CN101434293B - 船用高性能舵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设计为铲形舵的船用高性能舵，包括舵叶、舵杆筒和舵杆，舵叶有前缘和尾缘，应将其设计为具有良好机动性能且同时能承受高负荷。为此，在横截面内看，舵叶型面从前缘沿舵纵向直至形成舵型最宽部位的中央区按第一侧面角扩展。舵叶型面从中央区直至形成舵型最窄部位的后部区按第二侧面角收缩，从后部区直至尾缘尤其呈燕尾状重新扩展。在舵杆筒的内部纵向孔中设用于支承舵杆的支座，舵杆筒以其自由端伸入舵叶内的空隙、凹部或类似结构中，舵杆的端区从舵杆筒伸出并与舵叶连接，在舵叶与舵杆筒之间未设支承装置，在舵杆筒中用于支承舵杆的内支座设在舵杆筒自由端区域内。

Description

船用高性能舵

技术领域

本发明涉及一种设计为铲形舵的船用高性能舵，包括舵叶、舵杆筒和舵杆，其中舵叶具有前缘和尾缘。

背景技术

由现有技术已知这种舵。在装入船内的状态，该舵通常沿船的行驶方向装在一个设在船体上的螺旋桨后方，其中，舵叶的前缘面朝螺旋桨而尾缘背对螺旋桨。在装入状态，前缘和尾缘通常基本上垂直地定向。

也称为“high lift rudder(高升力舵)”的高性能舵是指这样的舵，它产生大的动力学升力并因而具有特别高的舵效。尤其是这种K₂系数为1.4或更大的舵被认为是高性能舵。K₂系数的大小尤其取决于型面的形状。所说K₂系数是一个用于按下式确定舵压力的系数：

C_R＝132·A·v²·K₁·K₂·K₃·K_t[N]

v＝速度

K₁＝系数，取决于舵面的展弦比

K₂＝系数，取决于舵型的类型

K₃＝系数，取决于舵的布置

K_t＝系数，取决于推力负荷系数

对于本发明的特定目的而言，在下文中术语“刚性舵”指的是这样一种舵叶，它由一单个的刚性体组成并且没有可铰接或可运动的部分，例如可铰接的鳍之类。

发明内容

本发明的目的是，提供一种前言所述类型的高性能舵，其中用一个没有运动部分的尤其是刚性的舵叶，可以获得良好的机动性能，与此同时可承受高的负荷，尤其是弯矩，并因而也可以应用于很大型的船舶。

为实现上述目的，本发明提供一种设计为铲形舵的船用高性能舵，包括舵叶、舵杆筒和舵杆，其中舵叶具有前缘和尾缘，其特征为：在横截面内看，舵叶的型面从前缘沿舵纵向直至形成舵型最宽部位的中央区按第一侧面角扩展，从中央区直至形成舵型最窄部位的后部区按第二侧面角收缩，并且，从后部区直至尾缘重新扩展；以及，舵杆筒作为悬臂梁设有用于安装舵杆的中央内部纵向孔并设计为一直伸入到舵叶内，其中，在舵杆筒的内部纵向孔中设置用于支承舵杆的支座，舵杆筒以其自由端伸入舵叶内的空隙、凹部或类似结构中，其中，舵杆的端区从舵杆筒伸出并与舵叶连接，在舵叶与舵杆筒之间未设支承装置，以及，在舵杆筒中用于支承舵杆的支座设置在舵杆筒的自由端区域内；第一侧面角为5°至25°。

