1、船舶设备与系统船舶设备与系统 第一章第一章 舵设备舵设备讲课人讲课人:嘻嘻嘻嘻嘻嘻邮箱邮箱:哈哈哈哈哈哈引言学学 期期 授授 课课 学学 时时 分分 配配课 程 教 学 周 数8周 学 时4理论教学时数32其中多媒体教学时数32双语教学时数0实验时数0课程设计时数0复习、习题课时数0机动时数0备备注注讲授课布置思考题若干及阅读材料，下一次讲授课时进行课堂提问和讨论；学生的成绩根据以下三个部分综合评定。平时成绩:30%(作业、考勤、平时提问)期末考试成绩:70%引言 船舶设备与系统船舶设备与系统是船舶与海洋工程专业的主是船舶与海洋工程专业的主要必修课程之一，本课程是一门多学科性的综合要必修课程之
2、一，本课程是一门多学科性的综合性专业课程，内容庞杂、涉及范围广泛、船舶标性专业课程，内容庞杂、涉及范围广泛、船舶标准多。学习本门课程的目的是：让学生全面掌握准多。学习本门课程的目的是：让学生全面掌握船舶的设备以及各系统的作用、结构特点、选用船舶的设备以及各系统的作用、结构特点、选用方式，学会制定合理的船舶舾装工艺方案。它是方式，学会制定合理的船舶舾装工艺方案。它是学生在本专业领域就业、上岗的必备能力之一，学生在本专业领域就业、上岗的必备能力之一，为培养学生实际工作能力打下良好的基础。为培养学生实际工作能力打下良好的基础。引言 运输船舶设备与系统运输船舶设备与系统 人民交通出版社人民交通出版社
3、船舶设计手册（舾装分册）船舶设计手册（舾装分册）国防工业出国防工业出 版社版社 船舶设备船舶设备 哈尔滨船舶工程学院出版社哈尔滨船舶工程学院出版社引言 本课程讲述内容主要包括：舵设备、锚设备、系本课程讲述内容主要包括：舵设备、锚设备、系泊设备、拖曳设备、救生设备、起货设备、关闭泊设备、拖曳设备、救生设备、起货设备、关闭设备、船舶管路系统、舱底水系统、压载系统、设备、船舶管路系统、舱底水系统、压载系统、日用水系统、消防系统、通风、供暖、空调与制日用水系统、消防系统、通风、供暖、空调与制冷系统。冷系统。舵是船舶操纵装置的一个重要部件。船舶操纵舵是船舶操纵装置的一个重要部件。船舶操纵性是船舶的重要性
4、能之一，广义上来讲是泛指船舶性是船舶的重要性能之一，广义上来讲是泛指船舶对驾驶者操纵的反应能力。对驾驶者操纵的反应能力。从使用角度而言，驾驶者对船舶的操纵包括有从使用角度而言，驾驶者对船舶的操纵包括有很多：很多：船舶的启动、暂停、加速、减速、倒退及直线船舶的启动、暂停、加速、减速、倒退及直线航行，还有系带浮筒、拖带船舶等操作。航行，还有系带浮筒、拖带船舶等操作。船舶原理船舶原理下册的下册的“船舶操纵性与耐波性船舶操纵性与耐波性”部分对于船舶的操纵性所做的规定为：船舶受驾驶部分对于船舶的操纵性所做的规定为：船舶受驾驶者的操纵而保持或改变航向的性能，包括者的操纵而保持或改变航向的性能，包括航向稳定
5、航向稳定性和回转性性和回转性。一、保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定一、保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；性；二、改变船舶运动方向的能力，称回转性。二、改变船舶运动方向的能力，称回转性。保证船舶操纵性的设备有哪些？保证船舶操纵性的设备有哪些？篙篙桨桨櫓櫓舵舵侧推器侧推器 其中舵因其结构简单、其中舵因其结构简单、工作可靠，是目前使用最为工作可靠，是目前使用最为广泛的操纵设备广泛的操纵设备 舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾装设备。可以想象，如果船没有舵，或舵失灵，舾装设备。可以想象，如果船没有舵，或舵失灵，就象汽车没有方向盘一样，将无法行驶。在
6、大海就象汽车没有方向盘一样，将无法行驶。在大海里任凭风浪摆布。里任凭风浪摆布。船用舵是平板或机翼型结构，设于船的尾端，船用舵是平板或机翼型结构，设于船的尾端，一般在推进器之后。一般在推进器之后。1.1 舵的作用原理舵的作用原理当水流以某攻角作用于舵叶上时，在船尾产生了横向的舵力，当水流以某攻角作用于舵叶上时，在船尾产生了横向的舵力，舵力通过舵杆传递于船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了舵力通过舵杆传递于船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了调整航向的目的。调整航向的目的。1.1 舵的作用原理舵的作用原理 航行中的船舶，水流在舵叶上产生横向作用力，航行中的船舶，水流在舵叶上产生横向作用力，根据船舶
