第5章 船舶操纵设备1
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船舶结构与设备
航海学院船艺教研室
第五章 船舶操纵设备
1 2 3 第一节 舵设备的作用及组成 第二节 舵力转船力矩及极限舵角 第三节 舵的类型和结构
4
5 6
第四节 舵机和转舵装置
第五节 操舵装置的控制系统 第六节 自动舵
第五章 船舶操纵设备
7 8 9 第七节 自适应自动舵和航迹舵 第八节 操舵要领及注意事项 第九节 舵设备的检查、保养与试验
第三节 舵的类型和结构
6）组合舵（unit rudder）：也称希林舵或工字型 舵。在流线型舵叶的上下两端各安装一块制流板， 可减少舵叶两端的绕流损失，而进一步改善舵的流 体动力性能，特别适用于内河、运河和限制航道水 域船舶的小展舷比的舵型（舵高h与舵宽b的比值称 为展舷比）。其舵角可以在±75°范围内使用，在 低速时船舶的操纵性能较为优越，如采用双舵并异 步控制可提供向后的推力，无需倒车装置，如采用 首推器可与此种双舵配合可以实现船舶横向平移。
第三节 舵的类型和结构
图 5-13 齿轮襟翼式舵
1-舵叶（rudder blade）； 2-位于舵杆筒内的舵杆（Rudder stock in rudder trunk）； 3-襟翼（flap）； 4-铰轴（hinge line）； 5-舵机（steering engine）； 6-舵机座（steering engine foundation）； 7-密封套与轴承（gland and bearing）； 8-舵顶（rudder dome）； 9-舵承（rudder carrier） 10-转动襟翼的传动装置（flap actuator）
第三节 舵的类型和结构
航海舵（mariner rudder）1124z
第三节 舵的类型和结构
3. 按舵叶的剖面形状（舵板的数量 ）分类 1）平板舵（flat-plate rudder） 又称单板舵。舵叶是一块钢板或在钢板上两面交替安 装的横向加强筋（舵臂）等构成。 仅用于帆船、小艇上。 舵效随着舵角的增大变坏，失速现象发生得早，且 阻力大。
第三节 舵的类型和结构
二、选择舵剖面和外形的原则 1.一定的舵面积，所产生的转船力矩越大越好。 2.用小舵角，即能纠正航向上的偏差，尽量选 用较大的展弦比或设法减少翼端扰流损失，如采用 具有上下制流板的希林舵。 3.转舵力矩越小越好，以便减少舵机的功率。 为此可以采用半平衡舵、平衡舵。 4.阻力要小，为此一方面要选用反应舵、迎流 反应舵以增进推进效率，另一方面选用剖面时要注 意其阻力系数曲线变化越低越好。
第三节 舵的类型和结构
4）反应舵（reaction rudder）：又称迎流舵，它 以螺旋桨的轴线为界，舵叶的上下线型分别向左右 扭曲一些，使由螺旋桨射出的水流对舵没有冲击作 用，而离开舵时呈直线向后流去。结果舵居中时舵 的上下两部分具有舵压力，且具有向前的分力，助 船推进，即能从尾流中收回一部分旋转的动能增加 推力。 图 5-14 反应舵
1-舵装置（rudder）；2-转舵装置（steering device）； 3-舵机（steering engine/ gear） ； 4-操舵装置的控制装置（steering gear controller）
舵装置：位于螺旋桨的后方。 操舵装置：舵机和转舵装置统称为操舵装置，均装 于船尾舵机舱内。 操舵装置的控制装置：位于驾驶台（或舵机室）。 操舵系统：舵手转动舵轮或扳动操舵手柄（或应急 装置），启动液压或电力操舵装置，即可控制舵机 正转、反转及停止。再经转舵装置传到舵装置，驱 动舵叶转动。
第三节 舵的类型和结构
一、舵的类型
第三节 舵类型和结构 1.按舵杆的轴线位置分类 （1）不平衡舵（unbalanced rudder） 又称普通舵。舵叶面积全部在舵杆轴线（导边）的后方。 舵压力中心至舵轴的距离较大，有利于保持航向稳定性。 所需转舵力距大，海船上很少见，用于沿岸航行的小驳船。
第三节 舵的类型和结构