据此，前言所述类型的高性能舵在横截面内看有这样一种舵叶型面，它从优选地修圆设计的前缘沿舵纵向直至形成舵型最宽部位的中央区按第一侧面角扩展，从中央区直至形成舵型最窄部位的后部区按第二侧面角收缩，以及，从后部区直至优选地设计为直线的尾缘尤其呈燕尾状重新扩展。此外，舵的舵杆筒作为悬臂梁设有用于安装舵杆的中央内部纵向孔并设计为伸入到舵叶内，其中，在舵杆筒的内部纵向孔中设置用于支承舵杆的支座，舵杆筒以其自由端伸入舵杆内的空隙、凹部或类似结构中，在这里，舵杆以一个端区从舵杆筒伸出并通过此端区与舵叶连接，在舵叶与舵杆筒之间未设支承装置，以及，在舵杆筒中用于支承舵杆的内支座设置在舵杆筒自由端区域内。相应地，本发明是由一种特殊设计的舵型与一种专门的舵支座配置的配合作用组成。采用所述特殊设计的舵型，大大改善了高性能舵的流动或机动性能。首先，优选地修圆设计的前缘，保证在所有的舵位或舵角对于前缘均形成良好的流动性能。通过从后部区至优选地设计为直线状后部尾缘的燕尾状延伸段，或通过这一区域的扩展，在此区域内的流动再次得以加速并因而在舵的后部区内再次增大升力。总之，通过该型面的特殊设计，由于减小漂移而明显改善了航向稳定性和显著改善了船的控制性能。采用本发明的舵，向右舷和向左舷的舵角可以分别达70°。后缘除了成直线状设计外也可以设计为凸的或甚至是多重凸的，例如双凸的。

通过针对此舵型特殊的舵支座配置带来的优点是，舵杆筒插入舵叶中以及舵杆在舵杆筒的端区内借助支座支承在舵叶的凹部或类似结构中。在此，舵叶在舵杆筒的外壁面内不需要其他的支承。因此也称颈轴承的下部主支座可以定位在舵的升力中心附近，而不是如传统的支座配置那样定位在舵叶上方。由此显著减小了作用在舵叶上的负荷和弯矩。尤其是，与传统的舵不同，在舵杆上不作用弯矩或只作用小的弯矩，这是因为，舵杆在其插入舵叶中的下部区支承在舵杆筒内。因此，舵杆圆周以及舵叶本身的宽度可以设计得比传统的高性能舵纤细许多。其结果是，按本发明的高性能舵的舵结构也可以用于很大型的船舶，亦即在尺寸很大的船上使用。此外，由此与传统的舵相比还降低了生产成本，因为消耗的材料更少了。减小舵的宽度尤其对于采用按本发明型面的舵是极其有利的，因为该舵由于其型面的形状更具有更大的作用在舵叶上的升力，而这种升力在采用其他型面的舵时本来必须将舵叶设计得更厚或更宽才能达到，所以这些型面有比较大的阻力，通过减小舵宽可以降低该阻力。因此，没有按本发明的支座配置不可能将如此成型的舵使用于大型船舶。

按照本发明的一种优选的实施形式，按本发明的舵在一种包括一个为舵配设的、设置在可驱动的螺旋桨轴上的螺旋桨的船中采用。此外，舵杆与舵叶的连接设置在螺旋桨轴中心线的上方。在这方面有利的是，为更换螺旋桨轴，在舵叶从舵杆筒支座拆除后不再需要拔出舵杆，因为舵杆与舵叶的连接处于螺旋桨轴中心线的上方，以及，舵杆在其端区尤其借助压配合与舵叶连接。

此外可能恰当的是，舵型设计为对称的，从而不仅在右舷侧而且在左舷侧形成相同的升力状况。这种设计有利于船的航向稳定性。

按照另一种优选的实施形式，在装入状态通常背对船螺旋桨的尾缘包括两个叠置的尾缘段，它们彼此侧向错开地布置。尾缘段错开布置的说法是涉及舵叶的装入状态，此时通常一个尾缘段设在另一段上面。因此笼统地说这两个尾缘段彼此毗邻地排列。优选地，它们通过在舵的装入状态基本上水平延伸的分界线或分界面分开。通过错开布置，其中一个尾缘段向左舷或右舷以及另一个尾缘段向右舷或左舷错移。由此每个尾缘段在两个尾缘段的相邻区内分别形成一个错移面，它们通常侧向分别超过另一个尾缘段向前或向后突出。按此实施形式，在两个尾缘段之间的过渡区内朝每一侧造成一个通入错移面内的(90°)棱边。在错移面的内侧形成另一个(90°)棱边。

