CN107264763A - 抗空化扭曲舵及其一种设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶或船舵设计领域，尤其涉及一种抗空化扭曲舵及其设计方法。本发明在充分考虑船舶螺旋桨尾流中的旋转速度等各种因素对船舵影响的基础上，以船舶直航时螺旋桨后尾流场的分布特点来设计确定舵的各展向位置剖面的几何攻角和线型，以使舵的几何形状与螺旋桨尾流场相匹配，达到改善舵表面的压力分布，提高舵的空化起始航速，减少舵空化发生的时间和面积，降低舵引起的振动和噪声，抑制舵面的空化剥蚀，节省舵的维护成本，改善舵叶的受力状态，提升舵效，降低舵机负荷等目的。

Description

抗空化扭曲舵及其一种设计方法

技术领域

本发明属于船舶或船舵设计领域，尤其涉及抗空化扭曲舵及其一种设计方法。

背景技术

近年来由于舰船向着高速化和大型化方向发展，特别是对于高速舰船，处于螺旋桨后工作的舵叶振动和空化剥蚀也越来越严重，因此对舵性能的考虑也越来越全面。传统舵叶的左右两面是以舵的中心面呈对称形式,这种形状特点未考虑到螺旋桨强大的旋转尾流对舵叶的冲击，从而导致传统舵叶一般会产生比较严重的空泡现象,不仅会引起舵叶表面的空化剥蚀,还会导致振动和噪声大幅增加。

由于螺旋桨尾流的旋转作用，传统舵在0°舵角时，舵叶在不同展向位置的来流相对舵叶剖面会存在一定的迎流攻角，导致舵的左右两面压力不对称，吸力面会存在明显的低压区，随着航速的增加，舵角的增大，低压区压力会随之不断降低，当航速增加到某一定数值时，低压区的压力降到水的汽化压力，舵叶表面就会发生空化。舰船在海上航行时直航是最主要的航行状态，但在实际情况中，由于海上风浪流的影响，舰船为了保持直航，需要不停地来回打小舵角，加剧了舰船直航时传统舵叶的空化问题。

上世纪90年代美国海军为了测试桨和舵的水动力性能和噪声特性，进行了一项实船航行空泡观测试验，试验表明，即便是中等海况条件下保持航向航行， 23kn航速时舵表面即出现空化，舵空化引起的空化剥蚀在后来的船坞检修中也被证实。究其原因，主要是因为普通舵未考虑到螺旋桨旋转尾流的特点,从而导致传统舵一般会产生比较严重的空泡现象。舵发生空化后会对舵面引起严重的剥蚀作用，从而影响舵的使用寿命，还会导致振动和噪声大幅增加。

由于舵的操纵力是由舵叶压力面与吸力面的压力差而形成的，当吸力面发生空化现象后，压力保持为饱和蒸汽压力，不能进一步降低，所以发生空化后舵效会明显降低。另外，舵的空化还会产生较大的噪音，引起舵和尾部结构振动等一系列不利影响。

在舰船以0°舵角直航时，由于螺旋桨尾流的旋转作用，舵叶左右两面的压力分布不对称，传统舵上会存在较大的横向力和舵轴扭矩，虽然双桨船由于左右两舵的横向力相互抵消，不影响船舶的直航性能，但舵轴扭矩的存在会增加舵机的负荷。由于传统舵舵轴在0°舵角附近时会存在明显的扭矩，在来回打小舵角以保持航向航行的过程中，舵机会始终承受较大负荷。

发明内容

针对上述现状，本发明提供了抗空化扭曲舵及其一种设计方法，该舵能改善舵叶表面的压力分布，提高空化起始航速(即舵叶发生空化的舰船最低航速)，降低舵发生空化的时间和面积，抑制舵叶空化剥蚀，节省舵叶的维护成本，降低舵叶空化引起的振动和噪声，同时能改善舵叶受力状态，提高舵效，降低舵机负荷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明的抗空化扭曲舵，包括舵叶，特别的，所述舵叶的各展向位置剖面形状为二维机翼，所述二维机翼为对称翼型或者非对称翼型，与传统对称舵各展向位置剖面的几何攻角均为0不同，所述抗空化扭曲舵的舵叶的各展向位置剖面的几何攻角不一致，且各展向位置剖面的几何攻角呈连续变化，以使各剖面几何攻角和线型与各相应位置船舶的尾流相匹配，如果船舶尾流场在舵安装位置处有由船弦外侧指向内侧的横向速度，则在所述位置处的舵叶前缘向外侧偏转，如果船舶尾流场在舵安装位置处有由船内侧指向船弦外侧的横向速度，则该位置处的舵叶前缘向内侧偏转，对于对称翼型的剖面，各剖面的几何攻角与船舶尾流横向流动引起的来流攻角相关，对于非对称翼型剖面，剖面的几何攻角还与剖面的拱度 (非对称程度)有关。