4）半悬挂舵（partially under-hung rudder） 上半部支承在舵柱或挂舵臂处舵钮上，而下半部支承在舵叶 的半高处。一般为半平衡舵。
第三节 舵的类型和结构
图 5-7 舵的主要类型
半平衡舵 半悬挂舵 悬挂舵 不平衡舵 多支承舵 三支点平衡舵 穿心舵轴平衡舵 双支承舵
第三节 舵的类型和结构
图 5-5 舵的类型（按舵杆的轴线位置分）
a-不平衡舵
b-平衡舵
c-半平衡舵
d-平衡悬挂舵
第三节 舵的类型和结构
2.按舵叶的支承情况分类
1）双支承舵（double bearing rudder） 有两个支承点的舵。支承点可为舵承、舵托等。 上支承点一般是在船体上。 下支承点对于双支承的平衡舵，是在舵叶下端的舵托处， 对于双支承的半悬挂/半平衡舵，是在舵叶的半高处。
第三节 舵的类型和结构
图 5-16 组合舵
第三节 舵的类型和结构
第三节 舵的类型和结构
现阶段海运船舶上比较流行的舵为平衡悬挂 舵（balanced spade type rudder）、襟翼舵 （flap rudder）、航海舵（mariner rudder）和 鱼尾舵（fishtail rudder）。
第三节 舵的类型和结构
5）鱼尾舵（fishtail rudder）：比较有代表性的 是平衡比度为0.2的麦柯里针型舵，鱼尾舵主要用 在船速较低的船舶上，水流流过舵叶的尾部时摩擦 力增加，使舵像一个尾部的侧推器，为围绕舵的水Βιβλιοθήκη Baidu体提供了额外的拉力，有助于提高船舶的操纵性能。 图 5-15 鱼尾舵的俯视图
第三节 舵的类型和结构
4．特种舵 1）整流帽舵（bulb-type rudder）
又称导流帽舵 / 导流罩舵。在普通流线型舵的正对螺旋桨的 轴线延长部位，加一个流线型的圆锥体，俗称整流帽 / 导流 帽 / 导流罩。 整流帽舵作用：有利于改善螺旋桨后的水流状态，从而提高 螺旋桨推进效率。
第三节 舵的类型和结构
10
第十节 船用螺旋桨
第一节 舵设备的作用及组成
第一节 舵设备的作用与组成 一、舵设备的作用 作用：船舶在航行中按驾驶人员的意图保持和改变航向、 旋回运动的工具。 功能：利用流经船舶和舵面的水的作用力，在船尾产生 一个横向的舵力，从而使船转动。 二、舵设备的组成 1.舵装置（rudder）：舵叶、舵杆、舵承。 2.操舵装置（steering gear） ：舵机与转舵装置（传动 装置）。 3.操舵装置的控制装置（steering gear controller） 4.其它附属装置（auxiliary equipment）
第三节 舵的类型和结构
2）多支承舵（multi-pintle rudder） 多于两个支承点的舵。支承点可为舵承、舵钮、舵托等。 有三个以上的舵钮用舵销与尾柱连接，一般为不平衡舵， 除船体内的支承外，舵的重量主要由舵托支承。
第三节 舵的类型和结构
3）悬挂舵（under-hung/spade rudder） 船舶内部设仅有上支承，无下支承。舵叶悬挂于船体下面。 舵杆受弯矩大，常用作多舵船的边舵。 这种类型的舵从上往下逐渐变窄。
第三节 舵的类型和结构
图 5-9 平板舵
1-上舵杆（upper rudder stock）； 2-连接法兰（coupling flange）； 3-舵臂（rudder stay）； 4-舵板（rudder plate）； 5-上舵销（upper rudder pin）； 6-中间舵销（mid rudder pin）； 7-下舵销（lower rudder pin）； 8-下舵杆（lower rudder stock）
导边
随 边
第三节 舵的类型和结构
（2）平衡舵（balanced rudder） 舵叶面积部分在舵杆轴线的前方。用舵时起到平衡作用。 舵压力中心靠近舵轴，所需转舵力距小，便易于操舵， 减少了舵机所需的马力，可选择小型舵机。 目前海船上广泛应用。 缺点：舵在工作时容易摆动，不利于航向稳定性。 平衡比度/系数：部分面积与全部面积之比，一般为0.2-0.3。
3）襟翼舵（flap-type rudder）
