高效翼型舵在潜艇上的应用
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JDYW
JFS
WZF
HEЖ
NACA
图 1 5 种翼型剖面形式 Fig.1 Five kinds of airfoil profile form
舵型 JDYW NACA HEЖ JFS62TR25 WZF
表 1 5 种优秀舵型的舵效 Table 1 The steerage of five kinds of excellent rudder types
High-efficiency airfoil rudders applied to submarines
ZHOU Yimei，ZHANG Shuyi，LU Wei，HE Hanbao China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
0引言
随 着 潜 艇 技 术 的 发 展 ，对 操 纵 面 设 计 的 要 求
越来越高。首先，常规潜艇的吨位越来越大，而受 操纵面超宽、超基线等条件的限制，速升率等操纵 性 指 标 越 来 越 难 以 达 到 要 求 ，因 此 迫 切 需 要 提 高
收稿日期：2016 - 08 - 29
网络出版时间：2017-3-13 16:08
上，提出一种优化的高效翼型舵，并采用数值计算的方法，比较分析潜艇上应用这种高效翼型舵与常规 NACA
舵的水动力特性和对尾部伴流场的影响规律，同时在拖曳水池中开展模型测力试验，发现试验结果与仿真计算
结果一致性良好，误差不超过 10%。［结果］研究结果表明：高效翼型舵的舵效比常规舵高 40%以上，Baidu Nhomakorabea对艇体总
与 NACA 的比较 1.45 1.00 1.29 1.33 1.43
采用高效翼型剖面形式是提高翼型效率的措 施 之 一［2］。 在 潜 艇 上 应 用 高 效 翼 型 剖 面 除 了 要 有 良好的舵效，还要求阻力不能增加太多，且应用于 艉部舵时还要考虑不能明显影响螺旋桨噪声。针 对 这 一 需 求 ，本 文 将 对 高 效 翼 型 舵 在 潜 艇 上 应 用 的技术问题进行研究。
高效翼型舵在潜艇上的应用
周轶美，张书谊，卢溦，何汉保
中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064
摘 要：［目的］现代潜艇对操纵面设计的要求越来越高，使得设计者们需要不断研究新的舵型以提高操纵面
的 效 率 ，而 高 效 翼 型 舵 是 提 高 操 纵 面 效 率 的 有 效 措 施 之 一 。［方 法］为 此 ，在 比 较 分 析 各 种 翼 型 优 、缺 点 的 基 础
阻力的影响则与常规舵相当，不超过 4%；采用高效翼型舵带来的升力效益要比其对艇体总阻力的影响大得
多。［结论］表明高效翼型舵在提高操纵效率方面优势明显，有着较好的应用前景。
关键词：潜艇；高效翼型舵；水动力特性；尾部伴流场
中图分类号：U661.33
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.009
作者简介：周轶美（通信作者），女，1972 年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船操纵性
72
中国舰船研究
第 12 卷
操 纵 面 效 率 来 保 证 潜 艇 操 纵 性 能 。 其 次 ，潜 艇 隐 身性能的发展也对操纵面设计提出了越来越高的 要 求 。 为 使 潜 艇 真 正 达 到 安 静 化 的 目 标 ，各 国 海 军 一 直 在 进 行 潜 艇 的 减 振 降 噪 技 术 研 究 ，包 括 降 低 水 动 力 噪 声 方 面 的 研 究 ，而 这 也 给 操 纵 面 的 研 究设计提出了更高的要求，例如，要求艉操纵面尽 量远离螺旋桨盘面以减小对螺旋桨伴流场的影 响；减小操纵面面积以降低声目标强度；控制操纵 面展长以降低振动等。这些因素的制约使得操纵 性 设 计 的 难 度 越 来 越 大 ，需 要 设 计 者 们 不 断 尝 试 研究新的舵型来提高操纵面效率［1］。
1 高效翼型舵剖面方案
1.1 常见的翼型剖面形式
为 了 提 高 舵 的 水 动 力 性 能 ，国 内 外 流 体 力 学 专家学者们对翼型的剖面形式开展了大量研究， 并发表了许多有关舵剖面形状和水动力方面的文 献 。 在 国 外 ，比 较 著 名 的 有 美 国 国 立 空 气 动 力 学 咨询委员会的 NACA 系列、前苏联克雷洛夫研究 院 的 儒 柯 夫 斯 基 Н ЕЖ 系 列 、前 苏 联 空 气 动 力 中 心 试 验 室 的 ЦАГЙ 系 列 、德 国 哥 廷 根 试 验 室 的 Gottigen 系列以及德国汉堡造船研究所的 Jfs 系列 （泰勒水池）等。
展弦比 λ 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
厚度比 t/b 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
外形 矩形，平衡 矩形，平衡 矩形，平衡 矩形，平衡 矩形，平衡
试验 Re（×105） 1.98 1.98 1.98 1.98 1.98
舵效 CNα 3.446 5 2.377 7 3.064 9 3.170 2 3.403 3
在 这 些 剖 面 形 式 中 ，NACA 系 列 的 资 料 最 齐 全 ，综 合 性 能 较 优 ，至 今 仍 被 广 泛 应 用 ；Н ЕЖ 系 列 的性能也较优，但其单尾缘尖锐不合实用；JFS 系 列的舵效很高，借鉴德国仙林舵发展过来 WZF 系 列 的 舵 效 也 很 高 ，但 必 须 配 置 上 、下 制 流 板 ，否 则 后半部的强度会略显不足。其中，JFS 和 WZF 剖面 形式有 3 个共同的特点：一是翼型最大剖面更靠 近首缘而形成钝首缘；二是尾缘均为方缘；三是自 最大剖面向尾缘的收缩剧烈，并出现了平直段。
