备课第一章船舶舾装舵设备

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1、泰州泰州职业技技术学学院院泰州泰州职业技技术学学院院任任课老老师：于雯：于雯船舶舾装工程（船舶舾装方向）（船舶舾装方向）泰州泰州职业技技术学学院院整体要求整体要求教学目标教学目标学时/学分：64/3先修课程： 船舶原理 船舶修造工艺 船舶结构与制图课程性质：多学科 专业综合课程学生通过该课程的学习，使学生获得各种船舶的基本知识，对船舶设备的构成和工作原理有所了解，既要掌握理论知识，又要学会如何操作、使用，并掌握一定的船舶舾装工艺知识，为以后工作打下基础 。教学大纲要点：教学大纲要点：泰州泰州职业技技术学学院院教学内容1、舵设备（重点）2、锚设备（重点）3、系泊设备（重点）4、拖曳设备（次重点）

2、5、救生设备（重点）6、起货设备（重点）7、舱口盖与滚装设备（次重点）8、人孔盖与小舱口盖（一般）9、船用梯（一般）10、船舶舱室内部环境设计（一般）11、船舶舱室门窗设计(本章不作考核要求)12、舱室设备（一般）指定教材：船舶舾装工程 刁玉峰 编著，哈尔滨工程大学出版社参考教材：船舶设备 周宏编著，人民交通出版社船舶与海洋工程设备 余建星编著 ，天津大学出版社泰州泰州职业技技术学学院院船舶舾装工程概述船体建造船体建造可以漂浮的壳体如何如何作业作业一、一、舾装作业的舾装作业的定义: 将各种船用设备、仪器、装置和设施安装到船上，这一工艺阶段称为船舶舾装二、舾装作业的舾装作业的内容1、机舱设备:船

3、上产生动力用的各种设备和附属设施（动力装置），包括主机、轴系装置、锅炉等等2、航海设备：船舶航海用的各种设备。包括航海仪器、通讯设备等等3、舵设备：操纵设备，包括舵叶、舵柄、舵机、转舵机构等4、锚设备：锚地停泊设备，锚机、锚链、锚等泰州泰州职业技技术学学院院船舶舾装工程概述一、舾装作业的定义一、舾装作业的定义二、舾装作业的内容二、舾装作业的内容5、系泊和拖曳设备：船舶在泊位停泊和航行中拖带用的设备6、起货设备：装卸货物用的设备，包括起货机，桅杆、吊杆、钢索、滑车等7、通道和关闭设备：通行和通孔起闭用的设备8、舱室设备：船员生活用的设备9、救生设备：救生艇、救生筏10、消防设备11、船体表面工程

4、：用各种材料对船体表面直接进行工程处理按照工程处理目的：防腐工程、防火绝缘处理、舱室装饰泰州泰州职业技技术学学院院船舶舾装工程概述一、舾装作业的定义一、舾装作业的定义二、舾装作业的内容二、舾装作业的内容三、舾装作业的分工三、舾装作业的分工1、按专业类别分：船装、机装（机舱）和电装（电气）2、按组织和管理的便利分：内舾装（住舱舾装）、外舾装（甲板舾装）内舾装：包括绝缘、敷料等敷设，舱室非钢制围板、天花板、门窗、家具、卫生设备等安装，以及厨房、冷库、空调设备的安装作业范围：上层建筑舱室内部外舾装：包括舵设备、锚设备、系泊设备、拖曳设备、救生设备、起货设备、舱口盖和滚装设备、消防设备、自然通风设备以

5、及各种管路的安装作业范围：上层建筑以外各层甲板泰州泰州职业技技术学学院院船舶舾装工程概述一、舾装作业的定义一、舾装作业的定义二、舾装作业的内容二、舾装作业的内容三、舾装作业的分工三、舾装作业的分工四、舾装作业工作阶段四、舾装作业工作阶段1、舾装件采办：订购（柴油机、雷达）、外协（螺旋桨、锚）和自制（管子、板）2、单元组装 单元：与船体脱离的基本舾装区域 单元组装：在同一个区域内的元件预先组装成一个整体 分类：设备单元、管件单元、阀件单元、箱柜单元等3、分段（预）舾装：在分段建造的适当阶段，将分段所属的舾装件或者单元安装到分段上4、船上舾装：船体在船台（船坞）总装期间的船台预舾装以及下水后的码头

6、舾装适用范围：过大或过重不能再分段安装的舾装件、容易碰坏和易受天气影响、在舱室遮蔽之前安装可能损坏的舾装件、分段舾装件和单元连接件泰州泰州职业技技术学学院院舵舵设备的的组成（重点成（重点） 舵的几何要素及水舵的几何要素及水动力特性（重点）力特性（重点）舵舵设计312456第一章：舵设备概述概述舵舵设备部件尺寸确定部件尺寸确定课程程设计泰州泰州职业技技术学学院院第一节：概述1、船舶操纵性、船舶操纵性（1 1 1 1）定义：船舶改变或保持运动状态的性能）定义：船舶改变或保持运动状态的性能）定义：船舶改变或保持运动状态的性能）定义：船舶改变或保持运动状态的性能（2 2 2 2）两个方面：）两个方面：