本发明的一种抗空化扭曲舵设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据目标船舶的需求，确定舵高L(即展长)、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度、各展向位置剖面的几何攻角、各展位置剖面的线型(包括剖面厚度沿着弦长的分布形式和剖面拱度沿着弦长的分布形式)以及舵轴在舵上的安装位置等基本参数，以这些基本参数作为扭曲舵设计的原始参数；

较优地，为了便于操作，在该步骤中各展向位置剖面的几何攻角可均设为0，各展向位置剖面线型均为对称翼型，即各展向位置剖面的拱度均为0；设置上述参数为0可以减小计算量，简化设计过程；

较优地，在该步骤中，可以使用目标船舶原有对称舵(若存在的话)的几何数据，也可以按照传统对称舵的设计方法确定目标船舶适用的对称舵，并将该对称舵相应数据作为抗空化扭曲舵设计所需的基本参数；

步骤二、通过数值计算方法或者试验测量方法得到目标船舶无舵情况下在中高速直航时螺旋桨后的尾流场数据，所述尾流场数据包括尾流速度方向和速度大小的分布；

进一步地，如果通过数值计算法获得带桨船的尾流场，首先需要对不含舵的全附体带桨船模进行建模，然后采用非定常计算方法对螺旋桨后的尾流场进行计算，计算完成后，提取舵安装位置各点速度的时域值，对螺旋桨旋转一个周期内的速度时域值进行平均处理，得到综合考虑了船体、桨轴、轴支架等因素影响的舵安装位置处螺旋桨尾流场的分布情况数据；

进一步地，如果采用试验测量方法获得带桨船的尾流场，需要首先加工不含舵的全附体带桨船模，然后在拖曳水池或者循环水槽中进行船模流场测量，得到舵安装位置处各点的速度分布数据；

步骤三、依据步骤一所述的舵高L、各剖面的弦长、各剖面的最大厚度等基本参数，在步骤二中获得的尾流场数据的基础上，对各展向位置剖面的几何攻角和线型(包括剖面厚度沿着弦向的分布形式和剖面拱度沿弦向的分布形式)进行调整计算，得到各种舵的几何形状方案，并计算0°舵角时各方案舵叶表面的压力p的分布及相应的负压力系数负压力系数的定义为：其中p为舵表面的压力，p₀为参考压力，ρ为海水密度，V_S为船舶航速；提取各展向位置剖面上的负压力系数的峰值，通过对舵各展位置剖面的几何攻角和线型进行优化设计，获取使各展向位置剖面上相应峰值取值最小(即各剖面压力最低值取值最大)的最佳几何攻角和最佳线型数据，以上述各展向位置剖面的最佳几何攻角和最佳线型数据为基础加工扭曲舵；

其中，对舵各展向位置剖面的几何攻角和线型的具体优化过程可以分为：

过程(a)，保持各展向位置剖面沿弦向方向的厚度分布不变，拱度设为零(利于设计计算)，调整各展向位置剖面的几何攻角，使各展向位置剖面几何攻角与相应位置的来流攻角相等，获取各展向位置剖面的几何攻角分布作为过程(a) 的设计结果；

进一步地，为了方便操作，可以令各剖面的几何攻角都是绕舵轴轴线旋转相应角度所形成的；

过程(b)，在过程(a)的基础上，保持各展向位置剖面弦向方向的厚度分布不变，拱度设为零，考虑尾流场中舵和桨的相互影响，用数值计算方法(三维面元法或者计算流体力学方法)对舵和桨相互作用下的水动力进行计算，得到舵各剖面上压力面以及吸力面的压力分布，将各剖面的几何攻角沿展向的分布作为调整参数，目标函数为各剖面上所有指定弦向位置压力面与吸力面压力分布之差的平方和，通过最小二乘法求解使各剖面目标函数达到极小值的相应数据，以获取的各剖面的几何攻角分布数据作为过程(b)的设计结果；

