CN118083063A - 改进的帽舵及船 - Google Patents

Abstract

改进的帽舵及船，涉及一种改进了的船用帽舵及采用其构建的船，帽舵包括舵轴及固定于舵轴下端的帽板，舵轴套筒在轴向上位于帽板和舵轴上端之间，在径向上舵轴通过第一轴承支承于舵轴套筒之内，一对共轴线设置的横轴与舵轴的轴线相互垂直，且横轴的一端固定于舵轴套筒外壁，另一端为与第二轴承连接的轴承连接端，船采用了上述改进的帽舵。具有可操控帽舵绕横轴转动舵角，控制船航行纵倾姿态，进而节省能源的优点。

Description

改进的帽舵及船

技术领域

本发明涉及船用帽舵的改进结构及采用这种改进帽舵构建的船，具体地说，涉及改进的帽舵及船。

背景技术

公布号为CN109050862A、名称为帽舵及船的发明专利申请公开了帽舵的结构，相对于传统的板叶舵或导流管舵，帽舵具有阻力小舵效高的优点，通过五年多的实船使用已收到显著的节能效果，然而，其还有进一步提升其节能效果的空间，根据船体设计和航行操作的常识，船在航行过程中阻力最小的姿态是正浮状态，也就是既无艏倾也无艉倾的状态，但实际航行过程中，由于航速的不同或载重的不均衡等因素，船舶的纵倾状态常常发生变化，例如其他条件不变的情况下，航速提高时，将发生艉倾即船艏上翘的姿态变化，通常这使得航行阻力相对增大，能耗陡增，再例如装货或卸货后，导致纵倾状态发生的变化，也必然使得航行阻力相对增大或推进效率降低。而帽舵有着它独特的如下特点，其不但在中纵面上的投影和板叶舵一样，具有一定的面积，从而能够操舵使得船可以左或右转，还在水平面上具有比板叶舵大得非常多的投影面积，同时，在纵向上其也具有设置在远离船体纵稳心的船艉的特点，因此，用其实时控制船体纵倾将可以大大节省能源；另一方面，当航行中产生纵倾变化特别是艉倾时，高昂的船艏会遮挡驾驶人员正前方的视线，带来影响航行安全的隐患。而在对现有技术的检索中，发现在其他条件都不变的情形下，于航行过程中能主动操控船体纵倾状态的方案有公告号为CN219215352U、名称为“一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置”，及公布号为CN100348459C、名称为“十字型抗纵摇舵”，前者采用两套舵机，分别用于控制左右转动的后尾鳍和控制上浮下潜的胸鳍，结构相对复杂，后者采用的是十字型布置的板叶舵，其只能有效地抵抗纵摇，但并不能主动地控制纵倾；另一方面，公布号为CN111792015A、名称为“可绕双轴转动的舵系及船”的中国发明专利申请公开了一种针对板叶舵的舵系，该舵系除与传统舵具有使板叶舵在水平面内转动的舵轴外，还具有使板叶舵在垂直面内转动的转动轴，其设计目的是为了减少在直行状态下板叶舵的阻力，其根本不能改变航行中船舶的纵倾状态。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种改进的帽舵，使其能在航行过程中实现对船舶纵倾状态的调整，从而即能节省能源消耗又能改善驾驶人员的操控视野；

本发明的另一目的是提供一种使用改进的帽舵构建的船。

为实现上述主要目的，本发明提供的改进的帽舵包括轴线垂向设置的舵轴及固定在所述舵轴下端的帽板，所述舵轴的上端为用于与舵柄连接的连接端；舵轴套筒，在轴向上，所述舵轴套筒位于所述帽板和所述连接端之间，在径向上，所述舵轴位于所述舵轴套筒之内，且所述舵轴通过第一轴承支承在所述舵轴套筒内，使所述舵轴相对所述舵轴套筒绕所述舵轴自身轴线转动；一对共轴线设置的横轴，所述横轴的轴线与所述舵轴的轴线相互垂直，且所述横轴的一端固定于所述舵轴套筒外壁，另一端为用于与第二轴承连接的轴承连接端。