7、的航向转动舵叶根据船舶的航向转动舵叶 ，使船舶产生回转力矩，使船舶产生回转力矩，保持所需航向。保持所需航向。舵力产生的原因：舵力产生的原因：舵叶两面流体速度不等，压力不等。舵叶两面流体速度不等，压力不等。1.1 舵的作用原理舵的作用原理TSpbvPPPPNMxPLOLDMax 据流体力学中的机翼理论原理据流体力学中的机翼理论原理，当施右舵角后，流过舵叶两面的，当施右舵角后，流过舵叶两面的水流速度发生变化，左侧流速加快水流速度发生变化，左侧流速加快，右侧流速减慢，从而舵叶两侧间，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
8、流对舵叶产生的摩擦阻力，与压力的合力即构成为的合力即构成为舵力舵力。将舵力按船舶首尾方向与其垂直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方向分解，则可得起横向作用的升力与对航进起阻力作用的阻力。力与对航进起阻力作用的阻力。1.1 舵的作用原理舵的作用原理1 1、影响舵力大小的因素：影响舵力大小的因素：2 2、几何舵角：几何舵角：3 3、最大有效舵角：最大有效舵角：舵的进速增大，舵力也就明显增大；当舵速一定时，舵的进速增大，舵力也就明显增大；当舵速一定时，转船力矩随舵角而变，转船力矩随舵角而变，一般船舶的最大有效舵角为一般船舶的最大有效舵角为32323535左右，舵角左右，舵角
9、32323535又称为使用极限舵角。又称为使用极限舵角。35353838。舵角、舵叶面积、舵的前进速度舵角、舵叶面积、舵的前进速度(舵速舵速)和舵的断面形状和舵的断面形状。1.2 舵设备的组成与布置舵设备的组成与布置舵舵+操舵装置操舵装置+舵机舵机+转舵装置转舵装置 1.2 舵设备的组成与布置舵设备的组成与布置舵设备各个组成部分的作用：舵设备各个组成部分的作用：p 舵角指示器舵角指示器2反映舵叶转动角度的仪表，装于驾驶室用以了反映舵叶转动角度的仪表，装于驾驶室用以了解和监督舵的实际位置；解和监督舵的实际位置；p 操舵器操舵器1是供舵工或驾驶人员转舵用的手柄或舵轮；是供舵工或驾驶人员转舵用的手柄
10、或舵轮；p传动装置传动装置3是将舵机是将舵机4的启动信息由驾驶室传至舵机舱；的启动信息由驾驶室传至舵机舱；p 舵机是带动舵转动的机械，是转舵的原动力；舵机是带动舵转动的机械，是转舵的原动力；p 转舵装置转舵装置5的作用是把舵机的动力传递给舵；的作用是把舵机的动力传递给舵；p 舵舵6是舵叶、舵杆及其支承部件的总称。是舵叶、舵杆及其支承部件的总称。1.2 舵设备的组成与布置舵设备的组成与布置p 能在规定的时间内将舵转动；能在规定的时间内将舵转动；p 能限制舵的转动角度；能限制舵的转动角度；p 能将舵可靠的停止在限制舵角内的任何位置上；能将舵可靠的停止在限制舵角内的任何位置上；p 能从驾驶室监视舵位
11、；能从驾驶室监视舵位；p 能迅速地由主操舵装置转换为备用或应急操舵装置。能迅速地由主操舵装置转换为备用或应急操舵装置。p 整套舵设备坚固耐用；整套舵设备坚固耐用；p 在满足使用要求情况下，尽量减小各部分外形尺寸和质量。在满足使用要求情况下，尽量减小各部分外形尺寸和质量。整个舵设备在安装完成后需满足什么样的使用条件？整个舵设备在安装完成后需满足什么样的使用条件？2.1 舵装置的分类舵装置的分类舵设备舵设备舵装置舵装置操舵装置操舵装置舵舵叶叶舵叶舵叶的支的支承、承、限位限位部件部件操操舵舵系系统统转转舵舵装装置置舵舵机机1 1、按舵杆的轴线位置分类、按舵杆的轴线位置分类（1 1）不平衡舵（不平衡舵
12、（unbalanced rudderunbalanced rudder）又称又称普通舵普通舵。舵叶面积。舵叶面积全部全部在在舵杆轴线（导边）的舵杆轴线（导边）的后方后方。舵压力中心至舵轴的距离较大，舵压力中心至舵轴的距离较大，有利于保持航向稳定性。有利于保持航向稳定性。所需转舵力距大所需转舵力距大，海船上很少见海船上很少见，用于沿岸航行的用于沿岸航行的小驳船小驳船。2.1 舵装置的分类舵装置的分类（2 2）平衡舵（平衡舵（balanced rudderbalanced rudder）舵叶面积舵叶面积部分在部分在舵杆轴线的舵杆轴线的前方前方。用舵时起到平衡作用。用舵时起到平衡作用。舵压力中心靠近
13、舵轴，舵压力中心靠近舵轴，所需转舵力所需转舵力距小距小，便易于操舵，减少了舵机所需，便易于操舵，减少了舵机所需的马力，可选择小型舵机。的马力，可选择小型舵机。目前海船上广泛应用目前海船上广泛应用。缺点：舵在工作时容易摆动，缺点：舵在工作时容易摆动，不利不利于航向稳定性于航向稳定性。平衡比度平衡比度/系数系数：部分面积与全部面：部分面积与全部面积之比，一般为积之比，一般为0.2-0.30.2-0.3。2.1 舵装置的分类舵装置的分类（3 3）半平衡舵（半平衡舵（semi-balanced ruddersemi-balanced rudder）舵叶的舵叶的上半部分上半部分做成不平衡舵，做成不平衡舵