过程(c)，在过程(b)的基础上，保持各剖面的几何攻角和最大厚度不变，以各展向位置剖面厚度沿弦向的分布形式为调整参数，以所有指定展向位置剖面负压力系数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代方法求解使目标函数达到最小值的各剖面厚度沿弦向的分布数据，以该求解结果中各剖面厚度沿弦向的分布数据作为过程(c)的设计结果；

进一步地，为了方便操作，可以令各剖面厚度的分布形式相同，即各剖面同一弦向位置的厚度与该剖面的最大厚度的比值相等，以使作为未知量的厚度分布的维数从二维降为一维(即只有弦向方向的变化，不考虑展向方向的变化)，以可减少迭代计算工作量，提高优化设计效率；

过程(d)，在过程(c)的基础上，保持各剖面的最大厚度和各剖面厚度沿弦向的分布形式不变，以各展向位置剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式为调整参数，以各展向位置剖面负压力数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代的方法求解使目标函数取最小值的各剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式数据，以该求解结果中的各剖面几何攻角和各剖面拱度沿弦向的分布形式数据作为过程(d)的设计结果；

进一步地，为了操作方便，可以使各剖面拱度沿弦向的分布形式相同，即各剖面每一弦向位置处的拱度与该弦向位置的厚度的比值相等，这样可以减少迭代计算的工作量；

其中，从过程(a)到过程(d)，优化设计过程是层层递进的，根据目标船舶的实际设计需求，可以只执行过程(a)，也可从过程(a)开始执行到过程(b) 或者过程(c)或者过程(d)，以最后一过程获得的设计结果作为扭曲舵的设计数据。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明可以改善舵叶表面的压力分布，大幅提高舵发生空化的临界航速(起始航速)，基本消除整个航速范围内小舵角下舵的空化问题，大幅降低水面船在整个全寿命周期内舵空化发生的时间和面积，有效解决舵叶表面的空化剥蚀问题，从而提高舵的使用寿命，降低舵的维护成本；

(2)舵空化不仅会使舵的激振力大幅增加，从而引起船体尾部结构振动加剧，而且还会导致舵自身的辐射噪声以及由舵引起的船尾结构振动噪声显著增加，不仅影响人员的居住工作环境和设备仪器的正常使用，还会影响船舶特别是军舰的声隐身性。由于本发明可以大幅降低水面船全寿命周期内舵空化发生的时间和面积，由舵空化产生的激振力和辐射噪声也可以得到大幅降低，不仅可以改善人员居住工作环境和设备仪器的使用环境，还可以降低水面船特别是军舰的辐射噪声，提高军舰的声隐身性；

(3)由于螺旋桨尾流存在明显的旋转流动，0°舵角时传统对称舵吸力面压力比压力面压力明显低，舵的两面存在明显的压力差，使得在0°舵角时舵上存在明显的横向操纵力，舵轴上也会存在明显的扭矩。本发明的各舵剖面与螺旋桨尾流有更好的配合，0°舵角时吸力面压力分布基本上与压力面压力分布重合，舵上的横向力和舵轴扭矩均大幅降低，改善了舵和舵轴的受力状态，在舰船直航、舵机在来回打小舵角的过程中，舵机的负荷也会明显减低；

(4)本发明既可以在新船上直接应用，也可以对已经下水的装有传统舵的水面船进行改装，舵高L、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度等基本参数均可以与原对称舵可保持不变，使得安装本发明设计的扭曲舵后船舶的操纵性与安装原始对称舵相当，对船舶的操纵性和航行安全不会产生不利影响。舵轴安装位置和安装孔保持不变，不需要更换舵轴和舵机，只需要更换舵叶，施工过程简单方便。

