第八章 舵机
第八章 舵 机
第一节 舵的作用原理和对舵机的要求
➢第一节 ➢舵的作用原理和对舵机的要求
8-1-1舵设备的组成和舵的类型 舵用作为保持或改变航向 舵垂直安装在螺旋桨的后方 早期船舶采用平板舵 为了提髙舵效和推进效率,目前多用由钢板焊接而成的空心舵, 称为复板舵 这种舵由于水平截面呈对称机翼形,故又称流线型舵 舵的型式很多,图8—1示出三种 舵叶的偏转由操舵装置(通常称舵机)来控制 舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上 舵杄3由舵承支承,它带动舵叶7偏转 舵承固定在船体上,由承及密封填料组成 舵叶还可通过舵销5支承在舵柱8的舵托9或舵钮6上
8-1-1舵设备的组成和舵的类型 ➢ 舵用作为保持或改变航向 ➢ 舵垂直安装在螺旋桨的后方 ➢ 早期船舶采用平板舵 ➢ 为了提高舵效和推进效率，目前多用由钢板焊接而成的空心舵， 称为复板舵 ➢ 这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵 ➢ 舵的型式很多，图8—1示出三种 ➢ 舵叶的偏转由操舵装置(通常称舵机)来控制 ➢ 舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上 ➢ 舵杆3由舵承支承，它带动舵叶7偏转 ➢ 舵承固定在船体上，由承及密封填料组成 ➢ 舵叶还可通过舵销5支承在舵柱8的舵托9或舵钮6上
几种舵 (a)不平衡舵 (b)平衡舵 ()半平衡舵 ◆不平衡舵图8-(a)舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵 ◆平衡舵图81(b)舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵 ◆半平衡舵图81(c)仅于下半部做成平衡型式的舵 后两种舵在舵杆轴线之前有一定的舵叶面积,转舵时水流作用在它上面 产生的扭矩可以抵消一部分轴线后舵叶面积上的扭矩,从而减轻舵机的 负荷
几种舵 不平衡舵图8-1(a) 舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵 平衡舵图8—1(b) 舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵 半平衡舵图8—1(c) 仅于下半部做成平衡型式的舵 后两种舵在舵杆轴线之前有一定的舵叶面积，转舵时水流作用在它上面 产生的扭矩可以抵消一部分轴线后舵叶面积上的扭矩，从而减轻舵机的 负荷
舵的作用原理和转舵扭矩 F FF 航向 R F 转向 正舵位置,即α=0时 舵叶两侧所受的水作用力相等,对船的运动方向不产生影响 舵叶偏转任一角度α,两侧水流如图所示 水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长,背水面的流速也就较迎水面大, 而其上的静压力也就较迎水面要小 舵叶两侧所受水压力的合力(称为舵压力)FN就将垂直于舵叶,作用于舵叶的压力中 心O,并指向舵叶的背水面 除F外,水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力Fr 当舵叶偏转舵角α后,在舵叶的压力中心O上,就会产生一个大小等于FN与F合力 的水作用F
二、舵的作用原理和转舵扭矩 ➢ 正舵位置，即α=0时 ➢ 舵叶两侧所受的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响 ➢ 舵叶偏转任一角度α ，两侧水流如图所示 ➢ 水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面的流速也就较迎水面大， 而其上的静压力也就较迎水面要小 ➢ 舵叶两侧所受水压力的合力(称为舵压力)FN就将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中 心O，并指向舵叶的背水面 ➢ 除FN外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力Fr ➢ 当舵叶偏转舵角α后，在舵叶的压力中心O上，就会产生一个大小等于FN与Fr合力 的水作用F
舵水作用力及其对船的影响 航向 R F 转向 >F可分解为与水流方向垂直的升力F1和与水流方向平行的阻力FD, 1/2 CLpAu FD=1/2. CDPAu2 式中:C -升力、阻力、压力中心系数,其大小随舵角而变,与舵叶 几何形状有关,由模型试验测定 水的密度 A舵叶的单侧浸水面积, V舵叶处的水流速度 J—舵压力中心至舵导边距离,b—舵叶平均宽度
舵水作用力及其对船的影响 ➢ F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FD， FL=1／2·CLρAυ 2 FD=1／2·CDρAυ 2 x = Cxb 式中：CL，CD，Cx—升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶 几何形状有关，由模型试验测定 ρ——水的密度, A——舵叶的单侧浸水面积， v——舵叶处的水流速度 J——舵压力中心至舵导边距离, b——舵叶平均宽度