又称可变翼形舵。仿效飞机的襟翼，在普通 主舵叶后缘装一个称为襟翼的副叶组成。 当主舵叶转动一个角度时，副舵叶绕主舵叶 的后缘同向转出一个更大的角（襟角），产生更 大的流体动力。 襟翼舵作用：有助于使船舶获得较大的转船力矩， 提高了舵效或减小了舵杆扭矩，所需舵机功率小。 使用襟翼舵，航向改变可以用较小的舵角，使船 舶改向时失速较小，从而减少了油耗。 缺点：价格偏高，维护保养要求也比较高。
所受力矩为：
当船长、舵叶面积、舵速一定时，转船力矩随舵角 而变。对于一般的海船来说，舵角约等于32～35度 左右，可达到最大值。若再增大时，反而下降，故 除了特种舵外，一般把等于32～35度称为使用极限 舵角。船上对此使用了止舵器或限位器，能使舵角 不超过35度。
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
极限舵角总结： 舵角为25～32度时，舵效最好。海船极限舵 角一般为32～35度。超大型船舶的极限舵角一般 为35～40度。
第三节 舵的类型和结构
（3）半平衡舵（semi-balanced rudder） 舵叶的上半部分做成不平衡舵，下半部分做成平衡舵。 半平衡舵与尾柱连接在一起，使舵比较坚固可靠， 有利于保持航向的稳定性，比较适合于大型船舶。 当前比较流行的航海舵（mariner rudder）就属于半平衡舵。 平衡比度介于平衡舵和不平衡舵之间，一般为小于0.2。
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
下面仅给出乔塞尔 （Joessel）普通舵实验时的近 似计算式： 107 .23S V 2 sin
P
R R
0.195 0.305 sin
(N )
L 107 .23S RVR2 sin 2 M P d P cos (N ) 2 4 (0.195 0.305 sin )
2）主动舵（active rudder）
舵叶后端装一个导（流）管，导管内设小螺旋桨（导管推进器）
主动舵作用：转舵时可发出推力，增加船舶的转向能力；另 适用于对操纵能力要求高、靠离码头比较频繁的船舶，例如
引水船、渡轮、科学考察船等。
外，即使是在低速甚至停车时，操作小螺旋桨仍可得到转头力， 推船缓行，大大提高了船舶的操纵性。
第三节 舵的类型和结构
5.在最大航速及最大舵角范围内，舵本身无空 泡现象发生，为此舵的导边越肥越好。 6.选择舵的外形应尽可能符合强度的要求，如 悬挂舵采用上底大下底小的梯形等。 7.注意工艺简便，一般宜采用长方形等等。
第三节 舵的类型和结构
三、舵的结构
现代商船的舵多采用复板的空心流线型舵，一般流线型 平衡舵的结构主要由舵叶、舵杆、舵承三部分组成。
第三节 舵的类型和结构
2）流线型舵（streamline rudder）又称复合舵。
舵叶内部以水平隔板和垂直隔板作为骨架。 舵叶外部用钢板制成水密的空心体。 水平剖面呈机翼形。 阻力小，升力大，舵效高，所需的转舵力矩大，构造比较 复杂，但应用广泛。
1-舵杆（rudder stock）； 2-舵板（rudder plate）； 3-水平加强筋（horizontal stiffener）； 4-焊接衬板（welding bracket）； 5-垂直加强筋（vertical stiffener）； 6-吊舵孔（lifting rudder hole）
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
舵力产生的原因：舵叶两面流体速度不等，压力不 等 图 5-4 流线型舵的受力分析
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
根据流体力学中的机翼理论原理，当施右舵角 后（如图5-4所示），流过舵叶两面的水流速度发 生变化，左侧流速加快，右侧流速减慢，从而舵叶 两侧间产生垂直于舵叶的压力差，此时水流对舵叶 产生的摩擦阻力，与压力的合力即构成为舵力。 舵力的大小与舵角、舵叶面积、舵速和舵断面 积形状等因素有关。 将舵力按船舶首尾方向与其垂直方向分解，则 可得起横向作用的升力A与对航进起阻力作用的阻 力W。 使船产生转头的力就是舵压力。