在 国 内 ，上 海 交 通 大 学 从 国 内 外 诸 多 翼 型 中 改 进 、优 选 出 了 高 效 且 水 动 力 特 性 良 好 的 JDYW 系 列 翼 剖 面［3］，并 在 某 型 舰 上 开 展 了 应 用 研 究 。 其 进 行 的 约 束 模 试 验 结 果 表 明 ，在 同 样 的 面 积 及 展 弦 比 情 况 下 ，JDYW 系 列 翼 剖 面 的 失 速 角 不 小 于原 NACA 舵，噪声也不大于原 NACA 舵，但满舵 时 的 相 对 回 转 直 径 D/L 则 比 NACA 舵 缩 小 了 28.5%。
第 12 卷 第 2 期 第220期17 年 4 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.12 No.2 Apr. 2017
引用格式：周轶美，张书谊，卢溦，等. 高效翼型舵在潜艇上的应用［J］. 中国舰船研究，2017，12（2）：71-77. ZHOU Y M，ZHANG S Y，LU W，et al. High-efficiency airfoil rudders applied to submarines［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：71-77.
Abstract：Modern submarine design puts forward higher and higher requirements for control surfaces, and this creates a requirement for designers to constantly innovate new types of rudder so as to improve the efficiency of control surfaces. Adopting the high-efficiency airfoil rudder is one of the most effective measures for improving the efficiency of control surfaces. In this paper, we put forward an optimization method for a high-efficiency airfoil rudder on the basis of a comparative analysis of the various strengths and weaknesses of the airfoil, and the numerical calculation method is adopted to analyze the influence rule of the hydrodynamic characteristics and wake field by using the high-efficiency airfoil rudder and the conventional NACA rudder comparatively；at the same time, a model load test in a towing tank was carried out, and the test results and simulation calculation obtained good consistency: the error between them was less than 10% . The experimental results show that the steerage of a high-efficiency airfoil rudder is increased by more than 40% when compared with the conventional rudder, but the total resistance is close: the error is no more than 4% . Adopting a high-efficiency airfoil rudder brings much greater lifting efficiency than the total resistance of the boat. The results show that high-efficiency airfoil rudder has obvious advantages for improving the efficiency of control, giving it good application prospects. Key words：submarine；high-efficiency airfoil rudder；hydrodynamic characteristics；wake field
武 汉 理 工 大 学 研 制 的 鱼 尾 舵（或 称“ 整 流 尾
舵 ”）和 原 NACA 舵 相 比 可 使 升 力 系 数 提 高 1.5 倍［4］，在 相 同 的 舵 面 积 下 ，整 流 舵 所 产 生 的 操 纵 性 能效果明显优于常规 NACA 舵。且自航模试验也 表明，满舵时整流舵的回转直径比常规 NACA 舵 小 25.7% 。 喻 红 霞［5］和 杨 建 民［6］也 对 鱼 尾 舵 的 水 动力性能进行了计算分析。
由 于 这 些 几 何 特 点 增 加 了 剖 面 弯 度 ，改 变 了 翼 型 的 压 力 分 布 ，故 使 之 产 生 了 有 利 于 增 加 舵 的 法 向 力 的 作 用 ，致 使 舵 效 大 幅 提 高 。 但 存 在 的 问 题是，因舵杆安装在最大剖面附近，而最大剖面又 太 靠 近 首 缘 ，使 得 舵 的 平 衡 比 过 小 。 上 海 交 通 大 学在分析 4 种优秀对称翼型（NACA 系列、НЕЖ系 列、JFS 系列和 WZF 系列）的基础上，设计了 JDYW 对称翼型。上述 5 种较优秀的舵剖面形式如图 1 所示。以通常展弦比为 1.5、厚度比为 0.18 的矩形 平 衡 舵 为 例 ，5 种 翼 型 剖 面 的 效 率 对 比 如 表 1 所 示［3］，表中 t 为舵厚，b 为单舵舷长。
