第九章舵机$9—1 概述一、设备的组成和舵的类型舵叶：大多数船舶都采用由钢板焊接而成的空心舵，称为复板舵，其水平截面呈对称机翼形，又称流线型舵。舵叶的偏转由操舵装置（通常称舵机）来控制。舵的分类：不平衡舵：舵杆轴线紧靠舵叶前缘的。平衡舵：舟舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵。半平衡舵：仅于下半部做成平衡型式的舵。后图所示
第九章 舵 机 §9—1 概述 一、舵设备的组成和舵的类型 一、舵设备的组成和舵的类型 舵叶：大多数船舶都采用由钢板焊接而成的空心舵，称为复 大多数船舶都采用由钢板焊接而成的空心舵，称为复 板舵，其水平截面呈对称机翼形，又称流线型舵。舵叶的偏转 板舵，其水平截面呈对称机翼形，又称流线型舵。舵叶的偏转 由操舵装置（通常称舵机）来控制。 由操舵装置（通常称舵机）来控制。 舵的分类： 不平衡舵：舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵。 舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵。 平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵。 舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵。 半平衡舵：仅于下半部做成平衡型式的舵。 仅于下半部做成平衡型式的舵。后图所示
10667789B99（c）半平衡舵(b)平衡舵(α）不平衡舵图 8-1.几种蛇的示意图1-能柄，2-上舵承，3-能杆，4-能杆套筒，5-能销，6-舵钮：7-舵叶，8-柱，9-舵托：10-舵承
二、舵的作用原理1.舵的水作用力及其对船舶运动的影响：舵叶上作用力分析：当舵叶偏转α角后，舵叶两侧所受水压力的合力为FN；水流对舵叶产生的摩擦力为Fr；在舵叶的压力中心0上，就会产生一个大小等于F与F合力的水作用力F。FNFH航向GGRF转向图8-2能上的水作用力及其对的影响转船力矩MF(l+Xccosα+ FoXesinα能的水动力矩Ma=FnXc=（Ficosa+Fpsina）Xo
二、舵的作用原理 二、舵的作用原理 1.舵的水作用力及其对船舶运动的影响： 舵的水作用力及其对船舶运动的影响： 舵叶上作用力分析： 舵叶上作用力分析： 当舵叶偏转α角后，舵叶两侧所受水压力的合力为 角后，舵叶两侧所受水压力的合力为FN ； 水流对舵叶产生的摩擦力为 水流对舵叶产生的摩擦力为FT ； 在舵叶的压力中心 在舵叶的压力中心O 上，就会产生一个大小等于 上，就会产生一个大小等于FN与FT合力的 水作用力F
舵上的水作用力F可分解为与水流方向垂直的升力F和与水流方向平行的阻力Fp。升力FLF =1/2 C. p A v2阻力FDF, = 1/2 Cp p A v2舵压力中心至舵导边的距离XX= Cx bC-升力系数；Cp-阻力系数;Cx-压力中心系数。三个系数大小随舵角α而变，由模型试验测定。（见后表）V-舵叶处水流速度，一般取航速的1.15-1.2倍：b-舵叶的平均宽度：A-舵叶的单侧浸水面积航向R转向图8-2能上的水作用力及其对的影响转船力矩MF（l+Xccosα）+FoXesinα能的水动力矩Ma=FnXc（Fcosa+Fosina）X
舵上的水作用力 舵上的水作用力F 可分解为与水流方向垂直的升力 可分解为与水流方向垂直的升力FL和与水 流方向平行的阻力 流方向平行的阻力FD。 升力FL FL = 1/2 C = 1/2 CL ρ A v2 阻力FD FD = 1/2 C = 1/2 CD ρ A v2 舵压力中心至舵导边的距离 舵压力中心至舵导边的距离X X = CX b CL-升力系数； CD-阻力系数； CX –压力中心系数。 三个系数大小随舵角α而变，由模型试验测定。（见后表） V-舵叶处水流速度，一般取航速的1.15-1.2倍； b - 舵叶的平均宽度； A-舵叶的单侧浸水面积
图某型舵叶的流体动力特性系数曲线1. 201.20日入=0.991=0.991=0.20一1. 101.101=0.201. 001.000. 900.90C. 0.800.800.700.70CzdCo0.60CD0.60Cx0.500.50Cx0. 400.400.300. 300. 200.200.100.10O535.401701601501401015253018020倒航a/(°)正航a/(°）图8-3某型能叶的流体动力特性系数曲线
图 某型舵叶的流体动力特性系数曲线。 某型舵叶的流体动力特性系数曲线
舵上的水作用力F对船舶的影响：1.产生转船力矩Ms.；2.产生纵向分力R（R=F，sinα）增加船舶前进的阻力：3.产生横向分力T（T=F，cosα）使船舶向偏舵的相反方向漂移；4.水作用力F与船舶重心不在同一水平面使船舶产生横倾和纵倾