7、）两个方面：）两个方面：1 1 1 1）航向稳定性，船舶保持规定航向的能力）航向稳定性，船舶保持规定航向的能力）航向稳定性，船舶保持规定航向的能力）航向稳定性，船舶保持规定航向的能力 2 2 2 2）船舶机动性，船舶改变运动方向并按照）船舶机动性，船舶改变运动方向并按照）船舶机动性，船舶改变运动方向并按照）船舶机动性，船舶改变运动方向并按照 规定曲线轨迹运动的性能规定曲线轨迹运动的性能规定曲线轨迹运动的性能规定曲线轨迹运动的性能（3 3 3 3）航向稳定性要求：水下线形尖削，侧投影面积大）航向稳定性要求：水下线形尖削，侧投影面积大）航向稳定性要求：水下线形尖削，侧投影面积大）航向稳定性要求：水

8、下线形尖削，侧投影面积大 船舶机动性要求：水下线形圆滑，测投影面积小船舶机动性要求：水下线形圆滑，测投影面积小船舶机动性要求：水下线形圆滑，测投影面积小船舶机动性要求：水下线形圆滑，测投影面积小（4 4 4 4）操纵性要求（民船）操纵性要求（民船）操纵性要求（民船）操纵性要求（民船）普通状况时，在微小的操舵角不大于普通状况时，在微小的操舵角不大于普通状况时，在微小的操舵角不大于普通状况时，在微小的操舵角不大于3-53-53-53-5时，保持直线时，保持直线时，保持直线时，保持直线航行航行航行航行回转时具有相当小的半径回转时具有相当小的半径回转时具有相当小的半径回转时具有相当小的半径能迅速应舵，

9、特别在浅水中能迅速应舵，特别在浅水中能迅速应舵，特别在浅水中能迅速应舵，特别在浅水中只需要转动较小的舵角，就能够克服由于风浪作用的转动只需要转动较小的舵角，就能够克服由于风浪作用的转动只需要转动较小的舵角，就能够克服由于风浪作用的转动只需要转动较小的舵角，就能够克服由于风浪作用的转动扭矩扭矩扭矩扭矩 泰州泰州职业技技术学学院院2、实现船舶操纵性的方法、实现船舶操纵性的方法（1 1 1 1）舵的组成：舵叶和舵杆）舵的组成：舵叶和舵杆）舵的组成：舵叶和舵杆）舵的组成：舵叶和舵杆 定义：舵是舵设备中承受水动力以产生转船力矩的构定义：舵是舵设备中承受水动力以产生转船力矩的构定义：舵是舵设备中承受水动力

10、以产生转船力矩的构定义：舵是舵设备中承受水动力以产生转船力矩的构 件，一般件，一般件，一般件，一般安装在船尾螺旋桨后面安装在船尾螺旋桨后面安装在船尾螺旋桨后面安装在船尾螺旋桨后面 舵叶：位于船舶后面的转动的平板或是一块剖面是流线型的板，舵叶：位于船舶后面的转动的平板或是一块剖面是流线型的板，舵叶：位于船舶后面的转动的平板或是一块剖面是流线型的板，舵叶：位于船舶后面的转动的平板或是一块剖面是流线型的板，是舵借以产生水动力的工具是舵借以产生水动力的工具是舵借以产生水动力的工具是舵借以产生水动力的工具 舵杆：转动舵叶和保证舵叶具有足够的刚度舵杆：转动舵叶和保证舵叶具有足够的刚度舵杆：转动舵叶和保证舵

11、叶具有足够的刚度舵杆：转动舵叶和保证舵叶具有足够的刚度（2 2 2 2）水动力作用过程）水动力作用过程）水动力作用过程）水动力作用过程（3 3 3 3）利用舵设备操纵船舶时，船舷操纵性分类）利用舵设备操纵船舶时，船舷操纵性分类）利用舵设备操纵船舶时，船舷操纵性分类）利用舵设备操纵船舶时，船舷操纵性分类小舵角的航向稳定性（航向保持性）小舵角的航向稳定性（航向保持性）小舵角的航向稳定性（航向保持性）小舵角的航向稳定性（航向保持性）中舵角的航向机动性中舵角的航向机动性中舵角的航向机动性中舵角的航向机动性大舵角的回转性（紧急规避性）大舵角的回转性（紧急规避性）大舵角的回转性（紧急规避性）大舵角的回转性

12、（紧急规避性）第一节：概述舵设备的设计，应在一定的船体线型条件下，保证船舶在以上三方面都具有满意的操纵性能泰州泰州职业技技术学学院院泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成1、舵装置构成、舵装置构成（1 1 1 1）舵设备的组成：舵和操舵装置）舵设备的组成：舵和操舵装置）舵设备的组成：舵和操舵装置）舵设备的组成：舵和操舵装置 舵的组成：舵叶和舵杆及有关连接支承部件舵的组成：舵叶和舵杆及有关连接支承部件舵的组成：舵叶和舵杆及有关连接支承部件舵的组成：舵叶和舵杆及有关连接支承部件 操舵装置：操舵系统、舵机、转舵装置操舵装置：操舵系统、舵机、转舵装置操舵装置：操舵系统、舵机、转舵装置操舵装置：