附图说明

图1为本发明一种抗空化扭曲舵设计方法的流程示意图；

图2为本发明一种抗空化扭曲舵设计方法的优化设计流程示意图；

图3为本发明实施例中某型船原有的传统对称舵的立体示意图；

图4为本发明实施例中某型船螺旋桨尾流场轴向速度(从船首指向船尾为正) 分布云图；

图5为本发明实施例中某型船螺旋桨尾流场横向速度(从左舷指向右舷为正) 分布云图；

图6为本发明实施例中某型船螺旋桨尾流场垂向速度(以垂直水平面向上为正)分布云图；

图7为本发明实施例中来流攻角、几何攻角和迎流攻角示意图；

图8为本发明实施例中设计的扭曲舵的各展向位置剖面的几何攻角分布；

图9为本发明实施例中针对船设计的扭曲舵的三维几何形状；

图10为本发明实施例中某型船在0°舵角时其原始对称舵与本发明设计的扭曲舵在z＝0.3L展向位置剖面的压力分布比较结果；

图11为本发明实施例中某型船在0°舵角时其原始对称舵与本发明设计的扭曲舵在z＝0.4L展向位置剖面的压力分布比较结果；

图12为本发明实施例中某型船在0°舵角时其原始对称舵与本发明设计的扭曲舵在z＝0.5L展向位置剖面的压力分布比较结果；

图13为本发明实施例中某型船在10°舵角时其原始对称舵与本发明设计的扭曲舵z＝0.4L展向位置剖面的压力分布比较结果；

图14为本发明实施例中本发明针对某型船设计的扭曲舵的立体图；

图15为本发明实施例中本发明针对某型船设计出的扭曲舵的正视图；

图16为图14中本发明扭曲舵的各截面的示意图；

图17为本发明实施例中某型船传统对称舵的剖面线型图。

其中附图标记包括：

舵叶1，舵叶前缘11，舵轴安装孔12；对称舵2。

具体实施方式

下面结合具体设计过程对本发明的抗空化扭曲舵及其设计方法进行详细说明，其设计过程的流程示意图如图1和图2所示，具体包括：

1、采用传统对称舵的设计方法确定目标船舶的舵高(如图14中L)、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度(如图16中T)、各展向位置剖面的线型(包括厚度沿弦向的分布和拱度沿弦向的分布)以及舵轴在舵上的安装位置等基本参数。

为了便于操作，在该步骤中各展向位置剖面的几何攻角可均设为0，各展向位置剖面线型均设定为对称翼型，即各展向位置剖面的拱度均为0，剖面的几何攻角等定义如图7所示。

在实际进行设计的时候，上述基本参数可以使用目标船舶原有对称舵的几何数据，通过测量等方式获取这些数据；也可以先按照传统对称舵的设计方法确定适应于目标船舶的对称舵数据，再将此数据作为扭曲舵设计的基本参数；

本实施例中，针对某型船进行舵的改进设计时，直接将该船的原始对称舵的几何外形作为扭曲舵初始几何外形，原始对称舵如图3所示，其上端面舵弦长为 4.4m，下端面弦长为3.215m，舵高L(即展长)为4.527m，舵轴位于0.321弦长为位置处。该舵的左右两面对称，各展向位置剖面的几何攻角均为0，各展向位置的拱度也均为0，各剖面的厚度的分布形式相同，该对称舵的剖面线型如图 17所示，图中横坐标中的x表示剖面从导边算起的弦向位置，C表示剖面的弦长，即导边到随边的弦向长度，剖面的最大厚度T与弦长C的比值为0.22。

2、通过数值计算方法或流场测量方法者得到目标船舶(不装舵情况下)在中高航速直航时螺旋桨后的尾流场，重点分析在舵安装位置的流场分布特点。

具体而言，如果采用数值计算方法获得带桨船的尾流场，需对不装舵的全附体带桨船模进行建模，然后采用采用非定常计算方法对流场进行计算。计算完成后，提取舵安装位置各点速度的时域值，速度时域值会存在明显的周期性，对螺旋桨旋转一个周期内的速度时域值进行平均处理，得到考虑船体、轴支架影响的各航速下舵安装位置处螺旋桨尾流场的分布情况。针对某型船，通过数值计算方法得到的螺旋桨后的尾流场如图4、图5和图6所示。

