoe.2019.04.001
设计与研究
舵套筒形式的全悬挂扭曲舵设计
张 黎，王海波，管庆祥，王运才
（大连船舶重工集团设计研究院船研所，辽宁 大连 116005）
文章编号：2095-4069 (2019) 04-0001-06
Design of Fully Suspended Twisted Rudder with Rudder Trunk
ZHANG Li, WANG Hai-bo, GUAN Qing-xiang, WANG Yun-cai
(Merchant Ship and Offshore Design and Research Institute, Dalian Shipbuilding Industry Design & Research Institute, Dalian 116005, China)
舶轴系舵系设计工作。
2
船舶与海洋工程 2019 年第 4 期
分析。本文的舵系计算主要依据 DNV GL 的规范，特殊情况下还需利用力学计算的直接方法，根据计算结
果确定舵系设计所需的舵型参数。舵系计算内容如下：
1.1 舵叶面积的选择 舵叶面积一般可按照经验公式、成熟的类似船型和现有的图谱进行参考选择[1]。对于普通半悬挂平衡舵
0引言
大型船舶的舵系通常选用半悬挂平衡舵，舵叶剖面为对称剖面，用舵杆和舵销对舵叶进行连接，艉部 采用挂舵臂的形式。与之相比，舵套筒形式的全悬挂扭曲舵能显著提高船舶的推进效率，适应船舶快速性 和节能降耗的需要；同时，其舵叶剖面采用扭曲的形式，可减少空泡腐蚀。基于以上考虑，舵套筒形式的 全悬挂扭曲舵逐渐在很多船舶上得到应用。由此，需对舵套筒形式的全悬挂扭曲舵的设计进行探究。该舵 系主要由舵叶、舵套筒、舵杆、舵承、呆舵和其他附件组成，与普通半悬挂平衡舵的设计相比，舵套筒和 舵叶的设计是其核心，舵杆、舵承和呆舵的设计也有其特点，本文着重讨论舵套筒形式的全悬挂扭曲舵的 设计及优化。
1.5 舵叶板厚计算
舵叶板主要分为顶板、底板、舵旁板、前导边板、水平隔板和垂直隔板。不同位置处的舵叶板应采用
不同的厚度。舵叶毂铸件区域的板应按照船级社规范的要求进行加厚。一般来说，舵叶钢板采用普通的船
用钢板，对于超大型集装箱船的高效舵而言，其舵叶板材推荐采用船用高强度钢板。
Abstract: Design optimization of the fully suspended twisted rudder with rudder trunk is carried out on the rudder system calculation and the design of rudder blade, skeg, rudder stock, rudder sleeve and rudder bearing. The CFD software is used in the calculation and analysis to make sure that the holistic rudder system design meets the performance expectation. Key words: suspended rudder; twisted; skeg; rudder trunk
1 舵系计算
无论是半悬挂平衡舵的设计还是舵套筒形式的全悬挂扭曲舵的设计，都需在设计之前对舵系进行计算
收稿日期：2018-01-15 基金项目：工信部高技术船舶科研计划支持项目（工信部联装[2016]25 号） 作者简介：张黎，男，高级工程师，1982 年生。2004 年毕业于合肥工业大学机械设计制造及其自动化专业，现主要从事船
0.66； k Af / A ， Af 为舵杆中心线前方舵叶面积。 1.3 舵杆直径和应力分析
舵杆直径按照船级社规范[2]计算，舵杆的应力应满足的要求为
b 10 200M / dc3
(3)
t 5 100QR / dc3
(4)
vm
2 b
3
2 t
118 /
k
(5)
式(3)~式(5)中： b 为弯曲应力； t 为剪切应力； vm 为冯米塞斯应力；M 为弯矩，N·m；dc 为舵杆直径， mm；QR 为舵扭矩，N·m；k 为舵杆材料系数。
1.4 舵套筒应力分析
舵套筒最下方的衬套区域是受力变形最大的区域，应对该区域进行校核分析，即
b MT / WT 80 / k
(6)
QT / AT 50 / k
(7)
vm
2 b
3 2
0.35ReH
(Leabharlann Baidu)
式(6)~式(8)中：MT 为舵套筒底部弯矩，N·m；WT 为剖面模数，mm3；QT 为剪切力，N；AT 为剖面面积，N·m； ReH 为舵套筒最小屈服强度；N/mm2；k 为舵套筒材料系数。
CR 132K1K2 K3 Av2
(1)
QR CR r
(2)
式(1)和式(2)中：A 为舵叶面积，m2；v 为夏季载重线吃水下最大服务航速，kn；K1、K2 和 K3 为舵系数；
r=max(c(α-k),0.1c)为正车条件，c(α-k)为倒车条件，m；c 为舵叶平均宽度，m； 为正车取 0.33，倒车取