1.2 1.20 λ=0.9 A=0.99 l.10 t=0.20 20 1.10 1.00 0.80 0.70 0.7 0.60 s0.60 0:50 0.50 0.40 C 0.40 0.3 0.20 0.20 0.10 510152025303540 180 170 160 150 140 正航a/(°) 倒航a/(° 国83某型舵叶的流体动力特性系微曲线
舵水作用力F对船舶运动的影响 FF 航向 RNF 转向 假设在船舶重心G处加上一对方向相反而数值均等于F 的力F1、F2 >那么水作用力F对船体的作用 可用水作用力对船舶重心所产生的力矩M和F2的作用来代替 由F和F1形成的力矩Ms迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转,称 为转船力矩: F2则又可分解为R和T两个分力 纵向分力R=F2sina,增加了船舶前进的阻力 横向分力T=F2cosα,使船向偏舵的相反方向漂移 y水作用力与船的重心Q谢不在同水平面上
舵水作用力F对船舶运动的影响 ➢ 假设在船舶重心G处加上一对方向相反而数值均等于F 的力F1、F2 ➢ 那么水作用力F对船体的作用 ➢ 可用水作用力对船舶重心所产生的力矩Ms和F2的作用来代替。 ➢ 由F和F1形成的力矩Ms迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称 为转船力矩： ➢ F2则又可分解为R和T两个分力 ➢ 纵向分力R=F2sinα，增加了船舶前进的阻力 ➢ 横向分力T=F2cos α ，使船向偏舵的相反方向漂移 ➢ 水作用力F与船舶的重心G并不在同一水平面上 ➢ 船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩
8-1-2-2转船力矩与最大舵角 >转船力矩(Ms) M=F(+X cona)+ FoX sin a s F/=-CIPAv-7 式中;l舵杆轴线至船舶重心的距离 又舵压力中心至舵杆轴线的距离 Ms随舵角α的增大而增大,并在达到某一舵角时出现 极大值Mnax Ms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λ(λ=舵叶高度A/舵叶平 均宽度b) λ越小,绕流的影响就越大,即在同样舵角上所产生的舵 压力越小,而达到最大转船力矩时的舵角就越大。 舵叶的λ值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制 海船(A=2~25),Mma的舵角多介于30°35°之间, 规定35°
8-1-2-2 转船力矩与最大舵角 ➢ 转船力矩 (Ms) 式中；l——舵杆轴线至船舶重心的距离 Xc——舵压力中心至舵杆轴线的距离 ➢ Ms随舵角α的增大而增大，并在达到某一舵角时出现 极大值Mmax ➢ Ms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λ (λ =舵叶高度A／舵叶平 均宽度b) ➢ λ越小, 绕流的影响就越大，即在同样舵角上所产生的舵 压力越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。 ➢ 舵叶的λ值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制 ➢ 海船 (λ=2～2.5)， Mmax的舵角多介于30º～35 º之间， 规定35 º ➢ 河船 (λ 1.0～2.0)， Mmax出现在35 º～45 º舵角之间 M F l X con F X F l C Av l s L c D c L l 2 2 1 = ( + ) + sin =
8-1-2-2水动力矩和转舵扭矩 舵压力FN对航杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩,用M表示 Ma-Fxxc=(Ficona+ Fpconaxc2CNpav 式中:CN,称为压力系数,其余符号同式(8-1) 转舵扭矩M 操舵装置施加在舵杆上的扭矩 舵匀速转动时,转舵扭矩M即应等于水动力矩M2和舵各支承 处的总摩擦扭矩M的代数和,即 M=Ma+Mf 普通平衡舵M=(015~020)Ma M可用经验公式或舵的模型试验资料计算 公称转舵扭矩 指在规定的最大舵角时所能输岀的最大扭矩 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确定的
8-1-2-2 水动力矩和转舵扭矩 ➢ 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用Mα表示。 式中：CN，称为压力系数，其余符号同式(8—1) ➢ 转舵扭矩M ➢ 操舵装置施加在舵杆上的扭矩 ➢ 舵匀速转动时，转舵扭矩M即应等于水动力矩Ma和舵各支承 处的总摩擦扭矩Mf 的代数和，即 M= Ma + Mf ➢ 普通平衡舵 Mf=(0.15～0.20) Ma ➢ Mα可用经验公式或舵的模型试验资料计算 ➢ 公称转舵扭矩 ➢ 指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确定的 ➢ 公称转舵扭矩是确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据 a N C L D Xc CN Av Xc M F X F cona F cona 2 2 1 = = ( + ) =