CN101948006A - 船舵 - Google Patents

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Abstract

船舵包含位于螺旋桨的轴线周围的中部叶片及位于中部叶片的上侧和下侧处的上部和下部叶片。中部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而具有双侧对称形状的前缘部分。上部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而扭转以在螺旋桨的反向旋转方向上偏置的前缘部分。下部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而扭转以在螺旋桨的正向旋转方向上偏置的前缘部分。中部叶片的前缘部分在上部和下部叶片的扭转方向上在舵的各侧处相对于上部和下部叶片的前缘部分未形成台阶，但分别在与上部和下部叶片的扭转方向相反的方向上在舵的各侧处形成台阶，在该处中部叶片的前缘部分汇合上部和下部叶片的前缘部分。

Description

船舵
技术领域
本发明涉及一种船舵。
背景技术
一般来说，船舵(ship rudders)位于船体的螺旋桨的后方以控制船体的移动方向。在此情况下，舵遭受螺旋桨引发的速度和螺旋桨引发的流角(flow angles)，流角沿着舵跨距(span)而变化。所引发的流根据关于螺旋桨轴线的上部和下部位置而在舵的右侧和左侧处产生不同压力。从船体后方观看舵，右手旋转螺旋桨将在舵表面上产生压力分布，使得在舵的左上部分和右下部分处形成压力侧，且在其右上部分和左下部分处形成吸力侧(suction side)。因此，当具有对称横截面的舵位于船体的高速(20海里/小时或以上)或高负荷螺旋桨的后方时，吸入压力峰值在形成吸力侧的舵表面上造成气穴(cavitation)。为了抑制在舵表面上产生气穴，已开发出不对称的舵，其使舵的关于螺旋桨轴线的上部和下部叶片的前缘部分(即，前部部分)扭转以便沿其整个跨度而具有与螺旋桨引发的进入舵中的流对准的轮廓(profiles)。换句话说，从船体后方观看舵，其中螺旋桨在右手方向上围绕舵旋转，此类常规的不对称舵的关于螺旋桨轴线的上部和下部叶片的前缘部分各别朝向左舷(port side)和右舷(starboard side)扭转。在此结构中，舵的前缘部分不对称地关于螺旋桨的轴线而定位。因此，有可能减少通常在舵表面上造成气穴的沿舵的前缘部分的下部吸入压力区，进而解决常规对称舵的问题。
然而，由于舵的以螺旋桨轴线为中心的上部和下部叶片的前缘部分朝向左舷和右舷扭转，所以常规的不对称舵具有不连续的横截面且必须包含交叉板(scissors plate)以实现结构刚性。另外，具有不连续横截面的前缘不对称舵容易由于螺旋桨的毂涡流(hub vortex)而在前缘部分和交叉板的不连续表面上遭受气穴。
另外，对于具有单个不连续横截面的常规扭转舵来说，存在仅单个交叉板用来抵抗扭转或剪切负荷(shear load)的问题。
此外，对于关于螺旋桨轴线具有不连续地不对称横截面的常规扭转舵来说，前缘部分的整个截面具有不对称形状，进而降低生产率。
由此可见，上述现有的船舵在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的船舵，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的船舵存在的缺陷，而供一种新型结构的船舵，所要解决的技术问题是使其具体地为一种前缘不对称的舵，从而可减小归因于由旋转的螺旋桨引发的加速横向流而作用于舵上的影响，同时防止前缘部分的不连续表面上的气穴侵蚀的风险，非常适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。为达到上述目的，依据本发明的船舵，安置在船体的船尾处的螺旋桨后方以控制船体的移动方向，其包含位于螺旋桨的轴线周围的中部叶片以及位于中部叶片的上侧和下侧处的上部和下部叶片，其中该中部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而具有双侧对称形状的前缘部分，上部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而扭转以在螺旋桨的反向旋转方向上偏置的前缘部分，下部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而扭转以在螺旋桨的正向旋转方向上偏置的前缘部分，且中部叶片的前缘部分在上部和下部叶片的扭转方向上在舵的各侧处相对于上部和下部叶片的前缘部分未形成台阶，但分别在与上部和下部叶片的扭转方向相反的方向上在舵的各侧处形成台阶，在该各侧处中部叶片的前缘部分汇合上部和下部叶片的前缘部分。
在当从船体后方观看螺旋桨时螺旋桨的正向旋转方向为顺时针方向的情况下，上部和下部叶片的前缘部分各别关于螺旋桨的轴线而朝向船体的左舷和右舷扭转。
上部和下部叶片的前缘部分中的每一者可相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面以2到8度的角度而扭转。
上部和下部叶片的前缘部分中的每一者可相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面成曲线地扭转。
中部叶片的前缘部分可具有对应于螺旋桨的直径的15％到30％的垂直长度。
中部叶片的前缘部分可具有流线型钝头横截面(streamlined bluntcross-section)。