13、操舵系统、舵机、转舵装置（2 2 2 2）舵的分类）舵的分类）舵的分类）舵的分类按舵叶截面形状分按舵叶截面形状分按舵叶支承方式分按舵叶支承方式分按舵面积对转轴的分布按舵面积对转轴的分布单板舵（单板舵（flat-plate rudder)复板舵（流线型舵复板舵（流线型舵streamlined rudder）单支承舵单支承舵(悬挂舵悬挂舵)（hanging rudder） 多支承舵多支承舵（multipintle rudder）半悬挂舵半悬挂舵（partially underhung rudder）不平衡舵不平衡舵(普通舵普通舵)（unbalanced rudder) 平衡舵（平衡舵（balanc

14、ed rudder)半平衡舵（半平衡舵（semi-balanced rudder）1 1）平板舵：也称单板舵， 仅用于小船。 特点：阻力较大，舵效随着舵角的增大而变差，失速现象发生早。2)2) 流线型舵(又称复板舵)：海船广泛采用。 特点：舵叶剖面呈流线型，强度高；因内部空心空心和水密，从而产生一定浮力，减少了舵承上的压力；水动力性能好，舵的升力系数大，阻力小，舵效高(舵力大)；舵的构造比较复杂。1)支承舵：分多支承舵和双支承舵两种。多支承舵：与船体尾柱连接有三个及以上支承点的舵。其支承点可分为舵承、舵钮和舵托等。舵的重量由船体内的支承和舵托来支承。双支承舵：指除上支承外，在舵根处还设有一个下

15、支承的舵。2)悬挂舵：只有上支承而无下支承，其舵叶全部悬挂在船体外的舵杆上。应用广泛。3)半悬挂舵：指下支承的位置设在舵叶中间的舵。1)不平衡舵：又称普通舵，适用于小船。特点：舵叶全部位于舵杆轴线之后，舵钮支点较多，舵杆强度容易得到保证。需要较大的转舵力矩。2)平衡舵：海船广泛应用。特点：舵杆轴线位于舵叶的前后缘之间；舵杆轴线之前的舵叶起平衡作用，这部分的面积与舵叶全部面积之比称为平衡比度或平衡系数，一般在0.20.3之间；所需的转舵力矩小，进而可相应减小舵机功率。3)半平衡舵：适用于尾柱形状比较复杂的船舶。特点：舵的下半部为平衡舵，上半部为不平衡舵，平衡比度介于平衡舵和不平衡舵之间，即0.2

16、以下。泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成（3 3 3 3）舵的结构）舵的结构）舵的结构）舵的结构流线型平衡舵主要由舵叶、流线型平衡舵主要由舵叶、舵杆和舵承三部分组成。舵杆和舵承三部分组成。1) 舵叶（平板舵，流线舵）舵叶（平板舵，流线舵）制造：防腐：舵叶内灌涂防腐沥青。附属装置：舵叶上部和下部开小孔，并配有舵底塞。绳孔或凹槽。2）舵杆）舵杆作用：是舵叶转动的轴，并用以承受和传递作用在舵叶上的力及舵给予转舵装置的力。结构特点：舵杆下端与舵叶连接，上部与转舵装置相连。舵杆顶端(称舵头)装有一只吊环，下端装有法兰接头与舵叶上的法兰连接，有水平

17、法兰连接、垂直法兰连接和垂直嵌接三种连接形式，其中水平法兰连接形式普遍采用。3）舵承）舵承作用与种类：用来支承舵杆和舵的重量及保证船体水密。分为上舵承及下舵承两种。结构特点：上舵承装在舵机间甲板上。下舵承一般安装在舵杆筒口或舵杆筒内，设有填料函以保证水密。悬挂舵都采用上、下两个舵承。应用：大型船舶普遍只设上舵承，全部重量和力由其承担。泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成（3 3 3 3）舵的结构）舵的结构）舵的结构）舵的结构流线型平衡舵主要由舵叶、流线型平衡舵主要由舵叶、舵杆和舵承三部分组成。舵杆和舵承三部分组成。1)舵叶（平板舵，流线舵）舵叶（平板舵，流线舵）2)舵杆舵杆3)舵承舵

18、承4)舵杆接头（法兰连接）舵杆接头（法兰连接） 舵杆与舵叶之间的连接舵杆与舵叶之间的连接5）舵柱）舵柱 船体尾柱的一部分，用来支船体尾柱的一部分，用来支承不平衡舵承不平衡舵泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成（4 4 4 4）舵与船体的连接）舵与船体的连接）舵与船体的连接）舵与船体的连接 整体式整体式连接式连接式插入连接式插入连接式泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成（5 5 5 5）流线型舵的改进形式（）流线型舵的改进形式（）流线型舵的改进形式（）流线型舵的改进形式（P46P46P46P46）1)一般(总)特点：增加舵效；提高推进效率；减小旋回圈直径；改善大型船舶在低速时

19、操纵性能。2)种类：特种舵有：反应舵、 主动舵、整流帽舵、襟叶舵、 导流管舵、组合舵、首舵和 首推进器等。反应舵反应舵( (又称迎流舵又称迎流舵) )结构特点：结构特点：舵叶前缘以螺旋 桨轴线为界分别向相反方向扭 曲一定角度，使其迎着螺旋桨 排出的旋状水流。作用：作用：使尾流中的轴向诱导 速度增大，减少了阻力，增加 了推力。反应舵反应舵泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成主动舵主动舵结构特点：结构特点：普通舵和小型螺旋桨组合，舵角能达到70-90作用：作用：在转舵的同时螺旋桨随之转动并发出推力，从而增加了转船力矩。即使在低速甚至主机停车的情况下，这种舵也能获得转船力矩，大大提高了船舶