如果采用试验测量的方法获得带桨船的尾流场，则需要加工全附体(除舵外) 带桨船模，在拖曳水池或循环水槽中进行船模流场测量试验，测量得到螺旋桨后的尾流场，分析出舵叶安装位置处尾流的分布情况。

3、依据步骤1所述的舵高L、各剖面的弦长、各剖面的最大厚度等基本参数，在步骤2获得的尾流场数据的基础上，对各展向位置剖面的几何攻角和线型(包括剖面厚度沿着弦向的分布形式和剖面拱度沿弦向的分布形式)进行调整计算，得到各种舵的几何形状方案，并计算0°舵角时各方案舵叶表面的压力p的分布及相应的负压力系数负压力系数的定义为：其中p为舵表面的压力，p₀为参考压力，ρ为海水密度，V_S为船舶航速；提取各展向位置剖面上的负压力系数的峰值，通过对舵各展位置剖面的几何攻角和线型进行优化设计，获取使各展向位置剖面上相应峰值取值最小(即各剖面压力最低值取值最大)的最佳几何攻角和最佳线型数据，以上述各展向位置剖面的最佳几何攻角和最佳线型数据为基础加工扭曲舵；

其中，如图2所示，舵各展向位置剖面的几何攻角和线型的具体优化过程可以分为：

过程(a)，保持各剖面弦向方向的厚度分布不变，各剖面拱度可均设为0，调整各展向位置剖面的几何攻角，使各展向位置剖面几何攻角与相应位置的来流攻角相等，获取各展向位置剖面的几何攻角分布作为过程(a)的设计结果；

过程(b)在过程(a)的基础上，保持各剖面弦向方向的厚度分布不变，各剖面拱度可均设为0，考虑舵和桨的相互影响，用数值计算方法(如三维面元法或者计算流体方法)对舵和桨相互作用下的水动力进行计算，得到舵各剖面上压力面以及吸力面的压力分布，将各剖面的几何攻角沿展向的分布作为调整参数，目标函数为各剖面上所有指定弦向位置压力面与吸力面压力分布之差的平方和，通过最小二乘法可以使目标函数达到极小值，获取各剖面的几何攻角分布数据作为过程(b)的设计结果；

过程(c)，在过程(b)的基础上，保持各剖面的几何攻角和最大厚度不变，以各展向位置剖面负压力系数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代方法求解使目标函数达到最小值的各剖面厚度沿弦向的分布数据，为了操作方便，可以使各剖面厚度的分布形式相同，即各剖面同一弦向位置的厚度与该剖面的最大厚度的比值相等，以使作为未知量的厚度分布的维数从二维降为一维(只有弦向方向的变化，不考虑展向方向的变化)，减少迭代计算工作量。以该求解结果中各剖面厚度沿弦向的分布数据作为过程(c)的设计结果；

过程(d)，在过程(c)的基础上，保持各剖面的最大厚度和各剖面厚度沿弦向的分布形式不变，以各展向位置剖面负压力数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代的方法求解使目标函数取最小值的各剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式数据；为了操作方便，可以让各剖面拱度沿弦向的分布形式相同，即各剖面每一弦向位置处的拱度与该弦向位置的厚度的比值相等，这样也可以减少迭代计算。以该求解结果中的各剖面的几何攻角和拱度分布形式数据作为过程(d)的设计结果；

其中，从过程(a)到过程(d)，优化设计过程是层层递进的，根据目标船舶的实际设计需求，可以只执行过程(a)，也可从过程(a)开始执行到过程(b) 或者过程(c)或者过程(d)，以最后一过程获得的设计结果作为扭曲舵的设计数据。

根据以上方法和步骤，针对上述水面船设计得到的扭曲舵沿展向位置的几何攻角分布如图8所示，图中z表示从下端面算起的展向位置，L为舵高L(即舵的展长)，下端面为z＝0，上端面为z＝L，纵坐标为各展向位置剖面的几何攻角(即扭曲角)，同时设计得到的扭曲舵的三维几何形状如图9所示。

通过数值计算方法，可以得到原始对称舵和扭曲舵的压力分布云图，通过对云图结果分析可知，与原始对称舵最低压力值相比，而扭曲舵舵表面的最低压力值明显增大。且原始对称舵和扭曲舵的最低压力值在z＝0.4L展向位置附近。