在上部和下部叶片中的每一者中，前缘部分与舵的截面的中心线的偏移距离可被限制在舵的截面的最大厚度的一半以内。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明船舵至少具有下列优点及有益效果：
本发明提供一种安置在船体的船尾处的螺旋桨后方以控制船体的移动方向的船舵，其中船舵被划分为上部、中部和下部叶片，其中该中部叶片的前缘部分关于螺旋桨的轴线而具有双侧对称的横截面，且上部和下部叶片的前缘部分分别关于螺旋桨的轴线而在螺旋桨的反向旋转方向和正向旋转方向上扭转。
因而，在上述的舵中，上部和下部叶片的前缘部分关于螺旋桨的轴线而扭转，且位于螺旋桨的轴线周围的中部叶片的前缘部分相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而具有双侧对称形状，进而减小归因于由旋转的螺旋桨引发的到舵上的加速横向流而引起气穴侵蚀破坏的风险。另外，根据上述的舵防止在螺旋桨的毂(hub)处产生的涡流在上部和下部叶片的前缘部分中的不对称定位的截面处的不连续平面周围的舵表面上产生气穴。
另外，根据以上所述，不连续平面被划分为两个部分，进而分布着扭转或剪切负荷。
另外，根据以上所述，中部叶片的前缘部分具有双侧对称形状，进而与前缘部分的整个截面具有不对称形状的常规舵相比改进了生产率。
综上所述，本发明的船舵包含位于螺旋桨的轴线周围的中部叶片以及位于中部叶片的上侧和下侧处的上部和下部叶片。中部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而具有双侧对称形状的前缘部分。上部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而扭转以在螺旋桨的反向旋转方向上偏置的前缘部分。下部叶片具有相对于穿过螺旋桨的轴线和舵的垂直中心线的平面而扭转以在螺旋桨的正向旋转方向上偏置的前缘部分。中部叶片的前缘部分在上部和下部叶片的扭转方向上在舵的各侧处相对于上部和下部叶片的前缘部分未形成台阶，但分别在与上部和下部叶片的扭转方向相反的方向上在舵的各侧处形成台阶，在该处中部叶片的前缘部分汇合上部和下部叶片的前缘部分。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是包含根据本发明的一个实施例的舵的船体的部分侧视图。
图2是根据本发明的一个实施例的舵的立体图。
图3是根据本发明实施例的舵的主视图。
图4是根据本发明实施例的舵的平面图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的船舵其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1是包含根据一个实施例的舵的船体的部分侧视图，图2是根据一个实施例的舵的立体图，图3是根据所述实施例的舵的主视图，且图4是根据所述实施例的舵的平面图。参看图1，根据一个实施例的船舵4设置在位于船体1的船尾处的螺旋桨2的后方以控制船体1的移动方向。
在此实施例中，将把全平衡舵(full-spade rudder)说明为舵4的一个实例。将舵4提供到位于船体1的船尾处的舵杆管(rudder trunk)3。图1绘示连接到舵杆管3的舵，且图2到图4仅绘示舵。
最近，已针对大型船舶开发出了全平衡舵。
全平衡舵在其上表面处形成有舵杆(rudder stock)，其经由轴承而在船尾处插入到舵杆管的下表面中，使得可由舵杆管以可旋转方式支撑全平衡舵。此类全平衡舵在此项技术中是众所周知的，且图1中不绘示其细节。
舵4大体上被划分为位于螺旋桨2的轴线L1周围的中部叶片4a以及分别位于中部叶片4a的上侧和下侧处的上部叶片4b和下部叶片4c。中部叶片4a、上部叶片4b和下部叶片4c中的每一者还被划分为对应于舵4的前部部分的前缘部分41a、41b、41c以及对应于舵4的后部部分的后缘部分42a、42b、42c。参看图2到4，术语“前缘部分”和“后缘部分”在本文中分别参考最大厚度翼展方向中心线L3来指代舵4的前部和后部部分。
参看图3，螺旋桨2的轴线L1由虚线指示。舵4的垂直中心线L2是正交于舵4的翼展方向中心线且横越螺旋桨2的轴线L1和最大厚度翼展方向中心线L3。
在根据此实施例的舵4中，中部叶片4a的前缘部分41a相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面而具有双侧对称形状。上部叶片4b的前缘部分41b相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面以预定角度而扭转以在螺旋桨2的反向旋转方向上偏置。下部叶片4c的前缘部分41c相对于螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面以预定角度而扭转以在螺旋桨2的正向旋转方向上偏置。此处，螺旋桨2的正向旋转方向是当船体正在前进时螺旋桨的旋转方向，且螺旋桨2的反向旋转方向是当船体正在后退时螺旋桨2的旋转方向。
更具体地说，在螺旋桨的正向旋转方向为顺时针方向(当从船体后方观看螺旋桨2时)的情况下，上部叶片4b的前缘部分41b在螺旋桨2的轴线L1上朝向船体的左舷扭转，且下部叶片4c的前缘部分41c在螺旋桨2的轴线L1上朝向船体的右舷扭转。
当上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c在螺旋桨2的轴线L1上以预定角度扭转时，上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c必须分别朝向船体的左舷和右舷扭转，以便抵消归因于由在一个方向(右螺旋方向)上旋转的螺旋桨引发的到舵上且在一个方向上旋转的拖尾流而作用于舵表面上的不对称压力。
