CN101380996A - 船舵 - Google Patents

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Abstract

在包括舵叶(30)及保持和支承在舵杆筒(20)内的舵杆(40)的船舵中，舵杆筒(20)由纤维复合材料(100)组成的并插入船厂方面准备的、在船结构外面的、一直达到压头箱(11)的底缘(11a)并插入舵叶(30)内的、由钢或者其他适用材料制成的船结构上的杆筒管(90)内，其中，在将舵杆筒(20)在船结构的杆筒管(90)内定向后，两个结构件(20、90)之间形成的间隙利用浇铸树脂(95)浇铸或者两个结构件(20、90)相互粘接。

Description

船舵
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的船舵。
背景技术
公知舵系的舵杆筒由锻钢组成，从而这种舵系具有很高的重量。
发明内容
本发明的目的在于，为结构件舵杆找到一种锻钢的替代材料。但单独替换结构件舵杆上的材料会导致整个系统出现困难，例如由于结构件舵杆和舵杆筒刚性上的差别过大而超过允许的最大轴承间隙。出于这一原因，同样也要替换舵杆筒的材料，方法是提供一种重量轻的舵杆筒，其尽管重量轻但仍具有很高的抗弯强度和抗扭强度。
该目的依据一种开头所述类型具有权利要求1特征的舵得以实现。
本发明的特征因此在于，舵系的舵杆筒由舵叶、舵杆构成并且舵杆筒由纤维复合材料制成，并在船厂方面准备的、船结构外面一直达到压头箱底缘的杆筒管内插入和定向后进行浇铸或者粘接。
纤维复合结构的舵杆筒与船结构的钢结构一体化如同尾管(stern tube)上那样进行:将舵杆筒插入船厂准备的、在船结构外面的一直达到压头箱底缘的杆筒管内、定向并然后浇铸或者粘接。为船结构杆筒管的底缘应找到具体解决方案(例如装入软材料的楔形环)，以便在这里降低纤维复合材料的杆筒管内的局部应力集中。
利用舵杆筒依据本发明的构成达到以下优点:作为锻钢选择材料的主要理由是大型锻件不易购置和高成本。在与有效的制造方法结合下使用纤维复合材料带来成本优势。使用纤维复合材料的舵杆同样需要替换舵杆筒的材料。采用纤维复合材料与锻钢结构件相比的优点是明显减轻重量。借助粘接法将舵杆筒装入船结构上准备的船结构内带来工艺优势，如可以更好定向、取消焊接和焊接延迟。
其他具有优点的构成是各从属权利要求的主题。
除了舵杆筒由纤维复合材料构成外，按照本发明的另一实施方式，舵系统的舵杆也由纤维复合材料制成。
纤维复合材料为碳素纤维复合材料或者由含有环氧树脂基的碳素纤维组成或者为含有聚酯树脂基的玻璃纤维复合材料。
按照另一种构成，舵杆和或者舵杆筒按照纤维缠绕法(Filamentwinding)制造。
使用纤维复合材料的舵杆筒和/或者舵杆在一种舵上特别具有优点，其舵杆筒作为悬臂梁具有用于容纳舵叶的舵杆的中心内部长孔并构成为一直伸入到与舵杆端连接的舵叶内，其中，用于支承舵杆的轴承设置在舵杆筒的内部长孔内，舵杆利用其自由端伸入舵叶的间隙、收缩处或者这类部位内，其中，舵杆在其端区内以一个段从舵杆筒引出并利用该段的末端与舵叶连接，其中，舵杆与舵叶的连接处于螺旋桨轴中心的上方以及其中用于在舵杆筒内支承舵杆的内侧轴承设置在舵杆筒的端区内。
纤维复合材料舵杆筒的高度稳定性和抗弯强度可以使舵杆的轴承设置在舵杆筒的端区内，而且即使在舵杆具有较大长度的情况下。只有舵杆的这种支承设置才可以使作用于舵的舵叶的压力得到吸收。
此外，舵杆具有由金属材料、特别是熟铁制成的端段和一个与端段连接的由非金属材料制成的杆中段。
按照另一种实施方式，舵杆由非金属材料组成的杆中段由碳素纤维复合材料或者由碳素纤维，优选由石墨纤维组成。
舵杆的由熟铁制成的两个端段在它们相对的端面上具有轴颈式收缩的栓柱形段，所述的栓柱形段的环形表面设有作为用于由碳素纤维制成的杆中段的附着面的结构部，所述结构部以绕组的形式环绕端段上的栓柱形段，其中，碳素纤维在沿着杆中段的长度延伸的整个绕组区域内采用浇铸树脂外包层和浇铸。
