CN100348459C - 十字型抗纵摇舵 - Google Patents

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Abstract

一种船舶与海洋工程技术领域的十字型抗纵摇舵，由一个垂向反应舵叶、由垂向反应舵叶两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶和交接处的流线型的舵球焊接成整体组成，安装在船舶尾部的螺旋桨后方，螺旋桨与十字型抗纵摇舵邻近。本发明有效地降低波浪中船体的纵摇运动，特别是大幅度降低接近共振状态时的船体纵摇幅度，全面提高大型水面船舶的耐波性能。它可以是悬挂舵、半悬挂舵和支承舵，适用于单桨单舵船、双桨双舵船和多桨多舵船。既可用于新船的设计，也可在不改变主船体结构的情况下，用于现役水面船舶的改造和耐波性能的提高，有非常广阔的推广应用前景。

Description

十字型抗纵摇舵
技术领域
本发明涉及的是一种船舶技术领域的装置，具体是一种十字型抗纵摇舵。
背景技术
为了降低船舶的摇摆运动、提高船舶耐波性，大多数船舶在水下船体舭部沿船长方向布置有舭龙骨，有些船舶装有减摇水舱或减摇鳍。舭龙骨结构简单、成本低廉，但减摇效果在低速时不理想，增加航行阻力；减摇水舱不仅需占用船舱的有效容积、提高运营成本，而且横摇衰减效果较差；减摇鳍是一种主动式的减摇装置，高速航行时减摇效果好，低速航行或无航速时基本上起不到减摇的效果，且结构复杂、造价昂贵，同样需占用船舱的有效容积。而且这些主动式或被动式的减摇装置仅仅是用于减小船舶的横摇运动，对船舶的纵摇运动减小没有效果。而对水面船舶，尤其对大型水面船舶而言，纵摇特性是耐波性中的一个重要指标，严重的纵摇运动可能会造成人员和经济上的重大损失。因此，有效地控制和降低大型水面船舶的纵摇运动，从而改善大型水面船舶的耐波性，是船舶设计中的重要考虑因素。
经对现有技术的文献检索发现，十字舵或X舵在潜艇上有所应用，即在潜艇的圆锥形尾部螺旋桨前安装有十字舵或X舵，如文献有“差动式十字舵的操纵特性”(武汉造船，1999年第3期，11-13页，作者：王京齐，施生达)、“X舵潜艇的等效舵角转换装置设计与仿真分析”(船舶，2005年6月第3期，47-50页，作者：胡坤，庞晓楠)等。然而，这些十字舵或X舵主要是用于潜艇的操纵运动，垂向舵叶控制潜艇在水平面上的机动，水平向舵叶控制潜艇的下潜和上浮，在一定程度上，差动式十字舵可控制或减小潜艇在水平面上回转时的横倾幅度。但这些技术和装置仅用于潜艇而不是用于水面船舶；其功能是用于潜艇的操纵运动，而不是用于船舶在波浪中的纵摇运动的消减；结构形式和安装形式也完全不同于本发明提出的十字型抗纵摇舵。在进一步的检索中，至今尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对目前尚未有有效地降低船舶纵摇运动的装置和技术的现状，提供一种十字型抗纵摇舵，使其在保持船舶综合推进效率和操纵性能与安装普通舵的同型船相比基本不变的情况下，有效地降低波浪中船体的纵摇幅度，特别是大幅度降低接近共振状态时的船体纵摇幅度，从而全面提高大型水面船舶的耐波性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明十字型抗纵摇舵由一个垂向反应舵叶、由垂向反应舵叶两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶和交接处的流线型的舵球焊接成整体组成，安装在船舶尾部的螺旋桨后方，螺旋桨与十字型抗纵摇舵邻近。
垂向反应舵叶中心面与两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶中心面的交线位于螺旋桨轴线的延长线上(以下简称桨轴线)，并以该交线为回转轴线装有流线型的舵球，舵球横截面直径大于相应位置上舵叶的厚度。垂向反应舵叶侧面形状为前缘垂直的、上大下小的倒挂梯形，上下两端水平截面为对称的机翼型，沿垂向向十字舵桨轴线方向，该对称机翼型截面逐渐过渡为非对称的机翼型，即翼型的导边中心位置逐渐偏转，偏转程度逐渐光顺地加大，到桨轴线位置达到最大；桨轴线以上的翼型和桨轴线以下的翼型的导边中心位置偏转程度一样、方向相反，由尾向首看，对右旋螺旋桨，桨轴线以上的翼型的导边中心位置向左偏转，桨轴线以下的翼型的导边中心位置向右偏转；对左旋螺旋桨，桨轴线以上的翼型的导边中心位置向右偏转，桨轴线以下的翼型的导边中心位置向左偏转。
两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶的水平投影是对称的。纵摇运动时十字型抗纵摇舵两侧水平向反应舵叶上所受的垂向的流体作用力，对主船体产生较大的抵抗纵摇的阻尼力矩，从而达到有效地降低纵摇的目的。十字型抗纵摇舵两侧水平向反应舵叶的两端垂向截面为对称的机翼型，垂向截面沿水平向向十字舵桨轴线方向逐渐过渡为非对称的机翼型，即翼型的导边中心位置逐渐偏转，桨轴线以左的翼型和桨轴线以右的翼型的导边中心位置偏转方向相反，由尾向首看，对右旋螺旋桨，桨轴线以左的翼型的导边中心位置向下偏转，桨轴线以右的翼型的导边中心位置向上偏转；对左旋螺旋桨，桨轴线以左的翼型的导边中心位置向上偏转，桨轴线以右的翼型的导边中心位置向下偏转。这样一来，十字抗纵摇舵在有效地减小纵摇的同时，事实上也组成了处于螺旋桨尾流中的整流装置，可有效地回收螺旋桨尾流的能量，提高推进效率，抵消由于十字舵两侧水平向反应舵叶所引起的阻力增加；舵球可有效地降低螺旋桨毂涡的影响，同样起到提高推进效率的作用。
