[發明專利]一種抗空化扭曲舵的設計方法

有效

• 申請號: 201710483478.8
• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107264763B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 葉金銘;王威;于安斌;張凱;邵濤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: B63H25/38
• 分類號: B63H25/38;B63B9/00
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 黃淑娟

本發明屬于船舶或船舵設計領域，尤其涉及一種抗空化扭曲舵的設計方法。基于該方法設計的扭曲舵在充分考慮船舶螺旋槳尾流中的旋轉速度等各種因素對船舵影響的基礎上，以船舶直航時螺旋槳后尾流場的分布特點來設計確定舵的各展向位置剖面的幾何攻角和線型，以使舵的幾何形狀與螺旋槳尾流場相匹配，達到改善舵表面的壓力分布，提高舵的空化起始航速，減少舵空化發生的時間和面積，降低舵引起的振動和噪聲，抑制舵面的空化剝蝕，節省舵的維護成本，改善舵葉的受力狀態，提升舵效，降低舵機負荷等目的。

技術領域

本發明屬于船舶或船舵設計領域，尤其涉及一種抗空化扭曲舵的設計方法。

背景技術

近年來由于艦船向著高速化和大型化方向發展，特別是對于高速艦船，處于螺旋槳后工作的舵葉振動和空化剝蝕也越來越嚴重，因此對舵性能的考慮也越來越全面。傳統舵葉的左右兩面是以舵的中心面呈對稱形式,這種形狀特點未考慮到螺旋槳強大的旋轉尾流對舵葉的沖擊，從而導致傳統舵葉一般會產生比較嚴重的空泡現象,不僅會引起舵葉表面的空化剝蝕,還會導致振動和噪聲大幅增加。

由于螺旋槳尾流的旋轉作用，傳統舵在0°舵角時，舵葉在不同展向位置的來流相對舵葉剖面會存在一定的迎流攻角，導致舵的左右兩面壓力不對稱，吸力面會存在明顯的低壓區，隨著航速的增加，舵角的增大，低壓區壓力會隨之不斷降低，當航速增加到某一定數值時，低壓區的壓力降到水的汽化壓力，舵葉表面就會發生空化。艦船在海上航行時直航是最主要的航行狀態，但在實際情況中，由于海上風浪流的影響，艦船為了保持直航，需要不停地來回打小舵角，加劇了艦船直航時傳統舵葉的空化問題。

上世紀90年代美國海軍為了測試槳和舵的水動力性能和噪聲特性，進行了一項實船航行空泡觀測試驗，試驗表明，即便是中等海況條件下保持航向航行，23kn航速時舵表面即出現空化，舵空化引起的空化剝蝕在后來的船塢檢修中也被證實。究其原因，主要是因為普通舵未考慮到螺旋槳旋轉尾流的特點,從而導致傳統舵一般會產生比較嚴重的空泡現象。舵發生空化后會對舵面引起嚴重的剝蝕作用，從而影響舵的使用壽命，還會導致振動和噪聲大幅增加。

由于舵的操縱力是由舵葉壓力面與吸力面的壓力差而形成的，當吸力面發生空化現象后，壓力保持為飽和蒸汽壓力，不能進一步降低，所以發生空化后舵效會明顯降低。另外，舵的空化還會產生較大的噪音，引起舵和尾部結構振動等一系列不利影響。

在艦船以0°舵角直航時，由于螺旋槳尾流的旋轉作用，舵葉左右兩面的壓力分布不對稱，傳統舵上會存在較大的橫向力和舵軸扭矩，雖然雙槳船由于左右兩舵的橫向力相互抵消，不影響船舶的直航性能，但舵軸扭矩的存在會增加舵機的負荷。由于傳統舵舵軸在0°舵角附近時會存在明顯的扭矩，在來回打小舵角以保持航向航行的過程中，舵機會始終承受較大負荷。

發明內容

針對上述現狀，本發明提供了一種抗空化扭曲舵的設計方法，該舵能改善舵葉表面的壓力分布，提高空化起始航速，降低舵發生空化的時間和面積，抑制舵葉空化剝蝕，節省舵葉的維護成本，降低舵葉空化引起的振動和噪聲，同時能改善舵葉受力狀態，提高舵效，降低舵機負荷。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案。

一種抗空化扭曲舵的設計方法，包括以下步驟：

步驟一、根據目標船舶的需求，確定舵高L、各展向位置剖面的弦長、各展向位置剖面的最大厚度、各展向位置剖面的幾何攻角、各展位置剖面的線型，包括剖面厚度沿著弦長的分布形式和剖面拱度沿著弦長的分布形式以及舵軸在舵上的安裝位置等基本參數，以這些基本參數作為扭曲舵設計的原始參數；

較優地，為了便于操作，在該步驟中各展向位置剖面的幾何攻角可均設為0，各展向位置剖面線型均為對稱翼型，即各展向位置剖面的拱度均為0；設置上述參數為0可以減小計算量，簡化設計過程；