[发明专利]一种新型高效舵

说明书

技术领域

本发明涉及船舶上的方向控制装置，更具体地说，涉及一种新型高效舵。

背景技术

船舶阻力按照物理本质分为摩擦阻力、粘滞阻力和兴波阻力，其中摩擦阻力和粘滞阻力是由船体浸没在水面下的部分与流体发生摩擦以及粘滞现象产生的，而尾舵，是一个必须在水面下工作的部分，流体在尾舵的表面不可避免地会产生摩擦阻力和粘滞阻力。船舶单舵阻力占裸船体的1%--2%,双舵占裸船体阻力的3%--5%，所以舵阻力的减小可以使船舶在额定主机功率下更容易达到较高的航行速度。

为了达到这一目标，人们在各个方面做了许多努力，目前主要是采用将舵叶的横剖面设计成流线型或者机翼型的形式，并且使舵叶表面尽可能光滑来减小其在水中受到的阻力。但是，船舶航行的时候，Re数量级能够达到105级，远远大于发生边界层分离的Re=60的要求，所以当船舶正常航行时，尾舵会发生边界层的分离现象，边界层是一个薄层，它紧靠舵叶表面，沿舵叶表面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。粘性应力对边界层的水体来说是阻力，所以随着水体沿物面向后流动，边界层内的水体会逐渐减速，增压。由于水体流动的连续性，边界层会变厚以在同一时间内流过更多的低速水体。因此边界层内存在逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的水体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。边界层分离会使得阻力上升，特别是因为位在舵叶前后水体的压强差上升，使得压差阻力变大。即使是流线型或者机翼型的舵叶，仍然无法解决边界层分离导致的阻力上升的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型高效舵，这种尾舵的舵叶可以有效地降低尾舵在水中的摩擦阻力和粘滞阻力，并且不需要安装额外的设备，经济、实用、在不增加成本的前提下可以实现提高船舶航行速度，或者在同样航速下降低能耗，实现节能减排的目标。

相应地，本发明通过使舵叶表面粗糙化的技术手段来解决上述技术问题，这种新型高效舵，包括舵叶、舵杆和舵承，舵叶通过法兰与舵杆固定连接，舵杆通过舵承与安装在船舶内的舵动力机构相连接，舵叶的外表面上设有用于降低舵叶摩擦阻力的凹坑、凹槽和纹理结构中的一种或多种组合。其中纹理结构可以是斜线交错构成的网格状纹理结构。凹坑的深度可以在10mm～50mm之间取值，凹坑、凹槽和纹理结构在舵叶表面的面积率在10%～60%之间取值。

这些凹坑可以是圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑、鱼鳞形状凹坑、不规则形状凹坑中的一种或多种组合，其排列方式也可以有多种。比如凹坑可以是多个形状相同的圆形凹坑，在舵叶的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列；可以是多个形状相同的椭圆形凹坑，在舵叶的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列；也可以是多个形状相同的多边形凹坑（多边形可以包括三角形、矩形、五边形等等），在舵叶的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列。同样的排列方式也适用于鱼鳞形和不规则形状凹坑。

除了单一形状的凹坑，也可以是多种形式的凹坑组合，比如说圆形和多边形凹坑混合分布，在舵叶的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列，同样的混合分布和排列方式也适用于圆形和椭圆形、圆形和多边形、圆形和鱼鳞形、圆形和不规则形状的凹坑组合，或者椭圆形、多边形、鱼鳞形和不规则形状的两两组合，甚至于圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑、鱼鳞形状凹坑、不规则形状凹坑中的三种、四种甚至五种的混合组合，这些混合组合的排列形式同样可以是舵叶的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列。

凹槽可以是直线型槽或曲线型槽，彼此平行排列，或者是直线型和曲线型槽混合，平行排列，也可以采用凹槽和凹坑间隔排列的形式进行排列。

舵叶表面可以采用单一的凹坑、凹槽或者纹理结构，也可以采用凹坑和凹槽、凹坑和纹理结构、纹理结构和凹槽或者凹坑、凹槽和纹理结构的混合组合。

舵叶表面在水体中运动时的边界层，根据局部流场的雷诺数不同，边界层内的流体可以分为层流或紊流。光滑的舵叶表面的边界层内通常是层流，而不光滑舵叶的边界层内的水流是紊流。紊流的边界层受逆压梯度的影响较小，所以不光滑的舵叶表面的边界层的分离点相对靠后，其粘性阻力反而较光滑的舵叶更低，压差阻力更是可以大幅度减小。