本发明应用流体动力学理论，在方便、实用和有广泛适用性的原则下，提出一种十字型抗纵摇舵，纵摇运动时十字型抗纵摇舵两侧平伸出去的水平向反应舵叶上受到垂向的流体作用力，由于十字型抗纵摇舵远离船舯，该垂向流体作用力对主船体产生较大的抵抗纵摇的阻尼力矩，从而达到有效地降低纵摇的目的，提高和改善波浪中航行的水面船舶的运动特性，提高大型水面船舶的环境适应能力和运营能力。同时，设计的垂向和水平向反应舵叶在有效地减小纵摇的同时，事实上也组成了处于螺旋桨尾流中的整流装置，可有效地回收螺旋桨尾流的能量，提高推进效率，可保持安装十字型抗纵摇舵的船舶的综合推进效率和操纵性能与安装普通舵的同型船相比基本不变。
本发明的进步性和有益效果在于：(1)在保持安装十字型抗纵摇舵的船舶的综合推进效率和操纵性能与安装普通舵的同型船相比基本不变的情况下，有效地降低波浪中船体的纵摇幅度，特别是大幅度降低接近共振状态时的船体纵摇幅度，从而全面提高大型水面船舶的耐波性能。无论在船舶静止、低速或高速航行时均可起到良好的降低船舶纵摇运动的效果；(2)不像减摇水舱需占用船舱的有效容积，也不需要减摇鳍的复杂结构和驱动与控制装置；(3)造价低廉，不需要运行费用，并基本上不需要后期维护费；(4)适应范围广泛。按船后桨、舵的数量来分，适用于单桨单舵船、双桨双舵船和多桨多舵船；按舵的支承方式来分，适用于悬挂舵、半悬挂舵和支承舵；按舵轴位置来分，可适用于平衡舵或舵前有舵柱的非平衡舵；(5)既可用于新船的设计，为开发新一代的高耐波性大型水面船舶提供有效减低纵摇技术和装备，也可在不改变现役水面船舶主船体结构的情况下，用于现役水面船舶的改造和耐波性能的提高，有非常广阔的推广应用前景。
附图说明
图1为本发明结构侧视图
图2为本发明结构正视图
图3为本发明结构俯视图
图4为图1所示A-A剖面图
图5为图1所示B-B剖面图
图6为图3所示C-C剖面图
图7为图3所示D-D剖面图
具体实施方式
本发明适应范围广泛。按船后桨、舵的数量来分，适用于单桨单舵船、双桨双舵船和多桨多舵船；按舵的支承方式来分，适用于悬挂舵、半悬挂舵和支承舵；按舵轴位置来分，可适用于平衡舵或舵前有舵柱的非平衡舵。以下结合双桨双悬挂舵船舶(即安装有两个螺旋桨和两个舵的船舶)的实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明的每单个十字型抗纵摇舵均由一个垂向反应舵叶1、由垂向反应舵叶两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶2和交接处的流线型的舵球3焊接成整体组成，安装在船体4尾部的螺旋桨5后方，螺旋桨与十字型抗纵摇舵邻近。
按照图1所示的十字型抗纵摇舵实施例的侧视图，垂向反应舵叶1中心面与两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶2中心面的交线位于螺旋桨轴线的延长线上(以下简称桨轴线)，并以该交线为回转轴线装有流线型的舵球3，舵球横截面直径大于相应位置上舵叶的厚度。垂向反应舵叶1的侧面形状为前缘垂直的矩形或上大下小的倒挂梯形，这里所示的为矩形的例子。垂向反应舵叶1上下两端水平截面为对称的机翼型，沿垂向向桨轴线方向，该对称机翼型截面逐渐过渡为非对称的机翼型(见图4和图5)，即翼型的导边中心位置线逐渐偏转，偏转程度逐渐光顺地加大，到桨轴线位置达到最大；桨轴线以上的翼型和桨轴线以下的翼型的导边中心位置偏转程度一样、方向相反，由尾向首看，对右旋的螺旋桨，桨轴线以上的翼型的导边中心位置线向左偏转，桨轴线以下的翼型的导边中心位置线向右偏转；对左旋的螺旋桨，桨轴线以上的翼型的导边中心位置线向右偏转，桨轴线以下的翼型的导边中心位置线向左偏转。十字型抗纵摇舵与舵杆6可用锥体或连接法兰7连接。本图中显示的是用连接法兰连接的情况。
图2所示的本发明实施例的正视图(从螺旋桨后方位置由首向尾看)中即表示了翼型的导边中心位置线根据给定螺旋桨旋向的偏转程度。图例中位于左舷的螺旋桨为左旋的螺旋桨，位于右舷的螺旋桨为右旋的螺旋桨(船舶左右舷的定义为由尾向首看，左手侧为左舷，右手侧为右舷，本图为由首向尾看)。对称和非对称的机翼截面可选用流体动力特性优秀的现有翼型。
从图3的俯视图所示，两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶2的水平投影是对称的，以双桨双悬挂舵的船舶为例，通常的转舵角限位为±35°，水平投影以两舵联动以同样的舵角转动时互不相碰为原则。
本发明十字型抗纵摇舵的两侧水平向反应舵叶2的两端垂向截面为对称的机翼型，垂向截面沿水平向向十字舵桨轴线方向逐渐过渡为非对称的机翼型(见图4和图5、图6和图7)，即翼型的导边中心位置线逐渐偏转，桨轴线以左的翼型和桨轴线以右的翼型的导边中心位置线偏转方向相反，由尾向首看，对右旋的螺旋桨，桨轴线以左的翼型的导边中心位置线向下偏转，桨轴线以右的翼型的导边中心位置线向上偏转；对左旋的螺旋桨，桨轴线以左的翼型的导边中心位置线向上偏转，桨轴线以右的翼型的导边中心位置线向下偏转。本发明在有效地减小纵摇的同时，事实上也组成了处于螺旋桨尾流中的整流装置，可有效地回收螺旋桨尾流的能量，提高推进效率，抵消由于十字舵两侧水平向反应舵叶所引起的阻力增加；舵球可有效地降低螺旋桨毂涡的影响。