为了更清楚地比较原始对称舵和本发明提供的扭曲舵上的压力分布情况，取舵面上不同展向位置的压力分布进行比较，分别取z＝0.3L，z＝0.4L，z＝0.5L 等三个展向位置剖面上的压力分布进行比较，结果如图10、图11和图12所示。由图中可知，原始对称舵在z＝0.3L，z＝0.4L，z＝0.5L三个剖面处的负压力系数峰值分别为1.287，1.376，1.178，整个舵面上负压力系数峰值为1.376左右，而本发明设计的扭曲舵在三个剖面处的最大的负压力系数分别为0.848，0.895， 0.839，整个舵面上的负压力系数峰值为0.895左右。本发明设计的舵面负压力峰值比传统对称舵降低了约35％，即本发明可以大幅降低舵面的负压力系数峰值，也即能够大幅提高舵叶表面的的最低压力值。

定义空泡数σ_V：

其中p₀＝p_a+ρgh，L为舵浸深，p_V水化的汽化压力(主要根海水温度相关， 15℃时p_V约为2332N/m²)，p_a为大气压，ρ为水的密度，g为重力加速度，V_S为船的航速。

当舵面的负压力系数-C_p≥σ_V时，即

此时p≤p_V。因此当舵面的负压力系数峰值等于空泡数σ_V时，舵面刚好发生空化。由此方法可以估算处舵面发生空化时船的最低航速(即空化起始航速)，舵发生空化的最低航速由下式确定：

由此可以估算出，0°舵角时原始对称舵的空化起始航速约为26.8节，而本发明设计的扭曲舵的空泡起始航速为32.7节，超过了该船的最大航速，空化起始航速提高5.9节，基本上可以消除0°舵角时的舵面空化。

该船在3°舵角时，原始对称舵和本发明提供的扭曲舵在整个舵叶表面的负压力系数峰值分别为1.68和1.10，扭曲舵负压力系数峰值比原始对称舵降低30％以上。根据负压力峰值对空化起始航速进行估算，原始对称舵和本发明提供的扭曲舵的空化起始航速分别约为24kn和29.5kn，空化起始航速提高5.5kn。该船在5°舵角时，原始对称舵和本发明提供的扭曲舵在整个舵叶表面的负压力系数峰值分别为1.95和1.30，原始对称舵和本发明提供的扭曲舵的空化起始航速分别约为22kn和27.3kn，空化起始航速提高5.3kn。

该船在10°舵角时，原始对称舵和本发明设计的扭曲舵在z＝0.4L展向位置剖面处的压力分布计算结果比较如图11所示，原始对称舵和本发明提供的扭曲舵在整个舵叶表面的最大负压力系数分别为2.82和1.90，原始对称舵舵和本发明提供的扭曲舵的空化起始航速分别为19.4kn和23.2kn，空化起始航速提高 4.8kn。

以上结果显示，不仅在0°舵角时，能大幅降低舵叶表面的负压力系数峰值，从而大幅提高舵叶表面的最低压力值，而且在打一定舵角时，本发明也能有效降低舵叶表面低压区的负压力系数峰值，提高舵表面低压区的压力，明显提升舵表面的空化起始航速。在通过自动舵保持航向直航时，舵角只在小舵角(±5°以内)范围内自动调节，在中高速航行过程中，改变航向也以操小舵角为主要情况，因此这两种航行状态下，本发明可以有效消除舵面的空泡现象。由于舰船在全寿命周期内，通过自动舵保持直航以及人工操小舵角改变航向是最主要的航行状态，因此，本发明可以有大幅低水面船在整个全寿命周期内舵空泡发生的时间。

在中高航速工况下中等舵角时(如10°舵角)，本发明在舵面上虽然也会发生空化，但空化范围比传统舵明显减小。因此本发明不仅可以大幅降低水面船在整个全寿命周期内舵的空泡发生概率和时间，而且即使在发生空化情况下，空化面积也会大幅降低。

由于本发明可以大幅降低水面船全寿命周期内舵空化发生的时间，即使发生空化，也可以大幅降低舵表面的空化范围，舵面的空化剥蚀问题可以得到有效解决，舵维护保养费用大幅减少。