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第五章 船舶操纵设备
1 2 3 第一节 舵设备的作用及组成 第二节 舵力转船力矩及极限舵角 第三节 舵的类型和结构
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第四节 舵机和转舵装置
第五节 操舵装置的控制系统 第六节 自动舵
第五章 船舶操纵设备
7 8 9 第七节 自适应自动舵和航迹舵 第八节 操舵要领及注意事项 第九节 舵设备的检查、保养与试验
第三节 舵的类型和结构
6）组合舵（unit rudder）：也称希林舵或工字型 舵。在流线型舵叶的上下两端各安装一块制流板， 可减少舵叶两端的绕流损失，而进一步改善舵的流 体动力性能，特别适用于内河、运河和限制航道水 域船舶的小展舷比的舵型（舵高h与舵宽b的比值称 为展舷比）。其舵角可以在±75°范围内使用，在 低速时船舶的操纵性能较为优越，如采用双舵并异 步控制可提供向后的推力，无需倒车装置，如采用 首推器可与此种双舵配合可以实现船舶横向平移。
第三节 舵的类型和结构
图 5-13 齿轮襟翼式舵
1-舵叶（rudder blade）； 2-位于舵杆筒内的舵杆（Rudder stock in rudder trunk）； 3-襟翼（flap）； 4-铰轴（hinge line）； 5-舵机（steering engine）； 6-舵机座（steering engine foundation）； 7-密封套与轴承（gland and bearing）； 8-舵顶（rudder dome）； 9-舵承（rudder carrier） 10-转动襟翼的传动装置（flap actuator）
第三节 舵的类型和结构
航海舵（mariner rudder）1124z
第三节 舵的类型和结构
3. 按舵叶的剖面形状（舵板的数量 ）分类 1）平板舵（flat-plate rudder） 又称单板舵。舵叶是一块钢板或在钢板上两面交替安 装的横向加强筋（舵臂）等构成。 仅用于帆船、小艇上。 舵效随着舵角的增大变坏，失速现象发生得早，且 阻力大。
第三节 舵的类型和结构
二、选择舵剖面和外形的原则 1.一定的舵面积，所产生的转船力矩越大越好。 2.用小舵角，即能纠正航向上的偏差，尽量选 用较大的展弦比或设法减少翼端扰流损失，如采用 具有上下制流板的希林舵。 3.转舵力矩越小越好，以便减少舵机的功率。 为此可以采用半平衡舵、平衡舵。 4.阻力要小，为此一方面要选用反应舵、迎流 反应舵以增进推进效率，另一方面选用剖面时要注 意其阻力系数曲线变化越低越好。
第三节 舵的类型和结构
4）反应舵（reaction rudder）：又称迎流舵，它 以螺旋桨的轴线为界，舵叶的上下线型分别向左右 扭曲一些，使由螺旋桨射出的水流对舵没有冲击作 用，而离开舵时呈直线向后流去。结果舵居中时舵 的上下两部分具有舵压力，且具有向前的分力，助 船推进，即能从尾流中收回一部分旋转的动能增加 推力。 图 5-14 反应舵
1-舵装置（rudder）；2-转舵装置（steering device）； 3-舵机（steering engine/ gear） ； 4-操舵装置的控制装置（steering gear controller）
舵装置：位于螺旋桨的后方。 操舵装置：舵机和转舵装置统称为操舵装置，均装 于船尾舵机舱内。 操舵装置的控制装置：位于驾驶台（或舵机室）。 操舵系统：舵手转动舵轮或扳动操舵手柄（或应急 装置），启动液压或电力操舵装置，即可控制舵机 正转、反转及停止。再经转舵装置传到舵装置，驱 动舵叶转动。
第三节 舵的类型和结构
一、舵的类型
第三节 舵类型和结构 1.按舵杆的轴线位置分类 （1）不平衡舵（unbalanced rudder） 又称普通舵。舵叶面积全部在舵杆轴线（导边）的后方。 舵压力中心至舵轴的距离较大，有利于保持航向稳定性。 所需转舵力距大，海船上很少见，用于沿岸航行的小驳船。
第三节 舵的类型和结构