按照另一种实施形式，在两个尾缘段之间可以设一个过渡区，它形成在两个错移的尾缘段之间一种连续的过渡，从而不造成错移面或错移棱边之类。通过尾缘段的错移或扭绞状排列，使各分段适应螺旋桨产生的涡流，所以可以实现能量再生利用，这在功率相同时导致降低动力燃料消耗量。

按这种实施形式特别优选的是，各尾缘段在横截面内看具有一种沿纵向对半分的燕尾的形状。在这种情况下，燕尾尖在其中一个尾缘段中向左舷伸出和在另一个尾缘段中向右舷伸出。换句话说，这两个燕尾段在舵型的俯视图内镜像对称地排列。采用这种设计可实现特别高效的能量再生利用。

申请人所作的试验表明：特别有利的是，第一侧面角为5°至25°，优选10°至20°，特别优选12°至16°。因此得到舵叶的一种特别流线形、对于舵的升力起有利作用的型面。在传统的舵中，第一侧面角明显大于按本发明的侧面角，因为在那里舵叶体总体上必须设计得更宽，为的是能承受尤其大型船中产生的负荷。基于高性能舵按本发明的结构，不需要设计得如此之宽，以及，可以采用较小的导致舵叶总体上更纤细的侧面角。

按照另一种优选的实施形式，第二侧面角为5°至17°，优选8°至13°，特别优选11°。按与第一侧面角类似的方式，在本发明中第二侧面角同样可以比由现有技术已知的类似的传统舵更扁平或更小。

有利地，尾缘的宽度与中央区宽度的宽度比为0.3至0.5，优选0.35至0.45，特别优选0.38至0.43。中央区的特征是舵型的最宽或最厚区。采用本发明的舵支座配置，可以达到在最宽的部位与后部的尾缘宽度之间的这种宽度比。在由现有技术已知的舵中，所述宽度比要小得多，也就是说，在按现有技术的舵中，舵型最宽的中央区比后部的尾缘宽度大很多。这是因为在由现有技术已知的舵中舵杆必须设计得极宽以及舵叶必须设计得很厚，以便能承受尤其在用于大型船舶的大尺寸舵的情况下作用在它们上面的负荷，因为舵杆筒没有插入舵叶中并因而在舵杆上作用大得多的负荷。例如，在由现有技术已知的舵中，最大的宽度比可以是0.25(见例如DE2303299A1)，其结果是增加了用料并因而提高制造成本。此外，这种舵的阻力(“Drag”)也较大。

此外，舵杆中心至在前部的前缘的距离与舵总长度的长度比为0.25至0.45，优选0.35至0.43，特别优选0.38至0.42。舵杆相对于舵总长度的这种配置总体上改善了舵的流态。尤其当比值为0.4时得到舵在流动技术方面的一种特别理想的均衡。此外，舵杆优选地装在舵的中央区，也就是说在其最宽或最厚的部位。由此使舵的旋转点处于中央区内，亦即在最大型面厚度的区域内。这种配置只有通过特别纤细的型面设计并结合按本发明独特的舵的支承结构才有可能实现。由于将舵杆装在最大型面厚度的区域内，从而有可能将舵杆筒和舵杆插入到舵叶内。

按照本发明另一种优选的实施形式，螺旋桨直径与舵叶高度之比为0.8至0.95，优选0.82至0.9，特别优选0.85至0.87。由此保证：舵叶的整个型面可持续流过螺旋桨尾流并因而达到最大升力。采用按本发明的设计，允许使用比较高的舵叶，因为在舵叶的内部进行支承并因而使弯矩负荷与其他支承在上部的舵叶相比小很多。因此舵叶的高度可以大于由现有技术已知的舵。

优选地，在中央区(舵型最宽的部位)与后部区(舵型最窄的部位)之间的舵型具有基本上直的或基本上凸的弧形的变化曲线。由此可以达到在舵的流动特性方面的最佳造型。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：