20、的操纵性。 整流帽舵整流帽舵结构特点：结构特点：在流线型舵正对螺旋桨轴线部位，装设一个圆锥形的流线型体，俗称整流帽。作用：作用：改善螺旋桨排出流的乱流状态，从而提高螺旋桨的推力，改善船尾的振动情况。主动舵主动舵整流帽舵整流帽舵泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成襟翼舵襟翼舵 结构特点：结构特点：在普通流线型舵的后缘加一流线型尾，形成主舵与襟翼的组合体。主舵转舵时，襟翼随之转动。 作用：作用：增加全舵剖面拱度，所产生的流体动力更大，提高了转船力矩和舵效。广泛采用。 优缺点：优缺点：所需的转舵力矩较小，可相应减小舵机功率。但结构较复杂。 泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成科特

21、导流管舵科特导流管舵结构特点：结构特点：在螺旋桨外围套装导流管并在其后端处装一舵叶。有两种形式，一种是导流管固定焊接在船尾骨架上，舵叶可以转动；另一种导流管与舵叶可在允许角度内一起转动。作用：作用：增加推进效率，保护螺旋桨，防止绳索缠入。 固定式导流管舵 转动式导流管舵 固定式导流管舵 转动式导流管舵 泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成组合舵组合舵(又称希林舵或工字型舵又称希林舵或工字型舵)结构特点：结构特点：在流线型舵叶的上下两端各安装一块制流板。舵的剖面设计成象鱼的形状。舵角可在75范围内使用。作用：作用：减少舵叶上下两端的绕流损失，进一步改善舵的流体性能。特点：特点：具有低速

22、时操纵性好，浅水中舵效无显著下降的优点。 泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成（1 1 1 1）操舵装置分类）操舵装置分类）操舵装置分类）操舵装置分类1）按动力源分类：）按动力源分类：分电动操舵装置和液压操舵装置；分电动操舵装置和液压操舵装置；2）按公约和规范分类：）按公约和规范分类：分主操舵装置和辅助操舵装置。分主操舵装置和辅助操舵装置。v主操舵装置：主操舵装置：系指在正常情况下为驾驶船舶而使舵产生动作所必需的机械、转舵机构、舵机装置动力设备(如设有)以及附属设备和向舵杆施加转矩的设施(如舵柄或舵扇)。主操舵装置应在主操舵装置应在驾驶室和舵机室都设有控制器驾驶室和舵机室都设有控制器

23、。v辅助操舵装置：辅助操舵装置：系指在主操舵装置失效时，为驾驶船舶所必需的设备。这些设备不应属于主操舵装置的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或作同样用途的部件。2、操、操 舵舵 装装 置（置（P41）泰州泰州职业技技术学学院院第二节：舵设备的组成（2 2 2 2）电动操舵装置）电动操舵装置）电动操舵装置）电动操舵装置1 1）组成：组成：舵扇松套、舵柄键套在舵杆。2 2）基本原理：基本原理：3 3）主要组成部分的作用：主要组成部分的作用：蜗杆蜗轮：蜗杆蜗轮：减速比大，转矩大；其机械传动中的自锁作用，可防止舵叶在受外界冲击作用下发生逆转现象，从而起到保护电动机的作用。缓冲弹簧缓冲弹簧：刚性大，正

24、常情况下可顺利地传递转舵力矩。当舵叶受到外界巨大冲击力作用时，能吸收冲击能量，起保护舵机的作用。 4 4）特点与应用：特点与应用：结构简单、操作方便、传动可靠、维修方便，噪声大、占用面积大。较广泛地应用于中小型船。（3 3 3 3）液压操舵装置）液压操舵装置）液压操舵装置）液压操舵装置1 1）定义：）定义：利用液体的不可压缩性及流量、流向和压力而制造的具有可控性的操舵机构2)2)一般原理：一般原理：液压操舵装置主要是指液压舵机，液压舵机也称电动液压舵机或电液舵机。通过控制系统把舵机操纵台发出的操舵信号传递给舵机，使其按照驾驶人员的意图及时准确地转舵，并在舵叶转到给定舵角时停止3)3)特点与应用

25、：特点与应用：噪声小、体积小、重量轻、转矩大、传动平稳，能实现无级调速，易于遥控和容易管理，操作方便，在操舵次数频繁时仍有较高可靠性等优点。广泛采用。 （4 4 4 4）舵角限位器）舵角限位器）舵角限位器）舵角限位器1 1) )作用：作用：防止操舵时实际舵角超过最大有效舵角。2 2) )种类：种类：有机械、电动和角铁架式等几种。3 3) )位置：位置：机械舵角限位器一般设在舵叶上侧、下舵杆与舵 柱的上部、舵柄两侧极限舵角位置处。4 4) ) 限制角限制角：流线型舵一般为32，平板舵为35。 泰州泰州职业技技术学学院院第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性1、舵的几何要

26、素（、舵的几何要素（P6）（1 1 1 1）舵侧面形状）舵侧面形状）舵侧面形状）舵侧面形状（2 2 2 2）舵高（展长）舵高（展长）舵高（展长）舵高（展长h h h h）舵叶上边缘和下边缘之间间距离；（3 3 3 3）舵宽（弦长）舵宽（弦长）舵宽（弦长）舵宽（弦长b b b b）舵叶导边至随边距离,非矩形舵平均弦长 b=A / hb=A / h；（4 4 4 4）舵面积）舵面积）舵面积）舵面积A A A AR R R R总面积 ARAR 不转舵在中线面的投影；平衡面积 Ac转轴前的面积；固定部分面积Ap 框架、托架面积；综合舵面积 Ak Ak = AR+ApAR+Ap泰州泰州职业技技术学学院院