JFS
WZF
HEЖ
NACA
图 1 5 种翼型剖面形式 Fig.1 Five kinds of airfoil profile form
舵型 JDYW NACA HEЖ JFS62TR25 WZF
表 1 5 种优秀舵型的舵效 Table 1 The steerage of five kinds of excellent rudder types
High-efficiency airfoil rudders applied to submarines
ZHOU Yimei，ZHANG Shuyi，LU Wei，HE Hanbao China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
0引言
随 着 潜 艇 技 术 的 发 展 ，对 操 纵 面 设 计 的 要 求
越来越高。首先，常规潜艇的吨位越来越大，而受 操纵面超宽、超基线等条件的限制，速升率等操纵 性 指 标 越 来 越 难 以 达 到 要 求 ，因 此 迫 切 需 要 提 高
收稿日期：2016 - 08 - 29
网络出版时间：2017-3-13 16:08
上，提出一种优化的高效翼型舵，并采用数值计算的方法，比较分析潜艇上应用这种高效翼型舵与常规 NACA
舵的水动力特性和对尾部伴流场的影响规律，同时在拖曳水池中开展模型测力试验，发现试验结果与仿真计算
结果一致性良好，误差不超过 10%。［结果］研究结果表明：高效翼型舵的舵效比常规舵高 40%以上，Baidu Nhomakorabea对艇体总
与 NACA 的比较 1.45 1.00 1.29 1.33 1.43
采用高效翼型剖面形式是提高翼型效率的措 施 之 一［2］。 在 潜 艇 上 应 用 高 效 翼 型 剖 面 除 了 要 有 良好的舵效，还要求阻力不能增加太多，且应用于 艉部舵时还要考虑不能明显影响螺旋桨噪声。针 对 这 一 需 求 ，本 文 将 对 高 效 翼 型 舵 在 潜 艇 上 应 用 的技术问题进行研究。
高效翼型舵在潜艇上的应用
周轶美，张书谊，卢溦，何汉保
中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064
摘 要：［目的］现代潜艇对操纵面设计的要求越来越高，使得设计者们需要不断研究新的舵型以提高操纵面
的 效 率 ，而 高 效 翼 型 舵 是 提 高 操 纵 面 效 率 的 有 效 措 施 之 一 。［方 法］为 此 ，在 比 较 分 析 各 种 翼 型 优 、缺 点 的 基 础
阻力的影响则与常规舵相当，不超过 4%；采用高效翼型舵带来的升力效益要比其对艇体总阻力的影响大得
多。［结论］表明高效翼型舵在提高操纵效率方面优势明显，有着较好的应用前景。
关键词：潜艇；高效翼型舵；水动力特性；尾部伴流场
中图分类号：U661.33
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.009
作者简介：周轶美（通信作者），女，1972 年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船操纵性
72
中国舰船研究
第 12 卷
操 纵 面 效 率 来 保 证 潜 艇 操 纵 性 能 。 其 次 ，潜 艇 隐 身性能的发展也对操纵面设计提出了越来越高的 要 求 。 为 使 潜 艇 真 正 达 到 安 静 化 的 目 标 ，各 国 海 军 一 直 在 进 行 潜 艇 的 减 振 降 噪 技 术 研 究 ，包 括 降 低 水 动 力 噪 声 方 面 的 研 究 ，而 这 也 给 操 纵 面 的 研 究设计提出了更高的要求，例如，要求艉操纵面尽 量远离螺旋桨盘面以减小对螺旋桨伴流场的影 响；减小操纵面面积以降低声目标强度；控制操纵 面展长以降低振动等。这些因素的制约使得操纵 性 设 计 的 难 度 越 来 越 大 ，需 要 设 计 者 们 不 断 尝 试 研究新的舵型来提高操纵面效率［1］。
1 高效翼型舵剖面方案
1.1 常见的翼型剖面形式
为 了 提 高 舵 的 水 动 力 性 能 ，国 内 外 流 体 力 学 专家学者们对翼型的剖面形式开展了大量研究， 并发表了许多有关舵剖面形状和水动力方面的文 献 。 在 国 外 ，比 较 著 名 的 有 美 国 国 立 空 气 动 力 学 咨询委员会的 NACA 系列、前苏联克雷洛夫研究 院 的 儒 柯 夫 斯 基 Н ЕЖ 系 列 、前 苏 联 空 气 动 力 中 心 试 验 室 的 ЦАГЙ 系 列 、德 国 哥 廷 根 试 验 室 的 Gottigen 系列以及德国汉堡造船研究所的 Jfs 系列 （泰勒水池）等。
展弦比 λ 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
厚度比 t/b 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
外形 矩形，平衡 矩形，平衡 矩形，平衡 矩形，平衡 矩形，平衡
试验 Re（×105） 1.98 1.98 1.98 1.98 1.98
舵效 CNα 3.446 5 2.377 7 3.064 9 3.170 2 3.403 3
在 这 些 剖 面 形 式 中 ，NACA 系 列 的 资 料 最 齐 全 ，综 合 性 能 较 优 ，至 今 仍 被 广 泛 应 用 ；Н ЕЖ 系 列 的性能也较优，但其单尾缘尖锐不合实用；JFS 系 列的舵效很高，借鉴德国仙林舵发展过来 WZF 系 列 的 舵 效 也 很 高 ，但 必 须 配 置 上 、下 制 流 板 ，否 则 后半部的强度会略显不足。其中，JFS 和 WZF 剖面 形式有 3 个共同的特点：一是翼型最大剖面更靠 近首缘而形成钝首缘；二是尾缘均为方缘；三是自 最大剖面向尾缘的收缩剧烈，并出现了平直段。