舵杆这种构成带来的优点是，可以为水上运输工具的舵制造大长度、大直径和高重量的舵杆，而整个舵杆无需为此均由熟铁制成，因为舵杆的端段由熟铁制成，而舵杆处于端段之间的中段由非金属材料制成，而且特别是由碳素纤维复合材料或者由碳素纤维、优选由石墨纤维以缠绕舵杆的杆中段方式形成，其中，碳素纤维复合材料或碳素纤维的绕组一直延伸到舵杆端段的相对的末端内并与其固定连接。按照这种方式提供一种舵杆，其端段由熟铁组成并因此可以承受最高负荷。此外，舵杆的由熟铁组成的端段将支承舵杆的轴承容纳在舵杆筒轴承内。
如果整个舵杆例如由碳素纤维复合材料制成并按照纤维缠绕法制造的话，可以取消熟铁的端段。在这种构成中，抗弯强度和抗扭强度均不受影响。
附图说明
附图举例示出本发明的主题。其中:
图1示出船尾区域内的舵设置及一个设置在舵杆筒内的舵杆的侧视图；
图2示出具有舵杆筒、舵杆和舵叶的舵系的部分视图和部分垂直剖面图；
图3示出图2的放大部分A，具有一直伸入压头箱底缘并插入外杆筒管内
以及浇铸或者粘接的舵杆筒；
图4示出具有单端面支承在杆筒管内并固定在舵叶上的舵杆的舵系的部分视图和部分垂直剖面图；
图5示出具有熟铁端面端和非金属材料杆中段的舵杆图；以及
图6示出具有熟铁的端部部分和一个与端侧部分连接的缠绕碳素纤维的杆中段的舵杆图。
具体实施方式
在图1和4所示船舵系的实施方式中，10表示船体，20表示舵杆筒及其两个末端20a、20b，30表示舵叶和40表示舵杆。
作为悬臂梁构成的管状舵杆筒20利用其上端20a与船体10固定连接并具有一个容纳舵杆40的内部孔25。舵杆筒20穿入舵叶30内，该舵叶与舵杆40穿过舵杆筒轴承20的内部孔25的自由下端20b固定连接。用于容纳舵杆筒20的自由端20b的、在舵叶30内构成的、最好圆柱体的收缩处35通过侧面覆板36、37限定(图4)。
舵杆筒20具有一个用于容纳用于舵叶30的舵杆40的中心内部长孔25并构成为一直伸入到与舵杆端连接的舵叶30内，其中，为支承舵杆40，至少一个轴承70设置在舵杆筒20的内部长孔25内，舵杆利用其自由端40a伸入舵叶30的间隙、收缩处或者这类部位内，其中，舵杆40在其端区40a内以一个段40b从舵杆筒20引出并利用该段40b的末端与舵叶30连接，其中，舵杆40与舵叶30的连接最好处于螺旋桨轴中心PM的上方。用于支承舵杆40的内侧轴承70设置在舵杆筒20内在舵杆筒20的端区内(图4)。
为支承舵杆40，舵杆筒20具有至少一个轴承。在图4所示的实施例中具有两个轴承70、71，即一个内侧轴承70和一个外侧轴承71，其中，轴承70构成在舵杆筒轴承20的内壁面上并且另一轴承71构成在舵杆筒的外壁面上或者构成在设置在舵叶30上的轴承的内壁面上。
支承在舵杆筒20内的舵杆40由熟铁组成或者优选这样构成，使其两个端段41、42由熟铁组成，其中，杆中段45由非金属材料制成，特别是由碳素纤维复合材料或者由碳素纤维，优选由含或者不含环氧树脂基的石墨纤维组成(图5)。熟铁是指碳含量低于0.8％的铁。具有优点的是，舵杆40按照公知的纤维缠绕法(Filament Winding System)制造。
为固定舵杆40的舵杆中间段45可以采用不同的结构形式。如图5的实施方式所示，两个端段41、42彼此相对的端面具有栓柱形段51、52，其优选具有外壁结构部51a、51b，以保证附着力和固定碳素纤维的杆中段45。碳素纤维或碳素纤维复合材料最好通过绕组60按照纤维缠绕法固定在端段41、42的栓柱51、52上，其中，绕组通过两个栓柱51、52的圆周并通过杆中段45的整个长度延伸。为提高强度，碳素纤维利用浇铸树脂外包层或浇铸。
特别具有优点的是，舵杆20的构成就此而言可以在最低重量的情况下作为长度非常大的舵杆制造。长度例如为10m的舵杆，其重量与完全由熟铁制成的舵杆相比减少50％以上。