27、第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性（5 5 5 5）展弦比）展弦比）展弦比）展弦比 展长与弦长之比 矩形舵： = h /b= h /b 任意形： = h= h2 2 / A / AR R = A = AR R / b / b2 2 综合体： = h2= h2 / A/ AK K = A = AK K / b / b2 2（6 6 6 6）平衡比）平衡比）平衡比）平衡比e e e e 平衡面积与总面积之比 e = Ae = Ac c / A / AR R（7 7 7 7）最大厚度比）最大厚度比）最大厚度比）最大厚度比 t t t t t = tt = tmaxmax

28、 / b / b（8 8 8 8）剖面形状）剖面形状）剖面形状）剖面形状垂直轴的平面剖切的舵叶截面形状。 1)类型 对称剖面 非对称剖面 2)国内常用剖面NACA 美国航空国家咨询委员（NACA0020） Jfs 汉堡大学造船学院 茹可夫斯基WZF 武汉水运工程学院泰州泰州职业技技术学学院院舵舵舵舵宽（弦长宽（弦长宽（弦长宽（弦长b b b b）、舵高（）、舵高（）、舵高（）、舵高（h h h h）展展展展弦比弦比弦比弦比 =h/b=h/b=h/b=h/b舵舵舵舵叶面积叶面积叶面积叶面积S=h*bS=h*bS=h*bS=h*b（矩形舵）（矩形舵）（矩形舵）（矩形舵）舵舵舵舵叶面积叶面积叶面积叶

29、面积S S S S与船舶满载水线下面与船舶满载水线下面与船舶满载水线下面与船舶满载水线下面积积积积的比值的比值的比值的比值 = = = = （舵面积系数（舵面积系数（舵面积系数（舵面积系数） bhWLTLS S S SL*TL*TL*TL*T第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性泰州泰州职业技技术学学院院第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性2、舵的水动力特性、舵的水动力特性1. 1. 1. 1.目的目的目的目的求解水动力与力矩2. 2. 2. 2.方法方法方法方法根据匀流、敞水下的水动力特征进行修正，以求取自由表面下船、桨后舵的水动力。3.

30、 3. 3. 3.机翼上流体作用力简述机翼上流体作用力简述机翼上流体作用力简述机翼上流体作用力简述 冲角，水流方向v与弦线夹角； 剖面压力中心合力P与弦线交点； 舵压力中心舵水动力合力作用线与ox平面交点； xp 压力中心至导边的距离； S 转轴至导边的距离。泰州泰州职业技技术学学院院第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性 4. 4. 4. 4.水动力关系式水动力关系式水动力关系式水动力关系式: : : : P P = =AAr rV V 2 2C C /2/2P PL L、P PD D、P PN N、P PT T（略）（略）M M = = P PN Nx xp pM

31、a Ma = = P PN N(x(xp p-S)-S)5. 5. 5. 5.水动力系数水动力系数水动力系数水动力系数C C = = 2P/2P/（VV2 2A Ar r）C CL L、C CD D、C CN N、C CT T（略）（略）C CM M = = C CN NC Cp p几何相似的舵，在相同的流态中几何相似的舵，在相同的流态中C CL L、C CD D、C Cp p相等相等泰州泰州职业技技术学学院院第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性3、影响、影响(敞水敞水)舵水动力特性的因素舵水动力特性的因素1 1 1 1）展弦比）展弦比）展弦比）展弦比 翼端绕流：攻

32、角减小翼端绕流：攻角减小压差降低压差降低界层分离：叶背紊流界层分离：叶背紊流泰州泰州职业技技术学学院院第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性1)1)某一某一下下( (不产生涡流不产生涡流, ,在出在出前前), CL), CL随随增大而增大增大而增大; ;2)CL2)CL一定一定,越大越大, ,对应的攻角对应的攻角越小越小; ;3)3)越大越大, ,临界攻角临界攻角出现越早出现越早; ;4)4)10101616时时, CL, CL与与保保持线性关系持线性关系; ;5)5)升力曲线相对于升力曲线相对于斜率斜率dcL/ddcL/d随随减小而减小减小而减小, ,有限有限翼展翼

33、展: :dcL/d= /(0.5+1/)dcL/d= /(0.5+1/)泰州泰州职业技技术学学院院第三节：舵的几何要素及水动力特性第三节：舵的几何要素及水动力特性 1 1 1 1）展弦比）展弦比）展弦比）展弦比 2 2 2 2）厚度比）厚度比）厚度比）厚度比t t t t1.81.8后后,t,t对对CLCL影响不大影响不大, ,但一般船舶但一般船舶在在0.80.8左右左右, ,故影响较大故影响较大; ;时时, CL, CL随厚度比增大而减小随厚度比增大而减小; ;船舶船舶,t=15,t=1517%17%时时,CL,CL最大最大, ,t t25%25%不适合不适合TmaxTmax前移前移, ,剖