中部叶片4a可具有对应于螺旋桨2的直径的15％到30％的垂直长度。
另外，如图4所说明，上部叶片4b的前缘部分41b和下部叶片4c的前缘部分41c可相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面而以2到8度的角度(α、β)扭转。此处，应注意，角度α可与角度β相同或不同。
另外，在此实施例中，在舵4的上部叶片4b和下部叶片4c的横截面上，前缘部分41b、41c中的每一者从舵的垂直中心线L2穿过的点相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面以预定角度而扭转，如图4所示。
在此实施例中，舵4的上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c被说明为相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面而直线地扭转(见图3)。然而，在另一实施例中，舵4的上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c可相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面而成曲线地扭转。
另外，在此实施例中，中部叶片4a的前缘部分41a在上部叶片41b和下部叶片41c的扭转方向上在舵的各侧处相对于上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c未形成台阶，但分别在与上部叶片4b和下部叶片4c的扭转方向相反的方向上在舵的各侧处形成台阶，在该各侧处中部叶片4a的前缘部分41a汇合上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c。
在此实施例中，中部叶片4a的前缘部分41a被说明为具有流线型钝头横截面。虽然许多气穴实验已清楚地显示，具有钝头横截面的前缘部分有效地减少螺旋桨毂处的涡流的影响，但现有的舵仍由于船舵的固有用途而形成为具有尖锐前缘部分。在此实施例中，在受螺旋桨毂处的涡流影响的中部叶片4a中，前缘部分41a经形成为具有钝头横截面，进而使毂涡流的影响减到最小。
因而，在根据所述实施例的舵4中，上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c中的每一者相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面以预定角度而扭转，且位于螺旋桨2的轴线L1周围的中部叶片4a的前缘部分41a相对于穿过螺旋桨2的轴线L1和舵4的垂直中心线L2的平面具有双侧对称形状。因此，舵4可减小归因于由旋转的螺旋桨2引发的到舵4上的加速横向流而引起气穴侵蚀破坏的风险。另外，舵4防止在螺旋桨2的毂2a处产生的涡流在上部叶片4b和下部叶片4c的前缘部分41b、41c中的不对称定位的截面处的不连续平面周围的舵表面上产生气穴。
另外，根据所述实施例，不连续平面被划分为两个部分，进而分布着扭转或剪切负荷。
另外，根据所述实施例，中部叶片4a的前缘部分41a具有双侧对称形状，进而与前缘部分的整个截面具有不对称形状的常规舵相比改进了生产率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种船舵，安置在船体的船尾处的螺旋桨后方以控制所述船体的移动方向，其特征在于其包括：
位于所述螺旋桨的轴线周围的中部叶片；以及
位于所述中部叶片的上侧和下侧处的上部和下部叶片，
其中所述中部叶片具有相对于穿过所述螺旋桨的所述轴线和所述舵的垂直中心线的平面而具有双侧对称形状的前缘部分，
其中所述上部叶片具有相对于穿过所述螺旋桨的所述轴线和所述舵的所述垂直中心线的所述平面而扭转以在所述螺旋桨的反向旋转方向上偏置的前缘部分，
其中所述下部叶片具有相对于穿过所述螺旋桨的所述轴线和所述舵的所述垂直中心线的所述平面而扭转以在所述螺旋桨的正向旋转方向上偏置的前缘部分，且
其中所述中部叶片的所述前缘部分在所述上部和下部叶片的扭转方向上在所述舵的各侧处相对于所述上部和下部叶片的所述前缘部分未形成台阶，但分别在与所述上部和下部叶片的所述扭转方向相反的方向上在所述舵的各侧处形成台阶，在所述各侧处所述中部叶片的所述前缘部分汇合所述上部和下部叶片的所述前缘部分。
2.根据权利要求1所述的船舵，其特征在于在当从所述船体后方观看所述螺旋桨时所述螺旋桨的所述正向旋转方向为顺时针方向的情况下，
所述上部叶片的所述前缘部分关于所述螺旋桨的所述轴线而朝向所述船体的左舷扭转，以及
所述下部叶片的所述前缘部分关于所述螺旋桨的所述轴线而朝向所述船体的右舷扭转。
3.根据权利要求2所述的船舵，其特征在于所述上部和下部叶片的所述前缘部分中的每一者相对于穿过所述螺旋桨的所述轴线和所述舵的所述垂直中心线的所述平面以2到8度的角度而扭转。
4.根据权利要求2所述的船舵，其特征在于所述上部和下部叶片的所述前缘部分中的每一者相对于穿过所述螺旋桨的所述轴线和所述舵的所述垂直中心线的所述平面成曲线地扭转。
5.根据权利要求1所述的船舵，其特征在于所述中部叶片的所述前缘部分具有对应于所述螺旋桨的直径的15％到30％的垂直长度。
6.根据权利要求1所述的船舵，其特征在于所述中部叶片的所述前缘部分具有流线型钝头横截面。
7.根据权利要求3所述的船舵，其特征在于在所述上部和下部叶片中的每一者中，所述前缘部分与所述舵的截面的中心线的偏移距离被限制在所述舵的所述截面的最大厚度的一半以内。
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