舵上的水作用力 舵上的水作用力 F 对船舶的影响： 对船舶的影响： 1.产生转船力矩MS ； 2.产生纵向分力R（R=F2 sinα）增加船舶前进的阻力； 增加船舶前进的阻力； 3.产生横向分力T（T= F2 cosα）使船舶向偏舵的相反方向 使船舶向偏舵的相反方向 漂移； 4.水作用力F与船舶重心不在同一水平面使船舶产生横倾和 与船舶重心不在同一水平面使船舶产生横倾和 纵倾
2.转船力矩Ms= F, (l+Xc cosα)+ FD X,sinα F l= 1/2 C.pA v2 lXc一舵压力中心至舵杆轴线的距离：X.=X-Z= Cb-ZZ一舵杆轴线至舵叶导边的距离：1一舵杆轴线至船舶重心的距离。转船力矩变化分析：转船力矩Ms随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出10现极大值Msmax。（见上图，CL变化引起Ms变化并产生极大值）转船力矩出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有关，并主要取决于舵叶的展弦比1（1=舵叶高度h/舵叶平均宽度b）。展弦比^越小，达到最大转船力矩时的舵角就越大。海船舵叶的^一般为2-2.5，αmax为32°－35°；3内河船舶入一般为1.0-2.0，αmx为35°－45°
2.转船力矩 MS = FL（l+XC cosα）+ FD XDsinα≈FL l = 1/2 C = 1/2 CLρA v2 l XC —舵压力中心至舵杆轴线的距离； XC = X - Z = CX b – Z； Z—舵杆轴线至舵叶导边的距离； l — 舵杆轴线至船舶重心的距离。 转船力矩变化分析： 转船力矩变化分析： ① 转船力矩MS 随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出 随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出 现极大值MS max 。（见上图， CL 变化引起 MS 变化并产生极大值） ② 转船力矩出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有 转船力矩出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有 关，并主要取决于舵叶的展弦比 关，并主要取决于舵叶的展弦比λ（λ= 舵叶高度h/舵叶平均 宽度b）。展弦比λ越小，达到最大转船力矩时的舵角就越大。 越小，达到最大转船力矩时的舵角就越大。 ③ 海船舵叶的λ一般为2-2.5，αmax为32°- 35°； 内河船舶λ一般为1.0-2.0，αmax为35°- 45°
3.舵的水动力矩和转扭矩的水动力矩：舵压力F对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用Ma表示：Ma=FnXc=（F,cosa+Fpsina)Xc=1/2CpAv2X。压力系数C=CLcosa+C,sinaXc一舵压力中心至舵杆轴线的距离转舵扭矩：操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩M，等于水动力矩Ma和舵各支承处的总摩擦扭矩Mf的代数和，即M=Ma+MMao普通平衡舵M，=（0.15~0.20）公称转扭矩：指其在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩。它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转到最大舵角所需要的扭矩来决定的
3.舵的水动力矩和转舵扭矩 舵的水动力矩和转舵扭矩 舵的水动力矩: 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水 对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水 动力矩，用Ma表示： Ma = FN XC =（FLcosα+FDsinα）XC = 1/2CNρAv2XC 压力系数 CN = CL cosα+CD sinα XC —舵压力中心至舵杆轴线的距离 转舵扭矩: 操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩 操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩M，等于 水动力矩Ma和舵各支承处的总摩擦扭矩 和舵各支承处的总摩擦扭矩Mf的代数和，即 M = Ma + Mf 普通平衡舵Mf =（0.15~0.20 0.15~0.20） Ma。 公称转舵扭矩: 指其在规定的最大舵角时所能输出的最大扭 指其在规定的最大舵角时所能输出的最大扭 矩。它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时， 矩。它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时， 将舵转到最大舵角所需要的扭矩来决定的。 将舵转到最大舵角所需要的扭矩来决定的