4）半悬挂舵（partially under-hung rudder） 上半部支承在舵柱或挂舵臂处舵钮上，而下半部支承在舵叶 的半高处。一般为半平衡舵。
第三节 舵的类型和结构
图 5-7 舵的主要类型
半平衡舵 半悬挂舵 悬挂舵 不平衡舵 多支承舵 三支点平衡舵 穿心舵轴平衡舵 双支承舵
第三节 舵的类型和结构
图 5-5 舵的类型（按舵杆的轴线位置分）
a-不平衡舵
b-平衡舵
c-半平衡舵
d-平衡悬挂舵
第三节 舵的类型和结构
2.按舵叶的支承情况分类
1）双支承舵（double bearing rudder） 有两个支承点的舵。支承点可为舵承、舵托等。 上支承点一般是在船体上。 下支承点对于双支承的平衡舵，是在舵叶下端的舵托处， 对于双支承的半悬挂/半平衡舵，是在舵叶的半高处。
第三节 舵的类型和结构
图 5-16 组合舵
第三节 舵的类型和结构
第三节 舵的类型和结构
现阶段海运船舶上比较流行的舵为平衡悬挂 舵（balanced spade type rudder）、襟翼舵 （flap rudder）、航海舵（mariner rudder）和 鱼尾舵（fishtail rudder）。
第三节 舵的类型和结构
5）鱼尾舵（fishtail rudder）：比较有代表性的 是平衡比度为0.2的麦柯里针型舵，鱼尾舵主要用 在船速较低的船舶上，水流流过舵叶的尾部时摩擦 力增加，使舵像一个尾部的侧推器，为围绕舵的水Βιβλιοθήκη Baidu体提供了额外的拉力，有助于提高船舶的操纵性能。 图 5-15 鱼尾舵的俯视图
第三节 舵的类型和结构
4．特种舵 1）整流帽舵（bulb-type rudder）
又称导流帽舵 / 导流罩舵。在普通流线型舵的正对螺旋桨的 轴线延长部位，加一个流线型的圆锥体，俗称整流帽 / 导流 帽 / 导流罩。 整流帽舵作用：有利于改善螺旋桨后的水流状态，从而提高 螺旋桨推进效率。
第三节 舵的类型和结构
10
第十节 船用螺旋桨
第一节 舵设备的作用及组成
第一节 舵设备的作用与组成 一、舵设备的作用 作用：船舶在航行中按驾驶人员的意图保持和改变航向、 旋回运动的工具。 功能：利用流经船舶和舵面的水的作用力，在船尾产生 一个横向的舵力，从而使船转动。 二、舵设备的组成 1.舵装置（rudder）：舵叶、舵杆、舵承。 2.操舵装置（steering gear） ：舵机与转舵装置（传动 装置）。 3.操舵装置的控制装置（steering gear controller） 4.其它附属装置（auxiliary equipment）
第三节 舵的类型和结构
2）多支承舵（multi-pintle rudder） 多于两个支承点的舵。支承点可为舵承、舵钮、舵托等。 有三个以上的舵钮用舵销与尾柱连接，一般为不平衡舵， 除船体内的支承外，舵的重量主要由舵托支承。
第三节 舵的类型和结构
3）悬挂舵（under-hung/spade rudder） 船舶内部设仅有上支承，无下支承。舵叶悬挂于船体下面。 舵杆受弯矩大，常用作多舵船的边舵。 这种类型的舵从上往下逐渐变窄。
第三节 舵的类型和结构
图 5-9 平板舵
1-上舵杆（upper rudder stock）； 2-连接法兰（coupling flange）； 3-舵臂（rudder stay）； 4-舵板（rudder plate）； 5-上舵销（upper rudder pin）； 6-中间舵销（mid rudder pin）； 7-下舵销（lower rudder pin）； 8-下舵杆（lower rudder stock）
导边
随 边
第三节 舵的类型和结构
（2）平衡舵（balanced rudder） 舵叶面积部分在舵杆轴线的前方。用舵时起到平衡作用。 舵压力中心靠近舵轴，所需转舵力距小，便易于操舵， 减少了舵机所需的马力，可选择小型舵机。 目前海船上广泛应用。 缺点：舵在工作时容易摆动，不利于航向稳定性。 平衡比度/系数：部分面积与全部面积之比，一般为0.2-0.3。
3）襟翼舵（flap-type rudder）
