[发明专利]一种抗空化扭曲舵的设计方法

说明书

本发明属于船舶或船舵设计领域，尤其涉及一种抗空化扭曲舵的设计方法。基于该方法设计的扭曲舵在充分考虑船舶螺旋桨尾流中的旋转速度等各种因素对船舵影响的基础上，以船舶直航时螺旋桨后尾流场的分布特点来设计确定舵的各展向位置剖面的几何攻角和线型，以使舵的几何形状与螺旋桨尾流场相匹配，达到改善舵表面的压力分布，提高舵的空化起始航速，减少舵空化发生的时间和面积，降低舵引起的振动和噪声，抑制舵面的空化剥蚀，节省舵的维护成本，改善舵叶的受力状态，提升舵效，降低舵机负荷等目的。

技术领域

本发明属于船舶或船舵设计领域，尤其涉及一种抗空化扭曲舵的设计方法。

背景技术

近年来由于舰船向着高速化和大型化方向发展，特别是对于高速舰船，处于螺旋桨后工作的舵叶振动和空化剥蚀也越来越严重，因此对舵性能的考虑也越来越全面。传统舵叶的左右两面是以舵的中心面呈对称形式,这种形状特点未考虑到螺旋桨强大的旋转尾流对舵叶的冲击，从而导致传统舵叶一般会产生比较严重的空泡现象,不仅会引起舵叶表面的空化剥蚀,还会导致振动和噪声大幅增加。

由于螺旋桨尾流的旋转作用，传统舵在0°舵角时，舵叶在不同展向位置的来流相对舵叶剖面会存在一定的迎流攻角，导致舵的左右两面压力不对称，吸力面会存在明显的低压区，随着航速的增加，舵角的增大，低压区压力会随之不断降低，当航速增加到某一定数值时，低压区的压力降到水的汽化压力，舵叶表面就会发生空化。舰船在海上航行时直航是最主要的航行状态，但在实际情况中，由于海上风浪流的影响，舰船为了保持直航，需要不停地来回打小舵角，加剧了舰船直航时传统舵叶的空化问题。

上世纪90年代美国海军为了测试桨和舵的水动力性能和噪声特性，进行了一项实船航行空泡观测试验，试验表明，即便是中等海况条件下保持航向航行，23kn航速时舵表面即出现空化，舵空化引起的空化剥蚀在后来的船坞检修中也被证实。究其原因，主要是因为普通舵未考虑到螺旋桨旋转尾流的特点,从而导致传统舵一般会产生比较严重的空泡现象。舵发生空化后会对舵面引起严重的剥蚀作用，从而影响舵的使用寿命，还会导致振动和噪声大幅增加。

由于舵的操纵力是由舵叶压力面与吸力面的压力差而形成的，当吸力面发生空化现象后，压力保持为饱和蒸汽压力，不能进一步降低，所以发生空化后舵效会明显降低。另外，舵的空化还会产生较大的噪音，引起舵和尾部结构振动等一系列不利影响。

在舰船以0°舵角直航时，由于螺旋桨尾流的旋转作用，舵叶左右两面的压力分布不对称，传统舵上会存在较大的横向力和舵轴扭矩，虽然双桨船由于左右两舵的横向力相互抵消，不影响船舶的直航性能，但舵轴扭矩的存在会增加舵机的负荷。由于传统舵舵轴在0°舵角附近时会存在明显的扭矩，在来回打小舵角以保持航向航行的过程中，舵机会始终承受较大负荷。

发明内容

针对上述现状，本发明提供了一种抗空化扭曲舵的设计方法，该舵能改善舵叶表面的压力分布，提高空化起始航速，降低舵发生空化的时间和面积，抑制舵叶空化剥蚀，节省舵叶的维护成本，降低舵叶空化引起的振动和噪声，同时能改善舵叶受力状态，提高舵效，降低舵机负荷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种抗空化扭曲舵的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据目标船舶的需求，确定舵高L、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度、各展向位置剖面的几何攻角、各展位置剖面的线型，包括剖面厚度沿着弦长的分布形式和剖面拱度沿着弦长的分布形式以及舵轴在舵上的安装位置等基本参数，以这些基本参数作为扭曲舵设计的原始参数；

较优地，为了便于操作，在该步骤中各展向位置剖面的几何攻角可均设为0，各展向位置剖面线型均为对称翼型，即各展向位置剖面的拱度均为0；设置上述参数为0可以减小计算量，简化设计过程；