由以上方案可见，本发明采用了在舵轴外设置了舵轴套筒，一方面具有像帽舵一样的操舵行船，即当舵轴相对舵轴套筒转动时船可以左转或右转，同时还设置了一对横轴，其与舵轴套筒形成了十字形的主要结构形式，当舵轴套筒绕一对横轴的轴线转动时，无论是处于正舵还是具有左右舵角的帽板都将相对船体产生俯仰动作，即如同襟翼相对主翼产生俯仰动作一样，从而实现对船体纵倾的调整控制。

进一步的方案是所述第一轴承有一对，分别为位于所述舵轴套筒上部的滚珠轴承和位于所述舵轴套筒下部的铜套轴承。对于大型船舶，由于第一轴承的下轴承受力巨大，采用铜套轴承可以有效延长轴承的使用寿命。

另一进一步的方案是所述第一轴承有一对，分别为位于所述舵轴套筒上部的滚珠轴承和下部的滚珠轴承。对于小型船舶，第一轴承的下轴承受力通常不会超过滚珠轴承的抗压力极限，因此第一轴承可以采用一对滚珠轴承，也可以在下轴承的设计上采用双轴承的结构形态，以提高下轴承的抗压能力，本方案具有成本相对较低的优点。

更进一步的方案是所述舵轴具有径向内缩的环形卡槽，用于在轴向上限制所述上部的滚珠轴承内圈的卡环设置在所述卡槽内；所述卡环在轴向的上部依次设置有卡环压盖和套筒压盖，并且，所述卡环压盖在轴向上通过紧固件与所述卡环固定连接，所述套筒压盖在轴向上通过紧固件与所述舵轴套筒固定连接；所述卡环压盖与所述套筒压盖在轴向上具有间隙。从而可以使帽舵的舵轴在轴向被约束，具体地说卡环限制了舵轴相对舵轴套筒向下移动，而舵轴由于加上帽板重力的存在而不会相对舵轴套筒向上移动，即使偶尔上移，也会为套筒压盖所约束。

另一更进一步的方案是所述舵轴套筒的下端设置有油封及油封盖板。从而有效地防止了水从下部进入舵轴套筒的内腔对第一轴承进行侵蚀。

为实现本发明的另一目的，本发明提供的船包括船体与帽舵，所述帽舵为上述任一方案中所述改进的帽舵，所述舵轴的上端通过所述舵柄连接舵机；所述横轴的连接端连接所述第二轴承，所述第二轴承的轴承座固定在所述船体上，且一对所述横轴关于中纵剖面对称布置；用于驱动所述横轴绕自身轴线转动的第二舵机。

进一步的方案是所述舵机的一端通过球铰连接在所述船体上，所述舵机的另一端通过球铰连接所述舵柄。从而可以使帽舵在绕横轴转至不同角度时舵机都可以顺利地操舵。

另一进一步的方案是所述舵轴套筒外壁固定有铰座板，所述铰座板位于中纵剖面上，且位于所述舵轴套筒的上端；所述第二舵机的一端铰接在所述船体上，所述第二舵机的另一端铰接于所述铰座板。

更进一步的方案是所述第二舵机有两台，设置在所述舵轴套筒的两侧，以一推一拉的方式驱动所述改进的帽舵绕所述横轴的轴线转动。

进一步的方案是所述改进的帽舵穿出所述船体之处设置有防止水进入船舱的筒状的围井，所述围井下端固定于所述船体的底板，上端敞口，后端设置有用于将进入围井的水引出所述船体的出水口。本方案的优点是可以有效地解决舵轴套筒穿出船体底板处的进水排出问题。