舵面发生空化后，由舵引起的振动和噪声会急剧上升。中高航速时，传统对称舵的空化问题往往不可避免，随着航速增加，舵角的增大，舵空化面积也会随之增大，舵空化产生的振动和噪声问题也会更加严重。采用本发明后，小舵角条件下的空化问题基本可以得到有效解决，中高航速下中等舵角和大舵角的空化面积比原始对称舵有大幅减少，因此，采用本发明后，舵引起的振动和噪声也会显著降低。

在中高航速工况中等以上舵角时，传统舵舵面会发生大面积空化，在空化发生区域，压力保持为饱和蒸汽压力，不能进一步降低，而压力面压力又不能提高，舵效会明显降低。本发明可以降低中高航速工况中等以上舵角时舵面上的空化面积，从而可以提高舵效。

如图5所示，螺旋桨尾流存在明显的横向流动，0°舵角时传统对称舵叶吸力面比压力面压力明显低，舵的两面存在明显的压力差，使得在0°舵角时舵上存在明显的横向力，舵轴上也会存在明显的扭矩；本发明的各舵剖面与螺旋桨尾流有更好的配合，0°舵角时吸力面压力分布基本上与压力面压力分布重合，如图10、图11、图12所示，舵上的横向力和舵轴扭矩均大幅降低，改善了舵和舵轴的受力状态。在舰船直航、舵机在来回打小舵角的过程中，舵机的负荷也会明显减低，舵机的磨损也会减轻。

本发明既可以在新船上直接应用，也可以对已经下水的装有传统舵的水面船进行改装。如果是针对水面船已设计好的传统对称舵进行改进设计，则将传统对称舵的几何形状作为扭曲舵设计的初始几何形状。在扭曲舵优化设计的过程中，舵高L、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度和舵轴在舵上的安装位置等基本参数均可以与原对称舵保持不变。使得安装本发明后水面船的操纵性与安装原始对称舵相当，对水面的操纵性和航行安全不会产生不利影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.抗空化扭曲舵，包括舵叶，其特征在于，所述舵叶的各展向位置剖面形状为二维机翼，所述二维机翼为对称翼型或者非对称翼型，与传统对称舵各展向位置剖面的几何攻角均为零不同，所述抗空化扭曲舵舵叶的各展向位置剖面的几何攻角不一致，且各展向位置剖面的几何攻角呈连续变化，以使各剖面的几何攻角和线型与相应位置船舶的尾流场相匹配，如果船舶尾流场在舵安装位置处有由船弦外侧指向内侧的横向速度，则在所述位置处的舵叶前缘向外侧偏转，如果船舶尾流场在舵安装位置处有由船内侧指向船弦外侧的横向速度，则在所述位置处的舵叶前缘向内侧偏转，对于对称翼型的剖面，各剖面的几何攻角与该剖面处船舶尾流横向流动引起的来流攻角相关，对于非对称翼型剖面，剖面的几何攻角还与剖面的拱度(非对称程度)有关。

2.一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据目标船舶的需求，确定舵高(即展长)、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度、各展向位置剖面的几何攻角、各展位置剖面的线型(包括剖面厚度沿着弦向的分布形式和剖面拱度沿着弦向的分布形式)以及舵轴在舵上的安装位置等基本参数，以这些基本参数作为扭曲舵设计的原始参数；

步骤二、通过数值计算方法或者试验测量方法得到目标船舶无舵情况下在中高速直航时螺旋桨后的尾流场数据，所述尾流场数据包括尾流速度方向和速度大小的分布；

步骤三、依据步骤一所述的舵高、各剖面的弦长、各剖面的最大厚度、舵轴的安装位置等基本参数，在上述尾流场数据的基础上，对各展向位置剖面的几何攻角和线型(包括剖面厚度沿着弦向的分布形式和剖面拱度沿着弦向的分布形式)进行调整，得到各种舵的几何形状方案，并计算0°舵角时各方案舵叶表面的压力p的分布及相应的负压力系数提取各展向位置剖面上的负压力系数的峰值，负压力系数的定义为：其中p为舵表面的压力，p₀为参考压力，ρ为海水密度，V_S为船舶航速；通过对舵各展位置剖面的几何攻角和线型进行优化设计，获取使各展向位置剖面上相应峰值取值最小，即各剖面压力最低值取值最大的最佳几何攻角和最佳线型数据，以上述各展向位置剖面的最佳几何攻角和最佳线型数据为基础加工扭曲舵。