依据另一种实施方式，设置在舵杆筒20内的舵杆40在设置在舵杆筒20内的轴承70、71的区域内具有材料加固部80，其中，优选材料加固部80处于舵杆筒端20b的区域内。这种材料加固部80在舵杆40上，优选在舵杆40的端段42上构成在设置在舵杆筒20上的内侧轴承70的区域内(图4)。
在图2和3所示的实施方式中，舵杆筒20由纤维复合材料100组成并插入船厂方面准备的、船结构外面的、一直达到压头箱11的底缘11a并装入舵叶30内的由钢或者其他适用材料制成的船结构上的杆筒管90内，其中，在将舵杆筒20在船结构的杆筒管90内定向后，在两个结构件20、90之间形成的间隙利用浇铸树脂95浇铸或者两个结构件20、90相互粘接。
通过舵杆筒20与杆筒管90采用粘接或者使用浇铸树脂连接，两个结构件之间产生一种固定结合，从而可以为管状舵杆筒和杆筒管使用薄壁材料，这样也减轻了重量，从而在大型舵设备的情况下具有特别重要的意义。
复合纤维纤结构的舵杆筒20与船结构的钢结构，也就是与舵叶30一体化类似于船的尾管上那样进行。将舵杆筒20插入船厂准备的、船结构外面的、一直达到压头箱11底缘11a的由钢或者其他适用材料制成的杆筒管90内。将该船结构的杆筒管90装入舵叶30内并固定。然后将纤维复合材料的舵杆筒20在船结构的杆筒管90内定向。船结构的杆筒管90与舵杆筒20之间的间隙然后例如利用浇铸树脂95浇铸或者将两个结构件相互粘接，从而在船结构的杆筒管90与舵杆筒20之间产生一种固定连接(图3)。在这样构成的系统内然后将舵杆40插入舵杆筒20内并支承在舵叶30上以及在端侧与舵叶固定。船结构杆筒管90的底缘的具体解决方案可以是例如装入软材料的楔形环，以便在这里降低舵杆筒20内的局部应力集中。
为制造舵杆筒20和/或者舵杆40使用的纤维复合材料为碳素纤维复合材料或者由环氧树脂基的碳素纤维组成或者为含有聚酯树脂基的玻璃纤维复合材料。
无论是舵杆40还是舵杆筒20均按照纤维缠绕法(Filament WindingSystem)制造。
纤维复合材料与锻钢相比具有明显优势，因为含有环氧树脂基的碳素纤维复合材料与含有聚酯树脂基的玻璃纤维材料相比在刚性、耐抗性和强度方面具有更佳的材料特性，但后果是材料成本也更高。当然，舵杆筒的材料选择只能结合舵杆的设计进行，以确定两个结构件舵杆筒和舵杆的结构强度。
作为一种锻钢替代材料，如纤维复合材料的主要理由是大型锻件不易购置和高成本。在与有效的制造方法结合下使用纤维复合材料带来成本优势。
采用纤维复合材料与锻钢结构件相比的优点是明显减轻重量。
借助粘接法将舵杆筒20装入船结构上准备的船结构内带来工艺上的优势，如可以更好定向、取消焊接和焊接变形。
如果为舵杆筒20使用具有熟铁特性的纤维复合材料，那么这样构成的舵杆筒20也可以在无钢制杆筒管90的中间连接的情况下使用。
此外，本发明包括一种用于制造容纳舵杆40的、设置在船舵的舵叶30内的舵杆筒20的方法，其中，舵叶30内装入并固定一个由钢或者其他适当材料制成的船结构外部的杆筒管90，然后在船结构的杆筒管90内装入纤维复合材料100的舵杆筒20并在杆筒管90内定向，然后将舵杆筒20与杆筒管90之间的间隙利用浇铸树脂95填充或者将两个结构件20、90相互粘接。船结构的杆筒管90在此方面优选一直达到舵叶30的压头箱11的底缘11a。
附图标记清单
10    船体
11    压头箱
11a   底缘
20    舵杆筒
20a   上部舵杆筒轴承端
20b   下部舵杆筒轴承端
25    内部长孔
30    舵叶
31    收缩处
35    圆柱体收缩处
36    侧面覆板
37    侧面覆板
40    舵杆
40a   舵杆下端
40b   末端
41    端区
42    端段
45    杆中段
51    栓柱
51a   表面结构部
52    栓柱
52a   表面结构部
60    碳素纤维绕组
70    内侧轴承
71    外侧轴承
80    材料加固部
90    杆筒管
95    浇铸树脂
100   纤维复合材料
PM    螺旋桨轴中心。

Claims (15)