14、，下下半部分半部分做成平衡舵。做成平衡舵。半平衡舵与尾柱连接在一起，使舵半平衡舵与尾柱连接在一起，使舵比较坚固可靠，比较坚固可靠，有利于保持航向的稳有利于保持航向的稳定性，比较定性，比较适合于大型船舶适合于大型船舶。当前比较流行的航海舵就属于半平当前比较流行的航海舵就属于半平衡舵。衡舵。平衡比度平衡比度介于平衡舵和不平衡舵之介于平衡舵和不平衡舵之间，间，一般为小于一般为小于0.20.2。2.1 舵装置的分类舵装置的分类舵的类型（按舵杆的轴线位置分）舵的类型（按舵杆的轴线位置分）a-不平衡舵不平衡舵 b-平衡舵平衡舵 c-半平衡舵半平衡舵2.1 舵装置的分类舵装置的分类2 2、按舵叶的支承情况分
15、类、按舵叶的支承情况分类(1(1）双支承舵双支承舵（double bearing rudderdouble bearing rudder）有两个支承点的舵。支承点可为有两个支承点的舵。支承点可为舵承、舵托等。舵承、舵托等。上支承点上支承点一般是在船体上。一般是在船体上。下支承点下支承点对于双支承的对于双支承的平衡舵平衡舵，是，是在舵叶下端的舵托处，对于双支承的在舵叶下端的舵托处，对于双支承的半悬挂半悬挂/半平衡舵半平衡舵，是在舵叶的半高，是在舵叶的半高处。处。2.1 舵装置的分类舵装置的分类2 2）多支承舵多支承舵（multi-pintle ruddermulti-pintle rudder）
16、多于两个支承点的舵。支承点可多于两个支承点的舵。支承点可为为舵承舵承、舵钮舵钮、舵托舵托等。等。有三个以上的有三个以上的舵钮舵钮用用舵销舵销与与尾柱尾柱连连接，一般为接，一般为不平衡舵不平衡舵，除船体内的支，除船体内的支承外，舵的重量主要由舵托支承。承外，舵的重量主要由舵托支承。2.1 舵装置的分类舵装置的分类3 3）悬挂舵（悬挂舵（under-hung/spade rudderunder-hung/spade rudder）船舶内部设船舶内部设仅有上支承仅有上支承，无下支无下支承承。舵叶悬挂于船体下面。舵叶悬挂于船体下面。舵杆受弯矩大，舵杆受弯矩大，常用作多舵船的边舵常用作多舵船的边舵。这种
17、类型的舵从上往下逐渐变窄。这种类型的舵从上往下逐渐变窄。2.1 舵装置的分类舵装置的分类4 4）半悬挂舵（半悬挂舵（partially under-hung rudderpartially under-hung rudder）上半部支承上半部支承在舵柱或挂舵臂处舵钮上，而在舵柱或挂舵臂处舵钮上，而下半部支承下半部支承在舵叶的半高处。一般为在舵叶的半高处。一般为半平衡舵半平衡舵。2.1 舵装置的分类舵装置的分类 舵的主要类型舵的主要类型 半平衡舵半平衡舵 不平衡舵不平衡舵 三支点平衡舵三支点平衡舵 穿心舵穿心舵轴平衡舵轴平衡舵 半悬挂舵半悬挂舵 悬挂舵悬挂舵 多支承舵多支承舵 双双支承舵支承舵
18、2.1 舵装置的分类舵装置的分类3.3.按舵叶的剖面形状分类按舵叶的剖面形状分类1 1）平板舵（平板舵（flat-plate rudderflat-plate rudder）又称又称单板舵单板舵。舵叶是一块钢板。舵叶是一块钢板或在钢板上两面交替安装的横或在钢板上两面交替安装的横向加强筋（舵臂）等构成。向加强筋（舵臂）等构成。仅用于帆船、小艇上仅用于帆船、小艇上。舵效随着舵角的增大变坏，失速舵效随着舵角的增大变坏，失速现象发生得早，且阻力大。现象发生得早，且阻力大。2.1 舵装置的分类舵装置的分类2.1 舵装置的分类舵装置的分类2 2）流线型舵（流线型舵（streamline rudderstr
19、eamline rudder）又称又称复合舵复合舵。舵叶内部舵叶内部以水平隔板和垂直隔以水平隔板和垂直隔板作为骨架。板作为骨架。舵叶外部舵叶外部用钢板制成水密的空用钢板制成水密的空心体。心体。水平剖面水平剖面呈机翼形。呈机翼形。阻力小，升力大，舵效高，阻力小，升力大，舵效高，所所需的转舵力矩大需的转舵力矩大，构造比较复杂，构造比较复杂，但但应用广泛应用广泛。2.1 舵装置的分类舵装置的分类2.1 舵装置的分类舵装置的分类以上介绍的舵均为普通舵，据有关资料统计，约70-80的船都采用流线型普通舵。1.一般大型及超大型海船多用支承或双支承的流线型平衡舵；2.中小型船用半平衡流线型挂舵的居多；3.平
20、板舵仅用在非自航船或小艇上。2.1 舵装置的分类舵装置的分类舵叶作用：产生舵压力组成：舵叶旁板、垂直隔板、水平隔板、舵杆、舵销2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件1)1)制造：制造：为了保证舵叶的强度和线型，用水平隔板和垂直隔板为了保证舵叶的强度和线型，用水平隔板和垂直隔板按线型组成骨架，将两块流线型的外壳板直接焊接在骨按线型组成骨架，将两块流线型的外壳板直接焊接在骨架外面。架外面。1-1-舵杆舵杆2-2-舵板舵板3-3-水平加强筋水平加强筋4-4-焊接衬板焊接衬板5-5-垂直加强筋垂直加强筋按规范要求，舵叶焊成后，按规范要求，舵叶焊
