CN110920850B - 一种提升推进效率的船舶用波浪形舵 - Google Patents
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- B63H25/06—Steering by rudders
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Abstract
本发明提供了一种提升推进效率的船舶用波浪形舵，舵安装在船尾螺旋桨的后侧，波浪形舵由舵体以及安装在舵体前侧的上下两个驼峰状叶片组成，在舵体前侧安装有上下两副摆动机构，上、下叶片分别通过摆动机构可水平摆动的安装在舵体前侧；各驼峰状叶片表面的曲线走向为上下走向，上、下叶片之间的间隙位于螺旋桨的桨毂在水平方向上的投影区域内；设螺旋桨半径为R，上叶片、下叶片最前端与桨轴中心线的垂直距离为0.7R～0.75R。本发明充分利用了螺旋桨在0.75半径处的性能，波浪型舵突起更加接近螺旋桨，可以提高推进效率，舵突起的上下叶片分别可以独立的左右摆动，可以改善舵表面压力分布，避免航行中舵空泡的发生。
Description
技术领域
本发明涉及船舶领域，具体涉及到一种提升推进效率的船舶用波浪形舵。
背景技术
船舶在航行过程中，能按照驾驶人员的意图改变航向或维持其航向的性能称船舶操纵性，其主要包含有船舶的航向稳定性和回转性；根据船舶的使用要求，船舶操纵性应包括转小舵角时的航向保持性，转中等舵角时的航向机动性和转大舵角时的紧急规避性。舵是船舶保证良好操纵性的主要设备之一。
舵作为船舶操纵设备之一，形式很多，除了普通舵之外还有：襟翼舵、鱼尾舵、扭曲反应舵、主动舵和带制流板的舵等；除普通舵之外其他舵的设计目的主要有以下三点：1.提升推进效率；2.改善操纵性；3.改善空泡性能。
目前常规使用的普通平板舵示意图如图1所示，常规采用NACA剖面或其他剖面，安装在船体尾部，其水动力性能一般。
发明内容
针对目前常规平板舵设计水动力性能一般的特点，本发明设计出一种提升推进效率、改善操纵性和空泡性能的波浪型舵，具体方案如下：
一种提升推进效率的船舶用波浪形舵，所述舵安装在船尾螺旋桨的后侧，所述波浪形舵由舵体以及安装在所述舵体前侧的上下两个驼峰状叶片组成，在所述舵体前侧安装有上下两副摆动机构，上、下叶片分别通过所述摆动机构可水平摆动的安装在所述舵体前侧；
各所述驼峰状叶片表面的曲线走向为上下走向，上、下叶片之间的间隙位于螺旋桨的桨毂在水平方向上的投影区域内；
设螺旋桨半径为R，上叶片、下叶片最前端与桨轴中心线的垂直距离均为0.7R～0.75R，且所述上叶片和所述下叶片的最前端与所述舵体前侧边之间的距离均为0.2m～2.2m。
进一步的，在高度方向上，所述舵的中部靠前处至前侧边以及后侧边厚度逐步递减。
进一步的，上叶片和下叶片分别关于自身最前端在水平方向上的中心线上下对称。
进一步的，所述舵体的后侧为波浪形曲线，所述波浪形曲线与所述波浪形舵的前侧边整体曲线相同。
上、下叶片摆动时与所述舵体的夹角范围为0-45度。
本发明的优点在于：
(1)改善舵表面区分布；
(2)充分利用了螺旋桨在0.75半径处的性能，波浪型舵突起更加接近螺旋桨，可以提高推进效率，提升推进效率约2％；
(3)导边突起，随边凹陷，不增加舵面积，不会增加摩擦阻力；
(4)充分利用了螺旋桨在0.75半径处的性能，波浪型舵突起更加接近螺旋桨，可以增加舵效，改善船舶的操纵性；
(5)舵突起的上下叶片分别可以独立的左右摆动，可以改善舵表面压力分布，避免航行中舵空泡的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为当前常见的普通平板舵示意图；
图2为本发明的舵装配在船尾的示意图；
图3为本发明舵的主视图；
图4-5示出了舵的规格示意图；
图6为普通平板舵表面压力分布图；
图7为本发明的波浪舵表面压力分布图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供了一种提升推进效率的船舶用波浪形舵01，如图2所示，船舶用波浪形舵01安装在船尾螺旋桨02的后侧。继续参阅图3，波浪形舵01由舵体20以及安装在所述舵体20前侧的上下两个驼峰状叶片组成，在所述舵体20前侧安装有上下两副摆动机构24，上、下叶片分别通过所述摆动机构24可水平摆动的安装在所述舵体20前侧。如图3-4所示，各所述驼峰状叶片表面的曲线走向为上下走向，上、下叶片之间的间隙23位于螺旋桨的桨毂在水平方向上的投影区域内；设螺旋桨半径为R，上叶片、下叶片最前端与桨轴中心线的垂直距离D均为0.7R～0.75R，且上叶片21和下叶片22的最前端与舵体20前侧边之间的距离L均为0.2m～2.2m(如图5)。