34、面后凹部曲率增大时剖面后凹部曲率增大时, ,小小翼翼的的CLCL增大。增大。t=0.15t=0.18t=0.203 3 3 3）外形）外形）外形）外形一般情况下（一般情况下（A A、相同），形相同），形状不同对状不同对CLCL影响不大，仅压力中心影响不大，仅压力中心CpCp发生变化。发生变化。 当当20(20(大舵角大舵角) )时，面积向时，面积向下分布下分布CLCL增大。增大。4 4 4 4）剖面形状）剖面形状）剖面形状）剖面形状前缘丰满，外形微凹，水动力前缘丰满，外形微凹，水动力特性较好。特性较好。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计1、设计内容与步骤、设计内容与步骤（1

35、 1）确定舵的形式、数量、相对于桨的位置；）确定舵的形式、数量、相对于桨的位置；（2 2）选择舵面积）选择舵面积ARAR；（3 3）根据水动力影响规律和）根据水动力影响规律和船体线型，确定有关要素（船体线型，确定有关要素（、剖面形状、外形、剖面形状、外形、t t、e e），绘），绘船、桨、舵综合体关系图；船、桨、舵综合体关系图；（4 4）计算水动力；）计算水动力；（5 5）舵主要零件强度计算；）舵主要零件强度计算；（6 6）确定操舵系统及舵机功率。）确定操舵系统及舵机功率。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计 （1 1 1 1）舵形式、数量选择、位置的确定）舵形式、数量选择、

36、位置的确定）舵形式、数量选择、位置的确定）舵形式、数量选择、位置的确定1 1）确定舵的形式）确定舵的形式通常由运行条件决定。目前常用流线型平衡舵。通常由运行条件决定。目前常用流线型平衡舵。海船海船多支承平衡舵；多支承平衡舵；内河内河悬挂舵；悬挂舵；推船推船半悬挂舵半悬挂舵2 2）确定舵的数目）确定舵的数目根据船型、船舶参数、尾轴数目决定。根据船型、船舶参数、尾轴数目决定。单舵单舵一般运输船机构简单，正对桨，充分利用尾流；一般运输船机构简单，正对桨，充分利用尾流；双舵双舵内河船、浅吃水，增大内河船、浅吃水，增大，提高操纵性；，提高操纵性；多舵多舵浅吃水，操纵性要求高的工程船、推拖船。浅吃水，操纵

37、性要求高的工程船、推拖船。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计3 3）舵、桨配合）舵、桨配合满足操舵原理满足操舵原理, ,远离船舶回转中心远离船舶回转中心( (重心重心) )；置于桨后高水流区，靠近桨盘，提高置于桨后高水流区，靠近桨盘，提高CLCL；舵有良好的保护（上不出水，下不出基线，前靠近桨，后不舵有良好的保护（上不出水，下不出基线，前靠近桨，后不出尾轮廓）；出尾轮廓）；舵位置与尾型线配合；舵位置与尾型线配合；考虑多舵效果（刹车作用、考虑多舵效果（刹车作用、 侧移效果）；侧移效果）；考虑各种配合特点。考虑各种配合特点。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计

38、（2 2 2 2）舵面积）舵面积）舵面积）舵面积A A A AK K K K确定确定确定确定增大增大A AR R(A(AK K) )对操纵性有益对操纵性有益, ,但面积过大则增加阻力但面积过大则增加阻力, ,影响影响布置布置, ,浪费舵机功率；浪费舵机功率；水动力水动力P =V 2AP =V 2AR R C / 2 C / 2 计算中计算中, ,只有只有A AR R是可变因素是可变因素, ,故故决定决定ARAR是设计的关键。是设计的关键。1 1）A AR R的确定方法的确定方法 型船确定法型船确定法A AR R/A/AR0R0=LT/LT=LT/LT0 02 2）舵面积系数法）舵面积系数法 =

39、 A= AR0R0/L/L0 0T T 规律：规律： 大型船保证航向稳定，大型船保证航向稳定，小；小； 推、拖船要求灵活转向，推、拖船要求灵活转向，大；大； 内河船内河船大于海船；大于海船； 航速愈小，航速愈小，值愈大。值愈大。Ak是舵设计计算中的一个关键问题，舵叶浸入水中的面积大小，对船舶操纵性起着主导作用 泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计v一般凡是要求回转性、灵敏性好的船舶，其 要取大些 原则 v凡是要求航向稳定的船舶，其 可以小些军舰的舵面积比（ ）大于民船民船中，内河船又大于海船 泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计（3 3 3 3）剖面形状、厚

40、度比、平衡系数的确定）剖面形状、厚度比、平衡系数的确定）剖面形状、厚度比、平衡系数的确定）剖面形状、厚度比、平衡系数的确定1 1）剖面形状确定方法）剖面形状确定方法 主要考虑水动力、舵效（内河）：德国主要考虑水动力、舵效（内河）：德国IfsIfs侧重考虑强度、工艺性（海船）：美国侧重考虑强度、工艺性（海船）：美国NACANACA非正对桨舵：苏联非正对桨舵：苏联快速艇：不对称舵快速艇：不对称舵2 2）舵厚度比）舵厚度比t t水动力性好，满足舵杆安装要求。一般水动力性好，满足舵杆安装要求。一般101017%17% ,25%,25%单桨船舵：单桨船舵：151518%18%；双桨船（双支承舵）：双桨船