图1表示高性能舵的侧视图，包括支承在船体上的舵叶和为舵配设的螺旋桨；

图2a表示沿图1中剖切线A-A的垂直剖视；

图2b表示沿相应的剖切线通过图2a的舵型的横截面图；

图3a表示由现有技术已知设计为铲形舵的高性能舵的示意侧视图和与之对应的力矩曲线；

图3b表示按本发明设计为铲形舵的高性能舵的示意侧视图和与之对应的力矩曲线；

图4a表示舵型的透视图和型面的一些横截面图；

图4b表示另一种舵型的透视图和型面的一些横截面图；

图4c表示再另一种舵型的透视图和这种型面的横截面图；以及

图5表示按本发明的型面横截面局部图，它叠置于由现有技术已知的型面上面。

在图示的各种实施形式中相同的组成部分采用同样的附图标记。

具体实施方式

图1和2a表示出一种舵的配置，它包括一个具有舵叶10的舵100和螺旋桨30。螺旋桨30与船体(图中未表示)连接。用40表示舵杆和用50表示围绕舵杆40的舵杆筒。为螺旋桨30配设舵叶10。舵叶10通过舵杆40与船体60连接。舵叶10具有在前部的面朝螺旋桨30的前缘13和在后部的背对螺旋桨30的后缘18。

舵叶10具有优选圆柱形的凹部11。凹部11设计用于安装舵杆筒50的自由端51。

舵杆筒50作为悬臂梁设有在中央的内部纵向孔52，用于安装舵叶10的舵杆40，所以它大体具有管子的形状。此外，舵杆筒50设计为一直伸入到舵叶10内。舵杆筒50在其内部纵向孔52中具有支座53，用于支承舵杆40，其中，所述支座53设置在舵杆筒50在下部的端区51中。舵杆40以其自由端41从舵杆筒50或支座53伸出。舵杆40从舵杆筒50伸出的端部41借助压配合与舵叶10固定连接，但在这里也可以采用一种在应当更换螺旋桨轴时允许将舵叶10从舵杆40拆除的连接。在这里，舵杆40在区域41内与舵叶10的连接处于螺旋桨轴中心线31的上方(见图1)，所以为拆卸螺旋桨轴只须从舵杆40取下舵叶10，而不需要将舵杆40从舵杆筒50拔出，这是因为，无论是舵杆筒50的下部自由端51还是舵杆40的下部自由端41均处于螺旋桨轴中心线31的上方。为在舵杆40的下部自由端41与舵叶10之间的连接保险而设置有一保险螺母42。舵叶10围绕自由端41的区域设计为由锻铁制成的锻件，并且也称为“毂”。

按图1和2a中表示的该实施形式，在舵杆筒50内只设有一单个的内支座53用于支承舵杆40；取消了在舵杆筒50外壁上的另一个舵叶10支座。

图2b表示沿剖切线12的舵叶10的型面。可以清楚看出，舵叶10在剖视图中有一个在前部的修圆前缘13。舵叶10的型面从前缘13起按第一侧面角α一直扩展到形成型面或舵叶10的最宽部位的中央区14。第一侧面角α由在前部的前缘13与中央区14之间扩展区的切线15与剖切线12构成，其中剖切线12同时意味着是舵叶10型面的纵轴线。舵叶10的型面从中央区14起重新一直收缩到在后部的形成舵型最窄部位的区域16。所述的收缩按第二侧面角β进行，它由切线17与剖切线12构成。型面从后部区16起重新扩展至其由在后部的尾缘18构成并设计为直线状的末端。在这里，所述的展宽在一个就舵叶高度而言的中央区内是设计在两侧，所以舵型呈燕尾形扩展。在舵叶的上部和下部区，展宽设计在一侧，从而形成半个燕尾。其中一个展宽设在左舷侧而另一个展宽设在右舷侧。但原则上所述展宽也可以沿整个舵叶高度设计为燕尾形或设计为单侧燕尾形。