21、成后，每每个密封部分都应当进行密性试验个密封部分都应当进行密性试验。密性试验前应将舵表面打扫干净，密性试验前应将舵表面打扫干净，焊缝应焊缝应清除清除氧化皮及焊渣，氧化皮及焊渣，不得不得对水密焊缝对水密焊缝涂刷涂刷油漆、敷设隔热油漆、敷设隔热材料及水泥等。材料及水泥等。常用的密性试验方式：在一定常用的密性试验方式：在一定的水柱高度条件下的的水柱高度条件下的灌水试验灌水试验和和充气试验充气试验等。等。2)2)防腐：防腐：密性试验合格后，通常在密性试验合格后，通常在舵叶内灌上沥青舵叶内灌上沥青，以防，以防舵叶内部锈蚀。舵叶内部锈蚀。3)3)附属装置：附属装置：为了灌放水和防腐沥青在为了灌放水和防腐沥
22、青在舵叶上部和下部开有小孔舵叶上部和下部开有小孔，并配有不锈金属（黄铜）制成的栓塞，称为并配有不锈金属（黄铜）制成的栓塞，称为舵底塞舵底塞。为了便于舵叶的装卸，在为了便于舵叶的装卸，在舵叶上开有舵叶上开有由钢管构成的由钢管构成的绳绳孔孔或在尾端上开有或在尾端上开有凹槽凹槽。舵杆作用：承受和传递作用在舵叶上力和舵给转舵装置的力。2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件舵杆（舵杆（rudder stockrudder stock）舵叶转动的轴舵叶转动的轴，其，其下部与舵叶连接下部与舵叶连接，上部与转舵装置相连上部与转舵装置相连。结构特点：结构特点：为了使舵在受损时不必拆开船体内的部分就能修
23、理，把为了使舵在受损时不必拆开船体内的部分就能修理，把舵杆分作舵杆分作上舵杆上舵杆和和下舵杆下舵杆两段制造，然后用两段制造，然后用法兰接头法兰接头连连接。接。上舵杆上舵杆的的顶端顶端称舵头。舵头通过称舵头。舵头通过舵杆套筒舵杆套筒伸至舵机室与伸至舵机室与转舵装置相连接。上舵杆转舵装置相连接。上舵杆下端下端是法兰接头，与舵叶连接。是法兰接头，与舵叶连接。其连接形式有水平法兰、垂直法兰和垂直嵌接三种。其连接形式有水平法兰、垂直法兰和垂直嵌接三种。下舵杆下舵杆，也称舵的主件。在舵叶上。，也称舵的主件。在舵叶上。有些舵无下舵杆有些舵无下舵杆。舵承作用：用来支持舵杆，支承舵的重量，保证船体水密的设备。按
24、其位置可分为：上舵承、下舵承。2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件滑滑动动水水密密下下舵舵承承上舵承上舵承舵承（舵承（rudder carrierrudder carrier）结构特点：结构特点：上舵承上舵承装在装在舵机甲板上舵机甲板上。由止推滚珠轴承和垂直滑动轴。由止推滚珠轴承和垂直滑动轴承组成，滚珠轴承承组成，滚珠轴承承受舵的重量承受舵的重量，垂直轴承则，垂直轴承则承受侧向力承受侧向力。下舵承下舵承装在装在舵杆筒口舵杆筒口或或舵杆筒内舵杆筒内。它是一个垂直的滑动。它是一个垂直的滑动轴承，用其承受侧向力，并设有轴承，用其承受侧向力，并设有填料函以保证水密填料函以保证水密。应用：应
25、用：悬挂舵都采用上、下两个舵承。目前大型船普遍采用的悬挂舵都采用上、下两个舵承。目前大型船普遍采用的是不设下舵承而是不设下舵承而只设上舵承只设上舵承，全部重量和力都由，全部重量和力都由上舵承承上舵承承担担。舵杆与舵叶连接件目前常用的连接方式有法兰连接及锥体连接舵柱船体尾柱一部分，用以支持不平衡舵挂舵臂附连于船体尾部的臂状构件，用以支持半悬挂舵舵销和舵钮舵叶与舵柱或挂舵臂间采用舵销连接时，舵叶及舵柱或挂舵臂上相应的设置数个有孔的凸出物为舵钮；舵销的作用是使舵叶与舵柱或挂舵臂可靠地连接。2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件舵托位于尾柱底部的突出部分，用以安装下舵销或舵轴舵柄安装在舵杆头
26、上，用以转动舵杆止跳环防止舵上抬的装置舵角限位器限位装置，用以防止舵叶转角超过所允许的极限角度。通常分别设置在舵机、操舵机械所在甲板和舵叶上。2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件2.2 舵装置的主要组成部件舵装置的主要组成部件舵叶的偏转由操舵装置舵叶的偏转由操舵装置(通通常称舵机常称舵机)来控制，舵机经来控制，舵机经舵柄舵柄1将扭矩传递到将扭矩传递到舵杆舵杆3上，舵杆上，舵杆3由舵承支承，它由舵承支承，它带动带动舵叶舵叶7偏转，舵承固定偏转，舵承固定在船体上，由承及密封填在船体上，由承及密封填料组成，舵叶还可通过料组成，舵叶还可通过舵舵销销5支承在支承在舵柱舵柱8的的舵托舵托9或或