附图说明

图1是改进的帽舵第一实施例的主视图；

图2是图1的A局部放大图；

图3是图1的左视图；

图4是船第一实施例的主视图，也是船的纵剖视图；

图5是图4的俯视图，也是舵舱的平面图；

图6是图5的B－B剖视图，也是船的艏向视图；

图7是反映围井结构的示意图；

图8是船设计浮态时帽舵相对船体状态的示意图；

图9是船发生艉倾时帽舵相对船体压舵状态的示意图；

图10是船发生艏倾时帽舵相对船体抬舵状态的示意图；

图11是同一条船使用帽舵与改进的帽舵的实船测试对比表。

其中：改进的帽舵1；舵轴10；舵轴上端101；环形卡槽102；锥台段103；舵轴下端104；卡环105；卡环压板106；帽板11；舵轴套筒12；筒体121；套筒压盖122；套筒上承座123；滚珠轴承124；铜套轴承125；套筒下承座126；油封127；油封盖板128；横轴13；固定端131；轴承连接端132；第二轴承133；舵机14；舵柄141；球形铰142；球形铰143；第二舵机15；铰座板151；铰152；铰153；围井16；围井出水管161；船底板171；艉封板172。

以下结合实施例及其附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式

改进的帽舵第一实施例

参见图1和图2，改进的帽舵1具有一个轴线在垂向的舵轴10，以及固定在舵轴下端104的帽板11，舵轴上端101的断面为矩形的柱体，是用于与舵柄固定连接的连接端，舵轴10有一个径向内缩的环形槽102，还有一个锥台段103，在轴向上环形槽102位于舵轴上端101和锥台段103之间，且锥台段103的小径端近环形槽102。舵轴套筒12在轴向上位于舵轴上端101和帽板11之间，而在径向上位于舵轴10之外，即直径相对较细的舵轴10位于直径相对较粗的舵轴套筒12之内，舵轴10通过由滚珠轴承124和铜套轴承125构成的第一轴承支承在舵轴套筒12内，因此舵轴10可以相对舵轴套筒12绕舵轴10自身的轴线转动。

轴舵套筒12在轴向上有一个壁厚相对较薄的筒体121和固定在其上下两端，且壁厚较厚的套筒上承座123及套筒下承座126，铜套轴承125设置在套筒下承座126内且径向上两者之间过盈配合，在套筒下承座126的下端设置有油封127及油封盖板128。滚珠轴承124设置在套筒上承座123内且径向上两者过盈配合。卡环105安装在环形卡槽102内，用于在轴向上限制滚珠轴承105的内圈，卡环压板106通过周向均布的紧固件与卡环固定连接，因此，当舵轴10相对舵轴套筒12转动时，卡环105和卡环压板106均随舵轴10一起转动。在轴向上与卡环压板106之间具有间隙的套筒盖板122则通过周向均布的紧固件固定在套筒上承座123的上端面上。锥台段103的小径端紧邻套筒上承座123的下端面。因此在轴向上，卡环105限制了舵轴10相对舵轴套筒12向下的移动，而舵轴10和帽板11的自重及套筒盖板122限制了舵轴10相对舵轴套筒向上的移动。组装时，舵轴10自下向上穿入舵轴套筒12就位后，周向上由三段组成的卡环放入后再将卡环压板106放入并用紧固件连接，最后固定套筒压板122。

参见图3，一对共轴线设置的横轴13的固定端131固定在舵轴套筒12的外壁上，本例中是固定在强度较高的套筒下承座126的外壁上，作为自由端的另一端是用于与第二轴承连接的轴承连接端132。