如图3可见，从螺旋桨的桨毂上外围区域往间隙23方向，上叶片21的前缘向前突起后再向后收缩构成驼峰；从螺旋桨的桨毂下外围区域到往间隙23方向，下叶片22前缘向前突起后再向后收缩构成驼峰。
现有普通舵设计推进效率和操纵性能一般，其他一些特殊舵设计有些仅提升推进效率，有些仅提升船舶操纵性，两个兼有之的比较少，即使有两者性能兼而有之的舵设计，提升的空间也不大。本发明主要是充分利用了螺旋桨在0.75半径处的性能，波浪型舵的两个向前突起的叶片更加接近螺旋桨，可以提高推进效率和增加舵效，改善船舶的操纵性；同时波浪舵导边突起，随边凹陷，不增加舵面积，因此不会增加摩擦阻力，此外，波浪舵的加工也没有给加工带来非常大的复杂性。
对于某些船舶，舵的导边也是容易发生空泡的区域，尤其对于高速船舶更是如此。在一定舵角下，舵叶朝向船尾的一侧导边会形成很高的负压峰，当这种负压达到一定程度后，会形成局部空化，这种空化会导致一定的噪声。此外随空泡沿舵叶向船尾流去的过程中，压力得到补偿从而使空泡溃灭，溃灭与舵叶表面的空泡会导致舵叶的剥蚀，从而严重影响舵的寿命甚至是人身财产安全。为避免这种空泡的发生，本专利提出对应于螺旋桨大半径位置处的突起舵叶部分，通过摆动机构24可以驱动上、下叶片进行水平方向的左右摆动，使其具有导边转角度的附加功能，使存在空泡风险的舵叶角度下，导边负压峰降低，从而保证在大舵角时不发生空化。在一定吃水和一定航速下，根据CFD分析，存在最佳偏向角，预先根据试验或者CFD数值模拟，得到对应吃水和航速的最佳舵偏向角度，供船实际运营使用。
最优选的实施例为：上叶片21和下叶片22向前突出的最前端顶点与桨轴中心线的垂直距离D为0.75R。
在一可选的实施例中，在高度方向上，船舶用波浪形舵01的中部靠前处至前侧边以及后侧边厚度逐步递减。
在一可选的实施例中，上叶片21和下叶片22分别关于自身最前端在水平方向上的中心线25上下对称。
上叶片21和下叶片22由于可以左右摆动，在一定吃水和一定航速下，根据试验或者CFD分析，存在最佳偏向角。设计之初，预先根据试验或者CFD数值模拟，得到对应吃水和航速的最佳舵偏向角度，供船实际运营使用，摆动角度范围在0-45度较佳。
请参阅图5，下面就一具体实施例对船舶用波浪形舵01的规格进行进一步的描述：
下叶片22最前端与波浪形舵底边之间的垂直距离H1为1.48m；螺旋桨桨毂下缘与波浪形舵底边之间的垂直距离H2为2.85m；螺旋桨轴中心线与波浪形舵底边之间的垂直距离H3为3.4m；螺旋桨桨毂上缘与波浪形舵底边之间的垂直距离H4为4.03m；上叶片21最前端与波浪形舵底边之间的垂直距离H5为5.61m；上叶片21最上端与波浪形舵底边之间的垂直距离H6为7.52m。
本发明提供的舵01，从船后向船首看，舵01整体左右对称；每个剖面都是NACA剖面形式。本发明的波浪形舵有如下功能：
(1)改善舵表面区分布，充分利用了螺旋桨在0.75半径处的性能，波浪型舵突起更加接近螺旋桨，可以提高推进效率，提升推进效率约2％，如表1所示的CFD计算结果。
表1 CFD计算结果
(2)导边突起，随边凹陷，不增加舵面积，不会增加摩擦阻力。
(3)充分利用了螺旋桨在0.75半径处的性能，波浪型舵突起更加接近螺旋桨，可以增加舵效，改善船舶的操纵性。
图6-7分别为普通平板舵和本发明的波浪舵表面压力分布图，对比可以看出，本发明波浪舵表面的压力分别更加均匀，这意味着舵的强度得到了提升。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (4)
1.一种提升推进效率的船舶用波浪形舵，所述舵安装在船尾螺旋桨的后侧，其特征在于，所述波浪形舵由舵体以及安装在所述舵体前侧的上下两个驼峰状叶片组成，在所述舵体前侧安装有上下两副摆动机构，上、下叶片分别通过所述摆动机构可水平摆动的安装在所述舵体前侧；
各所述驼峰状叶片表面的曲线走向为上下走向，上、下叶片之间的间隙位于螺旋桨的桨毂在水平方向上的投影区域内；
设螺旋桨半径为R，上叶片、下叶片最前端与桨轴中心线的垂直距离均为0.7R～0.75R，且所述上叶片和所述下叶片的最前端与所述舵体前侧边之间的距离均为0.2m～2.2m。
2.如权利要求1所述的提升推进效率的船舶用波浪形舵，其特征在于，上叶片和下叶片分别关于自身最前端在水平方向上的中心线上下对称。
3.如权利要求1所述的提升推进效率的船舶用波浪形舵，其特征在于，所述舵体的后侧为波浪形曲线，所述波浪形曲线与所述波浪形舵的前侧边整体曲线相同。
4.如权利要求1所述的提升推进效率的船舶用波浪形舵，其特征在于，上、下叶片摆动时与所述舵体的夹角范围为0-45度。
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