27、舵钮舵钮6上。上。2.3 舵装置的构造舵装置的构造 各种不同舵装置在构造时需要考各种不同舵装置在构造时需要考虑到自身所受到的载荷和弯矩，在布虑到自身所受到的载荷和弯矩，在布置及构造时尽可能地减小所受载荷及置及构造时尽可能地减小所受载荷及弯矩。如：弯矩。如：悬挂舵的舵叶及舵杆的重力由上悬挂舵的舵叶及舵杆的重力由上舵承承受，则在布置时尽量加大上、舵承承受，则在布置时尽量加大上、下舵承之间距离，以减小舵承的径向下舵承之间距离，以减小舵承的径向载荷；载荷；设置一个舵销的双支点平衡舵，设置一个舵销的双支点平衡舵，其下舵承应设于船体最下部或舵轴筒其下舵承应设于船体最下部或舵轴筒内，并尽可能靠近舵叶，以减小
28、下舵内，并尽可能靠近舵叶，以减小下舵承处舵杆所受到的弯矩。承处舵杆所受到的弯矩。计算舵叶水动力特性的目的计算舵叶水动力特性的目的：求得作用在舵叶上的水动力和力矩，以校求得作用在舵叶上的水动力和力矩，以校核舵装置的强度或确定舵装置各部件的尺度和核舵装置的强度或确定舵装置各部件的尺度和舵机功率。舵机功率。3.1 舵的基本参数舵的基本参数1舵面积舵面积2舵高舵高3舵宽舵宽4展弦比展弦比hbbhbttmaxA5平衡系数平衡系数6厚度比厚度比7.后掠角后掠角3.2 敞水舵的水动力特性敞水舵的水动力特性 略去自由表面、船体、螺旋桨对舵叶所处水流的影响，略去自由表面、船体、螺旋桨对舵叶所处水流的影响，舵叶的
29、运动可看作为单独一个机翼在无限流场中以一定的舵叶的运动可看作为单独一个机翼在无限流场中以一定的攻角做匀速运动，即相当于有限展长机翼的定常运动。攻角做匀速运动，即相当于有限展长机翼的定常运动。当水流以流速当水流以流速 、攻、攻角角 流经舵叶时，舵上产流经舵叶时，舵上产生水压力生水压力P，作用于压力中，作用于压力中心心O。水动力的合力水动力的合力P可分解为可分解为升力升力Px和阻力和阻力Py，或者是，或者是法向力法向力Pn和切向力和切向力Pt，根据，根据它们之间的几何关系可以得它们之间的几何关系可以得出：出：0v3.2 敞水舵的水动力特性敞水舵的水动力特性水动力对舵叶前缘的力矩：水动力对舵叶前缘的
30、力矩：合力对舵杆轴线的水动力合力对舵杆轴线的水动力矩：矩：pnxPM)(axPMpnrcossinsincossincossincos2222tnxtnyyxtxyntnxyPPPPPPPPPPPPPPPPP3.2 敞水舵的水动力特性敞水舵的水动力特性水动力分量的无因次表达：水动力分量的无因次表达：AvPCAvPCAvPCyyttnn222222升力系数切向力系数法向力系数bxCAbvMCAvPCppmxx压力中心系数力矩系数阻力系数22223.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算舵的水动力计算方法有三种：舵的水动力计算方法有三种：利用模型舵叶的敞水试验资料；利用模型舵叶的敞水试验资料；按
31、经验公式计算舵的水动力特性；按经验公式计算舵的水动力特性；数值计算。数值计算。3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算 为了得到比较精确的舵的水动力参数，对于某一个为了得到比较精确的舵的水动力参数，对于某一个具体的舵可以利用风洞做模型试验。具体的舵可以利用风洞做模型试验。但模型试验要求模型与实船之间满足苛刻的相似条但模型试验要求模型与实船之间满足苛刻的相似条件且模型试验价格昂贵，不能完全满足我们实际的水动件且模型试验价格昂贵，不能完全满足我们实际的水动力特性计算需求。力特性计算需求。采用采用模型试验模型试验的方法最可靠并接近实际，模型试验的方法最可靠并接近实际，模型试验的资料来自于自航模型
32、试验、舵的模型试验及敞水舵图的资料来自于自航模型试验、舵的模型试验及敞水舵图谱资料。谱资料。利用模型舵叶的敞水试验资料利用模型舵叶的敞水试验资料3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算 尽管如此，前人在舵的模型试验方面做了大量的工尽管如此，前人在舵的模型试验方面做了大量的工作并得出了很多有意义的结果。作并得出了很多有意义的结果。各个研究机构发表的舵的图谱就是人们的研究成果，各个研究机构发表的舵的图谱就是人们的研究成果，我们在舵的设计中使用比较广泛和普遍。我们在舵的设计中使用比较广泛和普遍。NACA系列图谱（美国）系列图谱（美国）HEX系列图谱、系列图谱、LLAFH系列图谱（苏联）系列图谱（