又称可变翼形舵。仿效飞机的襟翼，在普通 主舵叶后缘装一个称为襟翼的副叶组成。 当主舵叶转动一个角度时，副舵叶绕主舵叶 的后缘同向转出一个更大的角（襟角），产生更 大的流体动力。 襟翼舵作用：有助于使船舶获得较大的转船力矩， 提高了舵效或减小了舵杆扭矩，所需舵机功率小。 使用襟翼舵，航向改变可以用较小的舵角，使船 舶改向时失速较小，从而减少了油耗。 缺点：价格偏高，维护保养要求也比较高。
所受力矩为：
当船长、舵叶面积、舵速一定时，转船力矩随舵角 而变。对于一般的海船来说，舵角约等于32～35度 左右，可达到最大值。若再增大时，反而下降，故 除了特种舵外，一般把等于32～35度称为使用极限 舵角。船上对此使用了止舵器或限位器，能使舵角 不超过35度。
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
极限舵角总结： 舵角为25～32度时，舵效最好。海船极限舵 角一般为32～35度。超大型船舶的极限舵角一般 为35～40度。
第三节 舵的类型和结构
（3）半平衡舵（semi-balanced rudder） 舵叶的上半部分做成不平衡舵，下半部分做成平衡舵。 半平衡舵与尾柱连接在一起，使舵比较坚固可靠， 有利于保持航向的稳定性，比较适合于大型船舶。 当前比较流行的航海舵（mariner rudder）就属于半平衡舵。 平衡比度介于平衡舵和不平衡舵之间，一般为小于0.2。
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
下面仅给出乔塞尔 （Joessel）普通舵实验时的近 似计算式： 107 .23S V 2 sin
P
R R
0.195 0.305 sin
(N )
L 107 .23S RVR2 sin 2 M P d P cos (N ) 2 4 (0.195 0.305 sin )
2）主动舵（active rudder）
舵叶后端装一个导（流）管，导管内设小螺旋桨（导管推进器）
主动舵作用：转舵时可发出推力，增加船舶的转向能力；另 适用于对操纵能力要求高、靠离码头比较频繁的船舶，例如
引水船、渡轮、科学考察船等。
外，即使是在低速甚至停车时，操作小螺旋桨仍可得到转头力， 推船缓行，大大提高了船舶的操纵性。
第三节 舵的类型和结构
5.在最大航速及最大舵角范围内，舵本身无空 泡现象发生，为此舵的导边越肥越好。 6.选择舵的外形应尽可能符合强度的要求，如 悬挂舵采用上底大下底小的梯形等。 7.注意工艺简便，一般宜采用长方形等等。
第三节 舵的类型和结构
三、舵的结构
现代商船的舵多采用复板的空心流线型舵，一般流线型 平衡舵的结构主要由舵叶、舵杆、舵承三部分组成。
第三节 舵的类型和结构
2）流线型舵（streamline rudder）又称复合舵。
舵叶内部以水平隔板和垂直隔板作为骨架。 舵叶外部用钢板制成水密的空心体。 水平剖面呈机翼形。 阻力小，升力大，舵效高，所需的转舵力矩大，构造比较 复杂，但应用广泛。
1-舵杆（rudder stock）； 2-舵板（rudder plate）； 3-水平加强筋（horizontal stiffener）； 4-焊接衬板（welding bracket）； 5-垂直加强筋（vertical stiffener）； 6-吊舵孔（lifting rudder hole）
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
舵力产生的原因：舵叶两面流体速度不等，压力不 等 图 5-4 流线型舵的受力分析
第二节 舵力转船力矩及极限舵角
根据流体力学中的机翼理论原理，当施右舵角 后（如图5-4所示），流过舵叶两面的水流速度发 生变化，左侧流速加快，右侧流速减慢，从而舵叶 两侧间产生垂直于舵叶的压力差，此时水流对舵叶 产生的摩擦阻力，与压力的合力即构成为舵力。 舵力的大小与舵角、舵叶面积、舵速和舵断面 积形状等因素有关。 将舵力按船舶首尾方向与其垂直方向分解，则 可得起横向作用的升力A与对航进起阻力作用的阻 力W。 使船产生转头的力就是舵压力。