平衡系数K：舵杆轴线之前的舵叶MMs面积A和整个舵叶面积A之比，称为平衡系数，用K表示。1平衡系数影响：平衡系数越大，舵叶的最大水动力矩越小，即舵机所需的公称扭矩越小。但K不宜过大，否则在常用舵角（10～20°）0范围内回舵时需克服的公称转舵扭以矩就可能较大，使舵机功耗增加。K.<K<KM.一般舵的平衡系数约在0.15～0.35不平衡舵a之间。船舶倒航时，舵叶后缘成为导边，压力中心离开舵杆轴线的距1平衡舵离X增大，但倒航船速只有正航正常NN航速的1/2，故倒航时的水动力矩约0为正航最大值的60%，所以舵机不会anaxα过载。转船力矩和舵的水动力曲线图为转船力矩和舵的水动力曲线
平衡系数K: 舵杆轴线之前的舵叶 舵杆轴线之前的舵叶 面积 A’和整个舵叶面积 和整个舵叶面积 A之比，称为 平衡系数，用 K表示。 平衡系数 K影响: 平衡系数越大， 平衡系数越大， 舵叶的最大水动力矩越小，即舵机 舵叶的最大水动力矩越小，即舵机 所需的公称扭矩越小。但 所需的公称扭矩越小。但 K不宜过 大，否则在常用舵角（ 大，否则在常用舵角（10 ～20 ° ） 范围内回舵时需克服的公称转舵扭 范围内回舵时需克服的公称转舵扭 矩就可能较大，使舵机功耗增加。 矩就可能较大，使舵机功耗增加。 一般舵的平衡系数约在 一般舵的平衡系数约在0.15 ～0.35 之间。船舶倒航时，舵叶后缘成为 之间。船舶倒航时，舵叶后缘成为 导边，压力中心离开舵杆轴线的距 导边，压力中心离开舵杆轴线的距 离 XC增大，但倒航船速只有正航正常 增大，但倒航船速只有正航正常 航速的1/2，故倒航时的水动力矩约 ，故倒航时的水动力矩约 为正航最大值的 为正航最大值的60%，所以舵机不会 ，所以舵机不会 过载。 图为转船力矩和舵的水动力曲线。 转船力矩和舵的水动力曲线
三、对舵机的基本技术要求我国《钢质海船入级与建造规范》（1996）根据《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）和IMO《国际海上人命安全公约》的规定，要求舵机必须具有足够的转舵扭矩和转舵速度，并且在某一部分万一发生故障时，应能迅速采取替代措施，以确保操舵能力。具体的基本技术要求：1.基本性能必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置：或主操舵装置有两套以上的动力设备，当其中之一失效时，另一套应能迅速投入工作。主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自任何一航35°转至另一的35°，并且于相同的条件自一的35°转至另一的30°所需的时间不超过28秒。此外在船以最大速度后退时应不致损坏
三、对舵机的基本技术要求 三、对舵机的基本技术要求 我国 《钢质海船入级与建造规范 钢质海船入级与建造规范 》 （1996）根据 《国际海上 人命安全公约 》 （SOLAS公约）和IMO 《国际海上人命安全公约 国际海上人命安全公约 》 的规定，要求舵机必须具有足够的转舵扭矩和转舵速度，并且在 的规定，要求舵机必须具有足够的转舵扭矩和转舵速度，并且在 某一部分万一发生故障时，应能迅速采取替代措施，以确保操舵 某一部分万一发生故障时，应能迅速采取替代措施，以确保操舵 能力。 具体的基本技术要求： 具体的基本技术要求： 1.基本性能 必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置；或主操舵装置 必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置；或主操舵装置 有两套以上的动力设备，当其中之一失效时，另一套应能迅速投 有两套以上的动力设备，当其中之一失效时，另一套应能迅速投 入工作。 主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水 主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水 并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷 并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷35 °转至另一舷的 35 °，并且于相同的条件自一舷的 ，并且于相同的条件自一舷的35 °转至另一舷的30 °所需的 时间不超过28秒。此外在船以最大速度后退时应不致损坏。 秒。此外在船以最大速度后退时应不致损坏