41、（双支承舵）：15%15%；半悬挂舵：半悬挂舵：9%9%； 悬挂舵（舵杆弯矩大）：悬挂舵（舵杆弯矩大）：20%20%为了减小阻力和提高推进效率，几乎都采用对称的流线型机翼剖面选定了舵剖面的型式确定 泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计 对 的影响并不显著 P30图1-16 1-17舵杆轴线位置不一定是最大厚度位置 主要考虑 最大厚度位置（有时要考虑舵杆最大厚度位置（有时要考虑舵杆安装的要求安装的要求 ）舵的导边舵的导边舵叶的强度舵叶的强度舵叶的制造工艺舵叶的制造工艺已知 ，就可得到舵叶剖面的线型泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计3 3）平衡比）平衡比e e

42、确定确定舵机功率大小舵机功率大小舵轴线应与压力中心尽量靠近，舵轴线应与压力中心尽量靠近，L,MaL,Ma舵的稳定性舵的稳定性压力中心在轴线后，转舵时，压力永远迫使压力中心在轴线后，转舵时，压力永远迫使舵自行回正。舵自行回正。海船海船Cb=0.6:e= 0.25Cb=0.6:e= 0.250.2550.255Cb=0.7:e= 0.26Cb=0.7:e= 0.260.2650.265Cb=0.8:e=0.265Cb=0.8:e=0.2650.2750.275长江船长江船e=0.25 e=0.25 0.330.33 平衡比平衡比 影响舵机功率大小影响舵机功率大小 对于一定形状和面积的舵叶，它是舵杆

43、位置的函数对于一定形状和面积的舵叶，它是舵杆位置的函数 泰州泰州职业技技术学学院院选择的选择的 目的，在于减小转舵力矩目的，在于减小转舵力矩 思路：选择合适的 ，适当地缩小舵杆轴线与舵压力中心的间距，能在不降低舵压力的情况下，减小舵杆扭矩，节省舵机功率。 舵压力中心位置随水流的攻角而变化。舵压力中心位置随水流的攻角而变化。 第四节：舵设计第四节：舵设计在正航时，有三种情况，P32图1-18 欠平衡状态欠平衡状态稳定状态稳定状态 舵杆轴线位于水压力中心之前，舵杆轴线位于水压力中心之前， 为为“+ +”在舵压力矩作用下有舵角减小的趋势在舵压力矩作用下有舵角减小的趋势过平衡状态过平衡状态舵角不稳定舵

44、角不稳定其作用是使舵角趋向增大 泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计完全平衡状态完全平衡状态 由由 得：得：压力中心位于舵杆轴线上，压力中心位于舵杆轴线上， =0 值越小，所需转舵力矩也小值越小，所需转舵力矩也小 舵处于完全平衡状态，但由于舵压舵处于完全平衡状态，但由于舵压力中心是随舵角大小而变化的，故完全平衡只是局限于力中心是随舵角大小而变化的，故完全平衡只是局限于某一特定舵角情况下某一特定舵角情况下 00 舵处于不稳定状态舵处于不稳定状态0泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计结论不平衡舵在任何情况下是稳定的 平衡舵:在小舵角时不稳定 在大舵角时稳定 其

45、大小取决于e舵平衡比e的常用范围在0.20.3之间泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计（4 4 4 4）计算水动力）计算水动力）计算水动力）计算水动力1 1）计算）计算 P P 、P PL L 、P PN N 的目的的目的P P与舵机功率相关与舵机功率相关P PL L影响转船力矩，构造结构尺寸，估算舵机功率影响转船力矩，构造结构尺寸，估算舵机功率P PN N影响舵杆尺寸影响舵杆尺寸舵压力及力矩实用算法舵压力及力矩实用算法2 2）压力及压力中心计算）压力及压力中心计算近似计算近似计算 以空气动力学理论为基础，考虑主要因素对舵力的影以空气动力学理论为基础，考虑主要因素对舵力的影响

46、，实用、简单，但结果不够精确（偏响，实用、简单，但结果不够精确（偏 大）。大）。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计费加耶夫斯基计算式（以弧度计）k k0 0- 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 k k0 0 0.45 0.56 0.67 0.75 0.82 0.85 0.88 0.45 0.56 0.67 0.75 0.82 0.85 0.88C Cp0p0 t t t/b 0.2 0.3 0.4 t/b 0.2 0.3 0.4 C Cp0p0 0.26 0.16 0.12 0.26 0.16 0

47、.12适用范围：内河船（适用范围：内河船（ Jfs Jfs 、 ）泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计勃兰特计算式（以弧度计） 适用范围：海船（适用范围：海船（NACANACA）对舵轴的力矩系数对舵轴的力矩系数: :泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计按模型资料换算按模型资料换算利用条件： Re0.1106不可靠（低速小船）； Re1.8106较优主要参数：、，当设计船与模型不同时，需换算 勃兰特换算式：勃兰特换算式： 泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计3)3)力矩计算力矩计算对舵轴的力矩系数近似计算对舵轴的力矩系数近似计算按模型资料换算

48、（距导边按模型资料换算（距导边25%25%处处Cm0.25Cm0.25）泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计4)4)摩擦力矩计算摩擦力矩计算先将先将P PN N通过力学模型换算为各支点反力通过力学模型换算为各支点反力p pi i式中： di舵杆、轴、销的直径； pi承座处支反力； i 摩擦系数 滑动轴承钢与钢=0.040.14 胶木与钢=0.120.14 钢与青铜=0.10.1泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计(5)(5)(5)(5)影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素1)1)自由表面自由表面自由自由表面