改进的帽舵第二实施例

本例与上例不同的是将铜套轴承125替换为滚珠轴承，即也采用轴向可承受载荷的滚珠轴承。

改进的帽舵的其他实施方式

显然，舵轴上端101还可以与舵柄采用各种键连接的结构形态；横轴13的固定端131与套筒下承座的连接处还可以在周向设置三角形的加强肘板。

船第一实施例

参见图4，图4是船纵剖视的艉部区域示意图，本例中作为船体一部分的船底板171和艉封板172构成了舵机舱的两个壁，舵轴套筒12的下端穿过船底板171上设置的孔，该孔的大小应满足舵轴套筒12绕横轴13转动设计要求的角度，经由该孔进入船底板171的水的处理方式将在后叙述。第二轴承133通过其轴承座固定在船底板171上，显然，也可以通过支架固定在船的底部桁架上，或以其他结构形态固定在船体结构上。

舵柄141的中部固定在舵轴上端101上，舵柄141的两端通过球形铰143与舵机14连接。

舵轴套筒12的外壁上固定有一个铰座板151，铰座板151位于船体的中纵剖面上，并且位于舵轴套筒12的上端，第二舵机15的一端通过铰152固定在船底板171或底部桁架上，另一端通过铰153固定在铰座板151上。

参见图4并参考图6，图6是图5的B－B剖视图，也相当于图4过舵轴10轴线的横剖面图，当第二舵机15推出时，帽板11绕横轴13逆时针转动，当第二舵机15回缩时，帽板11绕横轴13顺时针转动。

参见图5，本例中采用双舵机14，并相关于舵轴10的轴线中心对称布置，双舵机14同步推出时，帽板11绕舵轴10的轴线逆时针转动，双舵机14同步回缩时，帽板绕舵轴10的轴线顺时针转动。横轴13的连接端连接第二轴承133，一对横轴关于船体的中纵剖面对称布置，横轴13的轴线与舵轴10的轴线相互垂直，一端通过其固定端131固定在舵轴套筒12外壁，另一端通过其轴承连接端132与第二轴承133连接。

参见图7，围井16为筒状壳体，下端与船底板171水密固定连接，上端敞口，后端设置有用于将进入围井的水引出船体的出水口，舵轴套筒12的下端穿过船底板171上设置的孔被围在围井16的区域之内，围井在垂向上的高度应高于艉部最大吃水线，因此从孔中进入围井16的水不会到达围井的敞口，另一方面，在围井的中部还设置有围井出水管161，围井出水管161的一端连通围井16后端的出水口，另一端伸出艉封板172，还可以在围井16的上端敞口与舵轴套筒12之间设置水密的橡胶波纹盖，因此，进入围井16内的水会由围井出水管161排出船体，也不会自围井16的上端敞口溢入船体之内。

船第二实施例

本例与上例不同的是第二舵机15有两台，可参见图4，在舵轴套筒12的左侧也设置一台第二舵机15，两台第二舵机15关于舵轴套筒12左右对称，即设置在舵轴套筒12的两侧，操控帽板11俯仰动作时，二台第二舵机15以一推一拉的方式驱动改进的帽舵1绕横轴13的轴线转动。

改进的帽舵在航行中操控船船舶纵倾

参见图8，船在正常航行状态下，只要没有纵倾，第二舵机15只需将帽板11固定在基本水平的状态下，水流对帽板11产生的垂向上的分力即使有一些，也不会对船的纵倾产生影响，因此，船将在正浮状态下以设计的最小阻力航行。

参见图9，当由于航速提高或因载货在纵向上的分布不均使船的纵倾发生变化时，例如产生艉倾，即船艏向上翘起时，可以操控第二舵机15推出，使帽板11绕横轴13逆时针转一舵角，获得水流给帽板一个向上的分力，该分力则使船体绕纵稳心顺时针转动，从而使纵倾状态减小或恢复到正浮状态航行。

参见图10，同样的道理，当产生艏倾时，即船艏下沉时，可以操控第二舵机15回缩，使帽板11绕横轴13顺时针转一舵角，获得水流给帽板11一个向下的分力，该分力则使船体绕纵稳心逆时针转动，也会使纵倾状态减小或恢复到正浮状态航行。