3.根据权利要求2所述的一种抗空化扭曲舵设计方法，其特征在于，步骤三中所述舵各展向位置剖面的几何攻角和线型的具体优化过程可以分为：

过程(a)，保持各展向位置剖面弦向方向的厚度分布不变，拱度设为零，调整各展向位置剖面的几何攻角，使各展向位置剖面几何攻角与步骤二中相应位置的来流攻角相等，获取各展向位置剖面的几何攻角分布作为过程(a)的设计结果；

过程(b)，在过程(a)的基础上，保持各展向位置剖面弦向方向的厚度分布不变，拱度设为零，考虑舵和桨的相互影响，用数值计算方法(三维面元法或者计算流体力学方法)对舵和桨相互作用下的水动力进行计算，得到舵各剖面上压力面以及吸力面的压力分布，将各剖面的几何攻角沿展向的分布作为调整参数，目标函数为各剖面上所有指定弦向位置压力面与吸力面压力分布之差的平方和，通过最小二乘法可以使目标函数达到极小值，获取各剖面的几何攻角分布数据作为过程(b)的设计结果；

过程(c)，在过程(b)的基础上，保持各展向位置剖面的几何攻角和最大厚度不变，以各展向位置剖面厚度沿弦向的分布形式作为调整参数，以所有指定展向位置剖面负压力系数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代方法求解使目标函数达到最小值的各剖面厚度沿弦向的分布数据作为过程(c)的设计结果；

过程(d)，在过程(c)的基础上，保持各展向位置剖面的最大厚度和各展向位置剖面厚度沿弦向的分布形式不变，以各展向位置剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式为调整参数，以所有指定展向位置剖面负压力系数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代的方法求解使目标函数取最小值的各剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式数据，以该求解结果中的各剖面几何攻角和各剖面拱度沿弦向的分布形式数据作为过程(d)的设计结果；

其中，从过程(a)到过程(d)，优化设计过程是层层递进的，根据目标船舶的实际设计需求，可以只执行过程(a)，也可从过程(a)开始执行到过程(b)或者过程(c)或者过程(d)，以最后一过程获得的设计结果作为扭曲舵的设计数据。

4.根据权利要求3所述的一种抗空化扭曲舵设计方法，其特征在于，在过程(c)中，为了操作方便，可以使各展向位置剖面厚度的分布形式相同，即各剖面同一弦向位置的厚度与该剖面的最大厚度的比值相等，以使作为未知量的厚度分布的维数从二维降为一维(只有弦向方向的变化，不考虑展向方向的变化)，减少迭代计算工作量。

5.根据权利要求3所述的一种抗空化扭曲舵设计方法，其特征在于，在过程(d)中为了操作方便，可以让各展向位置剖面拱度沿弦向的分布形式相同，即各剖面每一弦向位置处的拱度与该弦向位置的厚度的比值相等，以减少迭代计算。

6.根据权利要求2所述的一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤二中的通过数值计算法获得带桨船的尾流场，包括对不装舵的全附体带桨船模进行建模，采用非定常计算方法对螺旋桨后的尾流场进行计算，计算完成后，提取舵安装位置各点的速度的时域值，对螺旋桨旋转一个周期内的速度时域值进行平均处理，得到考虑船体、桨轴和轴支架等影响的舵安装位置处螺旋桨尾流场的分布情况。

7.根据权利要求2所述的一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤二中的试验测量法包括加工全附体(除舵外)带桨船模，在拖曳水池或者循环水槽中进行船模流场测量，得到舵安装位置各点的速度分布。

8.根据权利要求2所述的一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤一中的基本参数可以使用目标船舶原有对称舵的几何数据，也可以按照传统对称舵设计方法确定目标船舶适用的对称舵数据作为基本参数。

9.根据权利要求2所述的一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，各展向位置剖面的几何攻角均为0，各展向位置剖面线型均为对称翼型，即各展向位置剖面的拱度均为0。

10.根据权利要求2所述的一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，各展向位置剖面的几何攻角是将该剖面绕舵轴轴线偏转所形成的。