49、表面对舵的影响决定于舵相对于敞水表面的位置和舵对舵的影响决定于舵相对于敞水表面的位置和舵的展弦比。的展弦比。当舵近水面时，水表面有镜面反射作用，尤其当当舵近水面时，水表面有镜面反射作用，尤其当F Fnbnb0.40.4时，时，产生一个实效产生一个实效0 0=k(k=k(k1)1)；当当F Fnbnb0.40.4时，敞水表面如同镜面反射时，敞水表面如同镜面反射(k=2),(k=2),故低速船应予故低速船应予考虑；考虑；当当F Fnbnb=0.4=0.4时，表面开始兴波，敞水影响开始消失。时，表面开始兴波，敞水影响开始消失。当当F Fnbnb0.50.50.70.7时时, ,空气浸入舵表面，升力下

50、降。空气浸入舵表面，升力下降。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计2)2)复体舵舵柱影响复体舵舵柱影响当AR=AK时，复体舵升力小于平衡舵。CL0=kCL ；(k=1.872bR-0.591bR2-0.281bR3)bR=b/(b+bc)以替代产生偏安全的误差，可忽略。3)3)船底影响船底影响主要影响大平底、纵流船。 CL0=kdCL /h 0.05 0.15 0.25 0.35 kd 1.30 1.16 1.07 1.00泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计4)4)船体伴流影响船体伴流影响因船尾水流速度、大小、方向与船速（船体重心处）不同，引起流向舵的水流

51、轴向分速度的变化。可通过伴流分数R进行计算。射向舵的水流速度：VR=Vs(1-R)=V 式中:Vs 船速； R舵伴流分数， R=(0.7Cb-0.08)u u =Cb+0.15 u =1(舵在中线面上)在船体伴流影响下，水动力： 令：为船体伴流影响系数。泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计5)5)桨尾流影响桨尾流影响 舵水动力特性很大程度上由桨尾流速度场决定。桨尾流的射流诱导速度可分为:轴向Vap、切向Vtp和径向Vrp ，轴向起主导作用。 进桨速度:Vp=Vs(1-) 轴向诱导速度: 则射向舵的流速：Vx=Vp+Vap Tp:桨推力 Dp:桨径:水密度在桨尾流影响下，水动力

52、：水动力： Vap=Vp(1+p)1/2-1)p=8Tp/Vp2Dp2泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计倘若舵部分浸于桨尾流中，其余部分则视为舵伴流中，故 令： 为桨尾流影响系数。 则：泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计水动力计算表格水动力计算表格1.1.已知条件已知条件 船体尺度要素、桨参数、舵形式、数目、剖面形式、布置2.2.舵参数及计算舵参数及计算 h、b、AR、t、e3 3. .水动力预备计算水动力预备计算船体伴流分数水动力因子n =ARVs2/2舵伴流影响系数k桨尾流影响系数kp 泰州泰州职业技技术学学院院第四节：舵设计第四节：舵设计水动力计算

53、表格水动力计算表格泰州泰州职业技技术学学院院第五节：舵设备部件尺寸确定第五节：舵设备部件尺寸确定一、规范及材料一、规范及材料1、规范：、规范：舵设备的重要零件，按照船级社规范确定舵设备的重要零件，按照船级社规范确定2、材料、材料 1）制作舵叶，舵柱及挂舵臂的钢板，通常为一般强度船体结）制作舵叶，舵柱及挂舵臂的钢板，通常为一般强度船体结构用刚，按脱氧方式分为构用刚，按脱氧方式分为A、B、D、E四个等级（课本四个等级（课本P25） 2）舵件，舵销及螺母、舵轴、连接螺栓，通常采用船体结构）舵件，舵销及螺母、舵轴、连接螺栓，通常采用船体结构用锻钢件，用锻钢件，锻钢件热处理方法锻钢件热处理方法 3）舵结

54、构系统中的铸钢零部件，通常采用船体结构专用铸钢）舵结构系统中的铸钢零部件，通常采用船体结构专用铸钢件，件，铸钢件的热处理方法铸钢件的热处理方法3、舵杆、舵销、连接螺栓和键的材料换算系数、舵杆、舵销、连接螺栓和键的材料换算系数s235N/mm2；KS=(s/235)0.75s10kn时，时，Vd=V正车：当正车：当V=0.5V Vd=Vf估算估算公式公式K1=1/3(+2)=hm2/AtHm=1/2（z3+z4-z2）Bm=1/2（x2+x3-x1） 舵力舵力泰州泰州职业技技术学学院院第五节：舵设备部件尺寸确定第五节：舵设备部件尺寸确定二、舵系的受力计算二、舵系的受力计算舵杆扭矩舵杆扭矩T=FR 舵力舵力力臂力臂无缺口：无缺口：R=bm（-）有缺口：有缺口：R=b1 （1-1）A1/A+b2（ 2-2 ）A2/A舵杆舵杆+ +舵叶舵叶受力分析受力分析1、双支点平衡舵、双支点平衡舵2、半悬挂舵、半悬挂舵3、悬挂舵、悬挂舵三、舵杆三、舵杆泰州泰州职业技技术学学院院第五节：舵设备部件尺寸确定第五节：舵设备部件尺寸确定泰州泰州职业技技术学学院院Thank You!