33、苏联）JfS系列图谱（联邦德国）系列图谱（联邦德国）Go系列图谱（哥廷根大学）系列图谱（哥廷根大学）3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算表中编号：表中编号：第一个数字：第一个数字：拱度比，拱度比，对称机翼为对称机翼为0，不对称，不对称机翼为某个数值；机翼为某个数值；第二个数字：第二个数字：拱度所在拱度所在位置占弦长的百分数，位置占弦长的百分数，对称机翼为对称机翼为0，不对称不对称机翼为某个数值；机翼为某个数值；最后两位数字：最后两位数字：厚度比。厚度比。表中所示均为表中所示均为对称机翼剖对称机翼剖面。面。3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算舵的图谱选用原则：舵的图谱选用原则：尽
34、量选择展弦比相近的资料；尽量选择展弦比相近的资料；实船舵的展弦比、厚度比及剖面形状与实船舵的展弦比、厚度比及剖面形状与模型舵相同时，可直接采用试验结果；模型舵相同时，可直接采用试验结果；实船舵的厚度比及剖面形状与模型舵相实船舵的厚度比及剖面形状与模型舵相同，但展弦比不相同时，需进行展弦比换算，同，但展弦比不相同时，需进行展弦比换算，否则会产生误差否则会产生误差。3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算换算公式换算公式（普兰特（普兰特Prandtl公式）公式）:12112113.57yC1212211211yyyxxCCCCC下标下标1：模型舵：模型舵下标下标2：实船舵：实船舵 为攻角，单位
35、为度为攻角，单位为度流经舵叶的水流发生分离之前流经舵叶的水流发生分离之前:21ppCC 3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算主要用途是借此确定舵机扭矩及功率。舵的水动力特性计算主要用途是借此确定舵机扭矩及功率。所选的舵没有适用的图谱时，采用下述近似公式进行计算。所选的舵没有适用的图谱时，采用下述近似公式进行计算。3533.0302525.011018.023.109.0bxCCCppxy 按经验公式计算舵的水动力特性按经验公式计算舵的水动力特性1 易格（易格（Jaeger）公式）公式适用于对称机翼剖面的舵适用于对称机翼剖面的舵3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计
36、算20DyyCddCC2 孟德尔（孟德尔（Mandel）公式）公式根据根据NACA系列试验结果所得系列试验结果所得式中：式中：为攻角为为攻角为0时的升力系数曲线的斜率时的升力系数曲线的斜率0ddCy4coscos8.18.142ddCy3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算214555.01 5.0225.03.5712020025.0yyCymDyCymmdCdCCddCdCdCC距离舵导缘弦长（或平均宽度）处的力矩系数为：距离舵导缘弦长（或平均宽度）处的力矩系数为：式中，式中，CD为横流阻力系数，按图为横流阻力系数，按图1-19查取。查取。3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算
37、9.020yxxCCC舵的阻力系数：舵的阻力系数：式中，式中，Cx0为攻角为为攻角为0时的时的Cx值。值。NACA0015剖面剖面Cx0=0.0065。3.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算3 乔塞尔（乔塞尔（Jossel）公式）公式最常用的计算公式。缺点是忽略了船体及螺旋桨的影响以及最常用的计算公式。缺点是忽略了船体及螺旋桨的影响以及展弦比的影响，优点是十分简便且偏于安全，故使用依旧普展弦比的影响，优点是十分简便且偏于安全，故使用依旧普遍。遍。式中：式中：Pn为作用在舵上的法向力，为作用在舵上的法向力，N；xp为压力中心距舵的为压力中心距舵的导缘距离，导缘距离，m。bxAvPpn)si
38、n305.0195.0(sin305.0195.0sin35.4181.923.3 舵的水动力特性计算舵的水动力特性计算3 乔塞尔（乔塞尔（Jossel）公式）公式经修正的乔塞尔（经修正的乔塞尔（Jossel）公式为：）公式为：2sin3.02.0sin81.9AvKPn式中：式中：K为修正系数，按表为修正系数，按表1-2查取。查取。乔塞尔公式是根据展弦比为乔塞尔公式是根据展弦比为0.75的平板，在速度不大情况下的试验结的平板，在速度不大情况下的试验结果所提出的，后人经过修正后的乔氏公式适用于低速小展弦比的平板果所提出的，后人经过修正后的乔氏公式适用于低速小展弦比的平板舵。舵。3.4 船体和螺