1.船舵，包括舵叶(30)及保持和支承在舵杆筒(20)内的舵杆(40)，其特征在于，舵杆筒(20)由纤维复合材料(100)制成并插入船厂方面准备的、在船结构外面的、一直达到压头箱(11)的底缘(11a)并装入舵叶(30)内的、由钢或者其他适用材料制成的船结构上的杆筒管(90)内，其中，在将舵杆筒(20)在船结构的杆筒管(90)内定向后，两个结构件(20、90)之间形成的间隙利用浇铸树脂(95)浇铸或者两个结构件(20、90)相互粘接。
2.按权利要求1所述的舵，其特征在于，舵杆(40)由纤维复合材料(100)制成。
3.按权利要求1或2之一所述的舵，其特征在于，纤维复合材料(100)为碳素纤维复合材料或者由含有环氧树脂基的碳素纤维组成。
4.按权利要求1或2之一所述的舵，其特征在于，纤维复合材料为含有聚酯树脂基的玻璃纤维复合材料。
5.按前述权利要求1-4之一所述的舵，其特征在于，舵杆(40)和/或者舵杆筒(20)按照纤维缠绕法制造。
6.按权利要求1所述的舵，其特征在于，舵杆(40)具有由金属材料、特别是熟铁制成的端段(41、42)和与端段(41、42)连接的由非金属材料制成的杆中段(45)。
7.按权利要求6所述的舵，其特征在于，舵杆(40)的由非金属材料制成的杆中段(45)由碳素纤维复合材料或者由碳素纤维、优选由石墨纤维制成。
8.按前述权利要求6和7之一所述的舵，其特征在于，舵杆(40)的由熟铁制成的两个端段(41、42)在它们相对的端面上具有轴颈式收缩的栓柱形段(51、52)，所述栓柱形段的环形表面设有作为用于由碳素纤维制成的杆中段(45)的附着面的结构部(51a、52a)，所述结构部以绕组(60)的形式环绕端段(41、42)上的栓柱形段(51、52)，其中，碳素纤维在沿杆中段(45)的长度延伸的整个绕组区域内采用浇铸树脂外包层和浇铸。
9.按前述权利要求6-8之一所述的舵，其特征在于，舵杆(40)的各端段(41、42)和杆中段(45)的长度比为1/6:2/3:1/6。
10.按前述权利要求1-9之一所述的舵，其特征在于，舵杆(40)在设置在舵杆筒轴承(20)内的轴承(70、71)的区域内具有材料加固部。
11.按权利要求10所述的舵，其特征在于，舵杆筒轴承端(20b)的区域内具有材料加固部(80)。
12.按权利要求10或11所述的舵，其特征在于，材料加固部(80)构成在设置在舵杆筒轴承(20)上的内侧轴承(70)的区域内。
13.按前述权利要求1-12之一所述的舵，其特征在于，舵杆筒(20)作为悬臂梁具有用于容纳用于舵叶(30)的舵杆(40)的中心内部长孔(25)并构成为一直伸入到与舵杆连接的舵叶(30)内，其中，为支承舵杆(40)，至少一个轴承(70)设置在舵杆筒(20)的内部长孔(25)内，舵杆以其自由端(40a)伸入舵叶(30)的间隙、收缩处或者这类部位(31)内，其中，舵杆(40)在其端区(40a)内以一个段(40b)从舵杆筒(20)引出并利用该段(40b)的末端与舵叶(30)连接，其中，舵杆(40)与舵叶(30)的连接最好处于螺旋桨轴中心(PM)的上方，以及用于在舵杆筒(20)内支承舵杆(40)的内侧轴承(70)设置在舵杆筒(20)的端区内。
14.用于制造容纳舵杆(40)的、在船舵的舵叶(30)内设置的舵杆筒(20)的方法，其特征在于，在舵叶(30)内装入并固定由钢或者其他适当材料制成的船结构外部的杆筒管(90)，然后在船结构的杆筒管(90)内装入由纤维复合材料(100)制成的舵杆筒(20)内并在杆筒管90内定向，然后将舵杆筒(20)与杆筒管(90)之间的间隙利用浇铸树脂(95)填充或者将两个结构件(20、90)相互粘接。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，将船结构的杆筒管(90)一直插入至舵叶(30)压头箱(11)的底缘(11a)。
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