图4a表示出舵型的透视图，它与图2a和2b所示舵的型面一致。相应地，图4a中的横截面图与图2b中的横截面图一致。由图4a可以看出，舵叶10在其后部区设计为扭绞形式，亦即尾缘18分成两个尾缘段18a、18b，它们上下叠置。两个尾缘段18a、18b大体上大小相同并通过一个水平延伸的和设在舵叶10中心的分界线或分界面分开。它们互相错开布置，沿船行驶方向看，上部尾缘段18a向左舷而下部尾缘段18b向右舷错移。因此在上部横截面内观察在舵叶端部区内造成一个半个燕尾形状的左舷侧展宽18a，而在下部横截面内观察造成一个镜像对称的右舷侧展宽18b。在中央横截面内观察，两个对半的燕尾形尾缘段18a、18b叠置并因而重新组合形成一个完整的燕尾(“Fishtail”，(鱼尾))。通过尾缘段18a、18b彼此错开的布置，在两个尾缘段18a、18b在其中毗邻的区域内，得到了朝舵叶每一侧的一个错移面19。错移面19由尾缘段18b的上部棱边区侧向突出的区域或尾缘段18a的下部棱边区侧向突出的区域构成。

图4b表示出舵型的一种类似的具有两个同样彼此错开布置的尾缘段18a、18b的实施形式，在这里，在这两个尾缘段18a、18b之间设有一个过渡区20。过渡区20相对于垂直轴线倾斜延伸并将两个尾缘段18a、18b互相连接起来，从而形成一个没有棱边或错移面之类的连续过渡。由此在尾缘18的区域内也造成一个闭合的流动型面。图4b所示舵型的横截面看起来与图4a或图2b中的那些类似。

图4c表示出另一舵型的另一透视图。在这种舵型中，尾缘18是连贯地构造的，即，它不具有彼此错开的部段。相应地，在横截面内观察该型面，可以看出，在上部区以及下部区都分别有一个从后部区16直至尾缘18的燕尾形扩展。原则上，图4a至4c中型面的变化曲线类似于图2b中在型面扩展方面按第一侧面角α和在型面收缩方面按第二侧面角β的变化曲线。

图3a示意表示了由现有技术已知的铲形舵的舵叶10。该舵叶10通过舵杆40与船体(图中未表示)连接，其中舵杆40在舵叶10的上部区内与舵叶固定连接。舵杆40借助上部第一支座70和下部第二支座71支承，其中下部第二支座直接设置在舵叶10上方。

图3b示意表示了按本发明的铲形舵和舵叶10，其中，舵杆40在其上部区通过上支座70以及通过一个在舵杆下部区设在舵叶10内的支座53支承。在这里，舵杆40是插入舵中的，在图3a所示的现有技术中则不是这种情况。为了视图清晰起见在这里没有表示出舵杆筒。因此，在按本发明的舵的实施形式中图3b中的下支座53，与图3a所示现有技术的舵相比，更靠近舵叶10的升力中心。相应地，在图3b所示的舵中产生与图3a的舵不同的力矩变化曲线，作为计算作用在舵叶10上的负荷的基础是，在这两种情况下有大小相同的恒定的分布载荷。在图3a中，在上部支座71的高度上产生最大力矩Mb，而在按图3b的舵中，最大力矩在设于舵叶10内部的下部支座53的高度上形成。还有，在图3b中的最大力矩Mb也比在图3a中小得多(约低50％)。这归诸于负荷PR作用到舵叶10上的力臂在图3b所示的配置中明显小于在图3a所示的配置中。由此，按图3b的舵的配置与图3a所示的配置相比可以使用在大许多的船上。

图5表示了叠置的两种舵型10、10′的各二分之一。用粗线表示的舵型10与按本发明的舵的型面相应，而型面10′与由现有技术已知的舵相应。舵型10、10′通过剖切线12纵向分开，在这里剖切线12同时相应于舵型纵轴线。舵型10、10′的另一半设计为镜像对称，为了视图清晰起见舍去。图5只是示意图，用来说明按本发明的型面10与由现有技术已知的型面10′之间的区别，此图未按正确比例画出。

按本发明的型面10从修圆设计的前缘13起沿舵纵向按第一侧面角α一直扩展到中央区14。从那里出发，型面按侧面角β重新收缩直至后部区16。后部区16意味着舵型的最窄部位，而中央区14则意味着舵型的最宽部位。从后部区16起型面重新呈燕尾形展宽直至尾缘18。舵杆筒50和处于其中的舵杆设在舵型的中央区14内。舵型的旋转点或舵杆中点处于最厚的型面部位14所在高度上。旋转点或最厚的型面部位与在前部的前缘13之间的距离用字母a表示，约等于舵总长度的40％。