39、旋桨的影响船体和螺旋桨的影响1 船体的影响船体的影响 船体为一曲面，船后的流场比较复杂，对船后舵叶的水船体为一曲面，船后的流场比较复杂，对船后舵叶的水流特性有很大的影响，主要表现为船体整流效应和船体伴流流特性有很大的影响，主要表现为船体整流效应和船体伴流的影响。的影响。有效攻角有效攻角 的变化的变化 e 船舶以一定的漂角和角速度做回转运动时，在船舶以一定的漂角和角速度做回转运动时，在不考虑船体对水流的影响下，舵轴处的几何漂角由不考虑船体对水流的影响下，舵轴处的几何漂角由于船体整流效应的影响，其值为：于船体整流效应的影响，其值为：sincosarctanRRRxVx3.4 船体和螺旋桨的影响船体
40、和螺旋桨的影响 有效攻角有效攻角 的变化的变化 e 此时舵的几何攻角为：此时舵的几何攻角为：正负号的规定：正负号的规定：船舶回转运动及舵绕舵杆轴线运动方向船舶回转运动及舵绕舵杆轴线运动方向相同取正号，方向相反取负号。相同取正号，方向相反取负号。Rg实际上由于船体对尾部附近水流的影响，使水流有沿船长方实际上由于船体对尾部附近水流的影响，使水流有沿船长方向流动的趋势，导致在舵杆轴线处的实际漂角比向流动的趋势，导致在舵杆轴线处的实际漂角比1-23式所得式所得几何漂角要小。几何漂角要小。)1(数，其值小于为船体对水流的整流系RR1 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有效
41、攻角有效攻角 的变化的变化 e 从而舵的有效攻角为：从而舵的有效攻角为：Re 在正常回转时，舵的有效攻角总是小于转舵角。但在作在正常回转时，舵的有效攻角总是小于转舵角。但在作Z形试验时，反向操舵使船舶摆脱回转状态时，有效攻角大形试验时，反向操舵使船舶摆脱回转状态时，有效攻角大于转舵角。于转舵角。总之，由于船体整流效应的影响，船舶做曲线运动时，总之，由于船体整流效应的影响，船舶做曲线运动时，舵的有效攻角小于转舵角。舵的有效攻角小于转舵角。1 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有效进速的变化有效进速的变化 船体的伴流会使舵的迎流速度下降：船体的伴流会使舵的迎流速度下
42、降：)1(RRvv 式中，式中，v为船速，为船速，为舵处的伴流系数。为舵处的伴流系数。R1 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有效进速的变化有效进速的变化 的计算：的计算：R1 矩形舵或梯形舵，其上缘靠近船体，间隙小于舵的最大厚度：矩形舵或梯形舵，其上缘靠近船体，间隙小于舵的最大厚度：vHhCBR)18.025.068.0(1两侧，舵布置在船体中心线上，舵布置在船体中心线，巡洋舰尾船舶。，方尾船舶15.01.01800BCvv1 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有效进速的变化有效进速的变化 的计算：的计算：R2 船体与矩形舵或梯
43、形舵的上缘之间间隙大于舵的最大厚度：船体与矩形舵或梯形舵的上缘之间间隙大于舵的最大厚度：vHhhCBR)218.043.068.0(211 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有效进速的变化有效进速的变化 的计算：的计算：R3 在高度上任意布置的半悬挂式舵：在高度上任意布置的半悬挂式舵：FFFR222211)1()1(121222111)218.043.068.0()218.043.068.0(FFFvHlhCvHlhCBB1 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有效进速的变化有效进速的变化 受船体影响下的舵的法向力和舵杆力矩：受船体
44、影响下的舵的法向力和舵杆力矩：数对应于敞水舵的相应系和为船体影响系数，nmRnnnmnnnCCkkAbvkCMAvkCP222)1(221 船体的影响船体的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 螺旋桨的尾流对舵叶的影响，主要表现在螺旋螺旋桨的尾流对舵叶的影响，主要表现在螺旋桨尾流中的轴向诱导速度将增加舵叶的来流速度。桨尾流中的轴向诱导速度将增加舵叶的来流速度。按理想推进器理论，螺旋桨的迎流速度为：按理想推进器理论，螺旋桨的迎流速度为：为螺旋桨伴流系数为船速；sspvvv)1(2 螺旋桨的影响螺旋桨的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 舵的轴向平均速度为：舵的轴向平均速