在 国 内 ，上 海 交 通 大 学 从 国 内 外 诸 多 翼 型 中 改 进 、优 选 出 了 高 效 且 水 动 力 特 性 良 好 的 JDYW 系 列 翼 剖 面［3］，并 在 某 型 舰 上 开 展 了 应 用 研 究 。 其 进 行 的 约 束 模 试 验 结 果 表 明 ，在 同 样 的 面 积 及 展 弦 比 情 况 下 ，JDYW 系 列 翼 剖 面 的 失 速 角 不 小 于原 NACA 舵，噪声也不大于原 NACA 舵，但满舵 时 的 相 对 回 转 直 径 D/L 则 比 NACA 舵 缩 小 了 28.5%。
第 12 卷 第 2 期 第220期17 年 4 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.12 No.2 Apr. 2017
引用格式：周轶美，张书谊，卢溦，等. 高效翼型舵在潜艇上的应用［J］. 中国舰船研究，2017，12（2）：71-77. ZHOU Y M，ZHANG S Y，LU W，et al. High-efficiency airfoil rudders applied to submarines［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：71-77.
Abstract：Modern submarine design puts forward higher and higher requirements for control surfaces, and this creates a requirement for designers to constantly innovate new types of rudder so as to improve the efficiency of control surfaces. Adopting the high-efficiency airfoil rudder is one of the most effective measures for improving the efficiency of control surfaces. In this paper, we put forward an optimization method for a high-efficiency airfoil rudder on the basis of a comparative analysis of the various strengths and weaknesses of the airfoil, and the numerical calculation method is adopted to analyze the influence rule of the hydrodynamic characteristics and wake field by using the high-efficiency airfoil rudder and the conventional NACA rudder comparatively；at the same time, a model load test in a towing tank was carried out, and the test results and simulation calculation obtained good consistency: the error between them was less than 10% . The experimental results show that the steerage of a high-efficiency airfoil rudder is increased by more than 40% when compared with the conventional rudder, but the total resistance is close: the error is no more than 4% . Adopting a high-efficiency airfoil rudder brings much greater lifting efficiency than the total resistance of the boat. The results show that high-efficiency airfoil rudder has obvious advantages for improving the efficiency of control, giving it good application prospects. Key words：submarine；high-efficiency airfoil rudder；hydrodynamic characteristics；wake field
武 汉 理 工 大 学 研 制 的 鱼 尾 舵（或 称“ 整 流 尾
舵 ”）和 原 NACA 舵 相 比 可 使 升 力 系 数 提 高 1.5 倍［4］，在 相 同 的 舵 面 积 下 ，整 流 舵 所 产 生 的 操 纵 性 能效果明显优于常规 NACA 舵。且自航模试验也 表明，满舵时整流舵的回转直径比常规 NACA 舵 小 25.7% 。 喻 红 霞［5］和 杨 建 民［6］也 对 鱼 尾 舵 的 水 动力性能进行了计算分析。
由 于 这 些 几 何 特 点 增 加 了 剖 面 弯 度 ，改 变 了 翼 型 的 压 力 分 布 ，故 使 之 产 生 了 有 利 于 增 加 舵 的 法 向 力 的 作 用 ，致 使 舵 效 大 幅 提 高 。 但 存 在 的 问 题是，因舵杆安装在最大剖面附近，而最大剖面又 太 靠 近 首 缘 ，使 得 舵 的 平 衡 比 过 小 。 上 海 交 通 大 学在分析 4 种优秀对称翼型（NACA 系列、НЕЖ系 列、JFS 系列和 WZF 系列）的基础上，设计了 JDYW 对称翼型。上述 5 种较优秀的舵剖面形式如图 1 所示。以通常展弦比为 1.5、厚度比为 0.18 的矩形 平 衡 舵 为 例 ，5 种 翼 型 剖 面 的 效 率 对 比 如 表 1 所 示［3］，表中 t 为舵厚，b 为单舵舷长。