与之相比，由现有技术已知的型面10′从前缘13起以大许多的侧面角α′扩展。由此，最厚的型面部位14′与按本发明的型面10中的情况相比距离在前部的前缘13要近得多。在型面10′的中央区14′与前缘13之间的距离用字母b表示，约等于舵型10′总长度的20％。舵型10′从中央区14′起按侧面角β′朝后部区16收缩，在这里侧面角β′同样大于侧面角β。在中央区14′与后部区16之间的区域内，型面10′形成凹的曲线，而型面10在中央区14与后部区16之间的型面变化曲线则略凸地延伸。通过按本发明的舵型10的设计，可以采用一种深深地插入到舵叶10中的舵杆筒50。在由现有技术已知的型面10′中这是不可能的，因为在旋转点43的区域内不存在用于舵杆筒50的足够位置。此外，型面10′总体上在其中央区14′比型面10在其中央区14要宽厚，由此使得型面10′与型面10相比造成更大的阻力。

附图标记列表

100  舵

10   舵叶

11   凹部

12   剖切线

13   前缘

14   中央区

15   切线

16   后部区

17   切线

18   尾缘

18a、18b  尾缘段

19   错移面

20   过渡区

30   螺旋桨

31   螺旋桨轴中心线

40   舵杆

41   自由端

42   保险螺母

43   旋转点

50   舵杆筒

51   自由端

52   部纵向孔

53   支座

60   船体

70   上部支座

71   下部支座

α   第一侧面角

β   第二侧面角

Claims (12)

1.一种设计为铲形舵的船用高性能舵(100)，包括舵叶(10)、舵杆筒(50)和舵杆(40)，其中舵叶(10)具有前缘(13)和尾缘(18)，其特征为：在横截面内看，舵叶(10)的型面从前缘(13)沿舵纵向直至形成舵型最宽部位的中央区(14)按第一侧面角(α)扩展，从中央区(14)直至形成舵型最窄部位的后部区(16)按第二侧面角(β)收缩，并且，从后部区(16)直至尾缘(18)重新扩展；以及，舵杆筒(50)作为悬臂梁设有用于安装舵杆(40)的中央内部纵向孔(52)并设计为一直伸入到舵叶(10)内，其中，在舵杆筒(50)的内部纵向孔(52)中设置用于支承舵杆(40)的支座(53)，舵杆筒以其自由端(51)伸入舵叶(10)内的空隙或凹部(11)中，其中，舵杆(40)的端区(41)从舵杆筒(50)伸出并与舵叶(10)连接，在舵叶(10)与舵杆筒(50)之间未设支承装置，以及，在舵杆筒(50)中用于支承舵杆(40)的支座(53)设置在舵杆筒(50)的自由端(51)区域内；第一侧面角(α)为5°至25°。

2.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，舵型设计为对称的。

3.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，尾缘(18)包括两个叠置的尾缘段(18a、18b)，它们彼此侧向错开地布置。

4.按照权利要求3所述的船用高性能舵，其特征为，各尾缘段(18a、18b)在横截面内看具有一种沿纵向对半分的燕尾的形状。

5.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，第二侧面角(β)为5°至17°。

6.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，尾缘(18)宽度与中央区(14)宽度的宽度比为0.3至0.5。

7.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，舵杆中心至前缘(13)的距离与舵(10)总长度的长度比为0.25至0.45。

8.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，舵杆设置在中央区(14)内。

9.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，螺旋桨直径与舵叶(10)高度之比为0.8至0.95。

10.按照权利要求1所述的船用高性能舵，其特征为，在中央区(14)与后部区(16)之间的舵型基本上成直线延伸或者具有凸的弧形变化曲线。

11.一种船，其特征为：此船具有按照权利要求1至10之一所述的舵(100)。

12.按照权利要求11所述的船，其特征为，该船包括一个为舵(100)配设的、设置在可驱动的螺旋桨轴上的螺旋桨(30)，舵杆(40)与舵叶(10)的连接处于螺旋桨轴中心线(31)的上方。

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