舵及其效应 • 船舶控制方向的主要手段； • 用舵进行的操纵： – 小舵角使船舶保持其航向； – 中舵角改变其航向； – 大舵角进行旋回 舵及其效应 • 舵的种类及几何要素 • 舵的水动力特征 • 舵力作用于船舶的效果 • 舵效及舵效指数 • 影响舵效的因素 舵的种类 • 普通舵 • 平衡舵 • 半平衡舵 舵的种类 • 古老的舵 舵的种类 • 普通舵 – 舵的全部面积分布在舵轴的 后方； – 水动力作用中心距离舵轴较 远，故转舵力矩较大，所需 舵机功率较大 – 舵轴上的支撑点较多，故强 度较大 舵的种类 • 平衡舵 – 舵宽的一部分分布在舵轴前 方； – 水动力作用中心距离舵轴较 近，故转舵力矩较小； – 舵轴上的支撑点较少，故强 度较小 舵的种类 • 半平衡舵 – 舵宽和舵高的一部分分布在 舵轴之前； – 这种舵的性能介于普通舵和 平衡舵之间 舵的种类 • 按照舵抛面的结构分类： – 平板舵； – 流线型舵； – 特种舵 • 按照舵的支撑结构分类： – 多支撑舵； – 双支撑舵； – 半悬挂舵 – 悬挂舵等等 舵的几何要素 • 舵面积(AR ) – 舵面积比(A R / L pp d) • 展弦比 (λ)： • 舵平衡系数(k) 舵的几何要素 • 舵面积(AR ) – 舵的外形轮廓所包围的面积 – 一般用舵面积比(A R / L pp d)来考察舵对船舶操 纵性的影响。
• 展弦比 (λ)： – 舵高(h)在舵翼中称为翼展，舵宽(b)称为翼弦， – 对于矩形舵，其展弦比为舵高与舵宽之比； • 舵平衡系数(k) – 舵面积在舵轴前后的比例关系 舵的水动力特征 • 舵力及舵力转船力矩 • 使舵力减小的流体现象 • 船尾舵的性能 舵力及舵力转船力矩舵力及舵力转船力矩 • 舵力产生条件 – 舵速 – 有效攻角 • 舵力分解 – 舵力PR – 正压力PN – 阻力（纵向）D – 升力（横向）L 舵力及舵力转船力矩舵力及舵力转船力矩 • 冲角不大时正压力PN可以表示为 舵力减小的流体现象舵力减小的流体现象 • 失速现象（Stall） 一般说来，随着舵角的增 大，舵的升力系数CL和阻 力系数CD均具有增大的趋 势，可是当舵角达到某一 舵角时，由于流经舵背面 的水流从舵的后缘之前严 重地与舵的背面剥离，从 而出现强涡时，舵升力系 数CL则将骤然下降，这种 现象叫作失速现象 舵力减小的流体现象舵力减小的流体现象 • 空泡现象（aviation） – 当使用大舵角或舵的前进速度相当大时，特别是 舵的前缘横截面曲率较大时，舵的背面压力出现 剧烈下降，当下降至或接近于该温度下的汽化压 力时，在舵的背面将产生空泡现象。
– 空泡现象会造成舵叶的侵蚀损坏 舵力减小的流体现象舵力减小的流体现象 • 空气吸入现象（aeration） – 在舵的背面吸入空气、产生涡流，使舵力下降的 现象，称为空气吸入现象 – 空气吸入现象多发生在舵的上缘与水面接近或高 出水面且速度较大的情况下，这也是一种降低舵 力的有害现象 船尾舵的性能 • 舵与船体之间的相互干扰 – 船舶操舵后，舵周围出现的压力变化，即左右两 侧的压力差将波及到尾部船体两侧，使船体也产 生了左右的压力差，这相当于增加了船尾舵的舵 力 – 据Gawn的研究，这种船体和舵之间的相互干扰 的结果将使船尾舵的舵力比单独舵的舵力提高约 20～30%，而且船尾的钝材越大，舵与船尾的间 隙越小，这种效果越显著 船尾舵的性能 • 伴流及其影响 – 伴流是船体周围的水部分地随船舶运动而形成的 水流，伴流方向与船舶运动方向相同者称为正伴 流；反之，则称为负伴流 – 按其形成的原因可以分为摩擦伴流、势伴流和兴 波伴流 – 伴流影响使舵的正压力降低 船尾舵的性能 • 排出流的影响 – 排出流的影响与伴流的影响相反； – 螺旋桨排出流增加了舵处的来流速度，从而提高 了舵力 船尾舵的性能 • 船舶旋回中的舵力 降低 – 旋回中的降速，导致 舵处的来流速度下降 ，舵力下降； – 旋回中舵处的有效冲 角减小（即有效舵角 减小）。
舵效舵效 • 舵效的概念 – 操舵后，会引起船首回转、横向移动、船速下 降、船体横倾等现象，广义上，舵效即为船体 对舵的响应 – 狭义上，舵效，操一舵角后船舶在一定时间、 一定水域内船首转过的角度大小 • 舵效的判断 – 如能在较短的时间、较小的水域内转过较大的 角度，认为舵效好，否为差 舵效舵效 • 舵效指数 – 舵效的好坏与船舶旋回性、追随性密切相关 当初始操舵时，回转角加速度将主要取决于 K/T值的大小（舵角一定）， K/T反映了单位舵 角所能产生的角加速度大小，通常称为舵效指 数，即K大T小，舵效好 舵效 • 影响舵效的因素 – 舵角 – 舵面积比 – 舵速 • 舵速Ⅴr等于： Ⅴs-Wr+ΔⅤrx • (Ⅴs－船速 Wr－舵叶处的伴流速度 ΔⅤrx－ 排出流流速的轴 向分量) ，在船速低时通过提高主机转速方法来提高舵速度 – 吃水 – 纵倾与横倾 – 舵机特性 – 其他因素 提高舵效的措施 • 降低船速的同时增加螺旋桨的转速 – 降低船速舵速同时降低了伴流的影响，且使船舶进距 有所减小； – 增加螺旋桨转速不但增加了螺旋桨的滑失比，同时也 使螺旋桨尾流速度增大，进而增加了舵速。