Claims (5)

1、一种十字型抗纵摇舵，其特征在于，由一个垂向反应舵叶(1)、由垂向反应舵叶两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶(2)和交接处的流线型的舵球(3)焊接成整体组成，设置在船体(4)尾部的螺旋桨(5)后方。
2、根据权利要求1所述的十字型抗纵摇舵，其特征是，所述的垂向反应舵叶(1)，其中心面与两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶(2)中心面的交线位于螺旋桨轴线的延长线上，并以该交线为回转轴线设置流线型的舵球(3)。
3、根据权利要求1或者2所述的十字型抗纵摇舵，其特征是，所述的垂向反应舵叶(1)，其侧面形状为前缘垂直的、上大下小的倒挂梯形，上下两端水平截面为对称的机翼型，沿垂向向十字舵桨轴线方向，该对称机翼型截面逐渐过渡为非对称的机翼型，即翼型的导边中心位置逐渐偏转，偏转程度逐渐光顺地加大，到桨轴线位置达到最大；桨轴线以上的翼型和桨轴线以下的翼型的导边中心位置偏转程度一样、方向相反。
4、根据权利要求1或者2所述的十字型抗纵摇舵，其特征是，所述的垂向反应舵叶(1)，由尾向首看，对右旋螺旋桨，桨轴线以上的翼型的导边中心位置向左偏转，桨轴线以下的翼型的导边中心位置向右偏转；对左旋螺旋桨，桨轴线以上的翼型的导边中心位置向右偏转，桨轴线以下的翼型的导边中心位置向左偏转。
5、根据权利要求1所述的十字型抗纵摇舵，其特征是，所述的两侧垂直平伸出去的水平向反应舵叶(2)的水平投影是对称的。
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