45、度为：21222281881ppeppppxKDvPDvPvv2 螺旋桨的影响螺旋桨的影响为螺旋桨进速比为螺旋桨转速为螺旋桨推力系数为推力减额系数为螺旋桨有效推力为螺旋桨推力penKPP,13.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 有螺旋桨尾流影响的情况下，舵的临界攻角大有螺旋桨尾流影响的情况下，舵的临界攻角大于在单独舵试验中的值，且值随着滑脱比的增加而增于在单独舵试验中的值，且值随着滑脱比的增加而增加。加。当螺旋桨滑脱比很小时，其对舵的压力中心位当螺旋桨滑脱比很小时，其对舵的压力中心位置影响可不计。但当滑脱比大于置影响可不计。但当滑脱比大于0.5时，压力中心位时，压力中心位置变化很大。目
46、前最可靠的确定螺旋桨尾流中舵的压置变化很大。目前最可靠的确定螺旋桨尾流中舵的压力中心的方法是模型试验。力中心的方法是模型试验。2 螺旋桨的影响螺旋桨的影响3.4 船体和螺旋桨的影响船体和螺旋桨的影响 总结而言：总结而言：在舵的水动力计算中，螺旋桨尾流的在舵的水动力计算中，螺旋桨尾流的影响可归结为在轴向诱导速度影响下螺旋桨尾流轴向影响可归结为在轴向诱导速度影响下螺旋桨尾流轴向平均速度的计算。平均速度的计算。综合考虑船体和螺旋桨的影响综合考虑船体和螺旋桨的影响，所得舵的法向力，所得舵的法向力和弯矩如下：和弯矩如下：2 螺旋桨的影响螺旋桨的影响AbvkkCMAvkkCPsnmsnnn22223.5
47、倒航时舵叶的水动力特性计算倒航时舵叶的水动力特性计算 倒航时，航速明显下降，舵压力较小，但舵杆倒航时，航速明显下降，舵压力较小，但舵杆扭矩增大，需进行倒航水动力特性计算，计算原理同扭矩增大，需进行倒航水动力特性计算，计算原理同正航舵。但取值上需要注意：正航舵。但取值上需要注意：l 倒航航速取正航时一半；倒航航速取正航时一半；l 倒航伴流系数取正航时倒航伴流系数取正航时1/31/2；l 倒航时忽略螺旋桨尾流影响；倒航时忽略螺旋桨尾流影响；l 水动力特性系数取倒航时模型舵的试验数据，若无，升力系水动力特性系数取倒航时模型舵的试验数据，若无，升力系数取正航时的数取正航时的0.75倍；倍；l 倒航时压
48、力中心距导缘的距离或压力中心系数取自倒航时的倒航时压力中心距导缘的距离或压力中心系数取自倒航时的模型试验数据，若无，取正航时的距离或按经验公式确定。模型试验数据，若无，取正航时的距离或按经验公式确定。1 1、舵效的概念、舵效的概念 操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角的大小的效能称为舵效。的大小的效能称为舵效。2 2、舵效指数、舵效指数(转首指数转首指数P)P)其物理意义：操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按其物理意义：操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的转向角的变化值。一阶模拟得到的转向角的变化值。3 3、影响
49、舵效的因素、影响舵效的因素（1 1）舵角的影响）舵角的影响一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵角有关，舵角越大，一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵角有关，舵角越大，舵效越好。舵效越好。（2 2）舵速影响）舵速影响一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵速有关，舵速越大，一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵速有关，舵速越大，舵效越好。舵效越好。（3 3）排水量影响）排水量影响 舵效与船舶转动惯量有关，惯量大舵效与船舶转动惯量有关，惯量大(排水量排水量)越大，舵效越越大，舵效越差。换言之，转动惯量越大，船舶不易控制。差。换言之，转动惯量越大，船舶不易控制。3 3、影响舵效的因素、影响舵效的因素（4）
50、纵倾、横倾的影响）纵倾、横倾的影响 首倾比尾倾舵效差；横倾时，向低舷转向比向高舷转向舵效首倾比尾倾舵效差；横倾时，向低舷转向比向高舷转向舵效差。差。（5）转舵速率的影响）转舵速率的影响 转舵越快，舵效越好，反之，越差。转舵越快，舵效越好，反之，越差。（6）外界因素的影响（风、流、浅水等）外界因素的影响（风、流、浅水等）顺风、顺流舵效比顶风、顶流舵效差；浅水中，由于船舶旋顺风、顺流舵效比顶风、顶流舵效差；浅水中，由于船舶旋回阻尼力矩比深水中大，因此，浅水中舵效比深水中差。回阻尼力矩比深水中大，因此，浅水中舵效比深水中差。性能优良的舵设备所具备的条件：性能优良的舵设备所具备的条件：p 能满足船舶对