– 由于船舶惯性较大，船速的增量在有限距离内是有限 的 • 船舶在港内宽度和深度受限的直航道中航行时， 船速不宜过高，可以在船尾系带一拖船协助减速 ，同时增加螺旋桨转速，以提高舵效 侧推器及其效应 • 船舶进港船速逐渐降低的过程中，操舵产生的舵 力转船力矩逐渐减小，控制航向的能力逐渐变差 为了解决这个问题产生了另一种产生转船力矩 的方法，即在船上安装侧推装置，简称为侧推器 • 侧推器可以作为船舶的辅助操纵装置，广泛应用 于港内船舶操纵靠离码头中船舶的横向移动、 航道内低速航行时调整航向、抑制倒车过程中的 船首偏转等都是侧推器在船舶操纵中的具体应用 侧推器适用于靠离泊操纵频率较高的船舶，如 滚装船、大型客船、大型集装箱船以及部分化学 品船舶和油船等等 侧推器及其效应 • 主要内容： –侧推器概述 – 侧推器效应及技术指标 – 船舶静止中侧推器效应 – 船舶后退中侧推器效应 侧推器及其效应 • 侧推器概述 –侧推器的构造 • 广泛采用的侧推器为 一种槽式侧推器 • 槽道与船舶纵舯抛面 垂直，其中装设螺旋 桨 侧推器及其效应 • 侧推器概述 –侧推器的布置 侧推器及其效应 • 侧推器概述 –侧推器结构 侧推器及其效应 • 侧推器概述 –侧推器的布置及功率 • 某8100TEU 集装箱船配有一个首侧推器和两个尾侧 推器 • 首侧推器最大可以给出294kN(30t)的推力； • 两个尾侧推器也总共给出294kN 的推力。
侧推器及其效应 • 侧推器概述 –侧推器工作原理及侧推力 • 侧推力的大小与槽道内单位时间的流量有关，流量 越大，侧推力越大； • 侧推器的功率越大，侧推力也越大； • 糟式侧推器在船速为零时能产生最大的侧推力，有 航速时有效推力下降； • 侧推力的大小还与船舶载重状态有关 侧推器及其效应 • 侧推器效应及技术指标 – 侧推器失效船速 • 侧推器效应随着船速的增加而降低 • 一般首侧推器失效船速为4～6kn • 首侧推器和尾侧推器的效率受船速的影响不尽相同 ，一般首侧推器受船速的影响要比尾侧推器要大， 失效船速要高一些 – 船舶最大旋回角速度 – 启动时间和换向 侧推器及其效应 • 船舶静止中侧推器效应 – 单独使用一个侧推器的 效应 • 单独使用首侧推器产生侧 推力，船舶横向运动状态 发生变化，船舶将产生横 向阻力，船首将绕船中位 置转动； • 单独使用尾侧推器时，其 效应与单独使用首侧推器 的情况类似 侧推器及其效应 • 船舶静止中侧推器效应 – 同时使用双侧推器效应 • 转船效率比单独使用首或尾侧推器的效率高得多； • 若首、尾侧推力的大小、方向相同，位置距离船中 相等，则将不产生转船效应，仅产生横移效应。
侧推器及其效应 • 船舶前进中侧推 器效应 – 尾侧推器的转船 力矩要大得多， 其转船效果要比 首侧推器好很多 侧推器及其效应 • 船舶前进中侧推器效应 – 首侧推器的效应 – 单独使用首侧推器产生侧推力，船舶横向运动状态发 生变化，产生横移速度，即产生漂角，使船舶处于斜 航状态由于船舶前进中水动力中心在船中之前，随 着船速的提高，水动力中心逐渐向前移动，且有效侧 推力也逐渐降低，转船效应也不断降低 – 理论上，当船速提高至水动力中心达到首侧推器的位 置时，首侧推器失去效应 – 实际上，随着船速的提高，水动力中心还未达到首侧 推器位置之前，其已经不能发出有效侧推力，即首侧 推器失去转船效应 侧推器及其效应 • 船舶前进中侧推器效应 – 尾侧推器的效应 – 单独使用尾侧推器时，水动力中心逐渐向前移动，力 偶臂逐渐变长，虽然有效推力逐渐降低，但与首侧推 器比较，有效侧推力相同时，尾侧推器的转船力矩要 大得多，其转船效果要比首侧推器好很多； – 故船舶前进中应使用尾侧推器来调整航向； – 随着船速的增加，尾侧推器也有失效的问题，这种失 效不是由于力偶臂的减小引起的，而是由尾侧推器附 近的流态造成的。
侧推器及其效应 • 船舶后退中侧推 器效应 • 首侧推器的转船 力矩要大得多， 其转船效果要比 尾侧推器好很多 。