参见图11，这是在同一条玻璃钢柴油高速艇上使用帽舵与改进的帽舵在空载及载货1吨时，主机额定转速2300转下的实测数据对比表。该艇主要参数如下：船体长、宽、高为13.8米×2.7米×1.25米，主机型号为WP13FY1000－23E200，变速箱型号为HCQ501，螺旋桨直径为0.84米，螺距1130毫米。

帽舵的帽板长1.35米，帽板为半圆弧板，直径是桨径的1.1倍。

实船测试结果由图11示表中可见，在航速对比方面：空载状态下，改进的帽舵相对帽舵的航速提高2.5%，载荷1吨的状态下，改进的帽舵相对帽舵的航速则提高5%；在艉倾调整方面，在空载状态下，可以减少艉倾13度，在载荷1吨状态下，可以减少艉倾9.2度。

Claims (10)

1.改进的帽舵，包括轴线垂向设置的舵轴及固定在所述舵轴下端的帽板，所述舵轴的上端为用于与舵柄连接的连接端；

其特征在于：

舵轴套筒，在轴向上，所述舵轴套筒位于所述帽板和所述连接端之间，在径向上，所述舵轴位于所述舵轴套筒之内，且所述舵轴通过第一轴承支承在所述舵轴套筒内，使所述舵轴相对所述舵轴套筒绕所述舵轴自身轴线转动；

一对共轴线设置的横轴，所述横轴的轴线与所述舵轴的轴线相互垂直，且所述横轴的一端固定于所述舵轴套筒外壁，另一端为用于与第二轴承连接的轴承连接端。

2.根据权利要求1所述改进的帽舵，其特征在于：

所述第一轴承有一对，分别为位于所述舵轴套筒上部的滚珠轴承和位于所述舵轴套筒下部的铜套轴承。

3.根据权利要求1所述改进的帽舵，其特征在于：

所述第一轴承有一对，分别为位于所述舵轴套筒上部的滚珠轴承和下部的滚珠轴承。

4.根据权利要求1至3任一项所述改进的帽舵，其特征在于：

所述舵轴具有径向内缩的环形卡槽，用于在轴向上限制所述上部的滚珠轴承内圈的卡环设置在所述卡槽内；

所述卡环在轴向的上部依次设置有卡环压盖和套筒压盖，并且，所述卡环压盖在轴向上通过紧固件与所述卡环固定连接，所述套筒压盖在轴向上通过紧固件与所述舵轴套筒固定连接；所述卡环压盖与所述套筒压盖在轴向上具有间隙。

5.根据权利要求1至3任一项所述改进的帽舵，其特征在于：

所述舵轴套筒的下端设置有油封及油封盖板。

6.船，包括船体与帽舵，所述帽舵为权利要求1至5任一项所述改进的帽舵，所述舵轴的上端通过所述舵柄连接舵机；

其特征在于：

所述横轴的连接端连接所述第二轴承，所述第二轴承的轴承座固定在所述船体上，且一对所述横轴关于中纵剖面对称布置；

用于驱动所述横轴绕自身轴线转动的第二舵机。

7.根据权利要求6所述船，其特征在于：

所述舵机的一端通过球铰连接在所述船体上，所述舵机的另一端通过球铰连接所述舵柄。

8.根据权利要求6所述船，其特征在于：

所述舵轴套筒外壁固定有铰座板，所述铰座板位于中纵剖面上，且位于所述舵轴套筒的上端；

所述第二舵机的一端铰接在所述船体上，所述第二舵机的另一端铰接于所述铰座板。

9.根据权利要求8所述船，其特征在于：

所述第二舵机有两台，设置在所述舵轴套筒的两侧，以一推一拉的方式驱动所述改进的帽舵绕所述横轴的轴线转动。

10.根据权利要求6至9任一项所述船，其特征在于：

所述改进的帽舵穿出所述船体之处设置有防止水进入船舱的筒状的围井，所述围井下端固定于所述船体的底板，上端敞口，后端设置有用于将进入围井的水引出所述船体的出水口。