舵壓力

如圖1所示，當(dāng)舵葉以某一舵角δ(這里所說(shuō)的舵角是指敞水舵的舵角，即是攻角或沖角，與駕駛臺(tái)舵角指示器所指機(jī)械舵角不完全一樣)對(duì)水以相對(duì)速度做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在舵的周?chē)?，除有平行于運(yùn)動(dòng)方向的平行水流外，還有由于操舵而產(chǎn)生環(huán)繞舵葉的附加水流。因此，在舵的迎流面由于平行流與附加流二者間的流向相反而使流速減小、壓力增加，圖中以正( )表示，在舵的背流面，由于平行流與附加流二者間的流向相同，而使流速增加，壓力減小，圖中以負(fù)(-)表示。這樣，在舵葉的兩面出現(xiàn)垂直于流速方向的升力P_y和平行于流速方向的阻力P_x，升力P_y和阻力P_x的矢量和P_R稱(chēng)為舵葉的水動(dòng)力，把P_R分解在垂直弦線(xiàn)(舵葉兩端點(diǎn)的連線(xiàn))的分力P_N，稱(chēng)為舵壓力，分解在舵葉弦線(xiàn)上的分力P_t稱(chēng)為摩擦力。

舵壓力流體現(xiàn)象

1、失速現(xiàn)象

隨著舵角逐漸增大，當(dāng)舵角增加到某一數(shù)值時(shí)，舵葉的背流面就會(huì)出現(xiàn)渦流，壓力增大，使舵葉迎流面與背流面的壓力差減小，舵壓力驟然下降，出現(xiàn)失速現(xiàn)象。出現(xiàn)失速現(xiàn)象時(shí)的舵角，稱(chēng)為失速舵角或臨界舵角或極限舵角。

2、空泡現(xiàn)象

當(dāng)舵的背流面壓力下降到或接近于該溫度下的汽化壓力時(shí)，在舵的背面將產(chǎn)生氣泡，使舵壓力下降的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象出現(xiàn)在大舵角時(shí)或高速船上，尤其是剖面形狀前端曲率大的舵更易發(fā)生。但它不像失速現(xiàn)象那樣顯著。

3、空氣吸入現(xiàn)象

在舵的前面吸入空氣，產(chǎn)生渦流使舵壓力下降的現(xiàn)象稱(chēng)為空氣吸入現(xiàn)象，在舵接近水面或一部分露出水面且速度較大的情況下，容易發(fā)生此現(xiàn)象。

舵壓力尺度、形狀

①舵葉展弦比的影響

展弦比，對(duì)矩形舵而言，是指舵高(翼展)與舵寬(弦長(zhǎng))的比值；對(duì)非矩形舵而言，是指舵高的平方與舵面積的比值。展弦比小，從舵葉迎流面而來(lái)的水流就會(huì)從舵的上端和下端進(jìn)入舵葉背流面，形成繞流，致使舵葉兩側(cè)壓力差減小，舵壓力降低；展弦比越大，小舵角時(shí)的升力越大，有利于運(yùn)用小舵角操縱船舶。但是展弦比過(guò)大將引起過(guò)早失速，使極限舵角變小，而不利于大舵角回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其次，內(nèi)河船舶的舵葉高度因受到船舶吃水限制，一般展弦比較小，舵的外形做得矮而寬，易產(chǎn)生繞流，故舵壓力也較小，特別在小舵角時(shí)的舵壓力不大，因而應(yīng)舵時(shí)間(即從操舵開(kāi)始至船首開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)止的時(shí)間間隔，稱(chēng)為應(yīng)舵時(shí)問(wèn))也較長(zhǎng)。因此，內(nèi)河船常設(shè)置2～3面舵，每一舵面積相應(yīng)減小，以提高展弦比，同時(shí)在舵的上、下端設(shè)擋板，減少舵上、下端的繞流，增加舵壓力。

內(nèi)河船舶舵葉的展弦比一般在1～2時(shí)，其失速角為20度～30度，考慮舵葉的翼柵效應(yīng)和回轉(zhuǎn)時(shí)船尾漂角較大，故機(jī)械極限舵角常達(dá)35度，內(nèi)河船有的達(dá)45度。

②舵葉外形的影響

一般舵葉外形對(duì)舵壓力的影響并不顯著。確切地說(shuō)，這種影響只有當(dāng)舵安裝在船尾，且船尾與舵之間的間隙較大時(shí)，才會(huì)造成一些不利的影響。

③舵葉剖面形狀的影響

舵葉的剖面形狀一般有平板形和流線(xiàn)型兩種。由于流線(xiàn)型舵的外形符合水流流線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在正常舵角下不致出現(xiàn)渦流，因此，它產(chǎn)生的舵壓力大些，而且在小舵角時(shí)便產(chǎn)生較大的舵壓力，應(yīng)舵時(shí)間短，水阻力也比平板舵小20%。目前絕大多數(shù)船舶采用流線(xiàn)型舵。

流線(xiàn)型舵是左右對(duì)稱(chēng)的機(jī)翼形狀，如圖2所示，它的最大厚度距前緣30%舵寬處。從阻力角度來(lái)看，舵角小于15度時(shí)，舵的厚度越厚則阻力增加越快；舵角大于15度后，厚度越薄，阻力反而增加很快。舵葉厚度與寬度之比稱(chēng)為厚寬比，舵的厚寬比在18%～20%時(shí)，舵產(chǎn)生的舵壓力最大。因此，在單螺旋槳船上，寬度舵的厚寬比一般取15%~18%；在雙螺旋槳船上，具有下支承的中舵一般取15%，半平衡舵一般取9%，懸掛式舵彎矩較大厚寬比一般在20%。

④舵面積的影響

船舶方向性能的優(yōu)劣與舵面積的大小關(guān)系密切，舵壓力的大小與舵面積成正比，旋回性能好的船舶均具有較大的舵面積。但過(guò)大地增加舵面積是不合理的，一方面增加船舶航行阻力和舵機(jī)功率；另一方面還將增加船舶吃水。在實(shí)踐中，合理的舵面積和形狀通常用試驗(yàn)辦法來(lái)確定，主要以操縱性能良好的船舶的舵面積系數(shù)作為估計(jì)合理舵面積及其形狀的依據(jù)。

舵面積系數(shù)是指舵葉中縱剖面面積與船體中縱剖面浸水面積的比值。舵面積系數(shù)隨船舶類(lèi)型、尺度和船速而異。內(nèi)河船舶中舵舵面積系數(shù)最小的是雙槳客貨船(深寬航道)為2.1%～5.0%，其他船舶舵面積系數(shù)一般都在3.0%以上，舵面積系數(shù)最大的是內(nèi)河推船，達(dá)6.0%～11.0%，如圖3所示。

舵壓力其他因素

舵壓力的大小除與上述因素有關(guān)外，還與螺旋槳尾流、船體伴流、船尾形狀、船速及沖角等有關(guān)。

①船體干擾及船尾形狀對(duì)舵壓力的影響

當(dāng)船尾的舵轉(zhuǎn)動(dòng)到某一舵角時(shí)，舵周?chē)a(chǎn)生的壓力變化波及船體的尾部，使船尾兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，其方向與舵升力的方向相同，增加了轉(zhuǎn)船力矩，同時(shí)，船尾的壓力也增加了舵壓力，提高了舵效，所以，船體和舵之間是互相干擾的。這種流體力學(xué)上相互干擾的結(jié)果將使舵壓力比單獨(dú)舵所產(chǎn)生的舵壓力提高20%～30%，而且，船體與舵之間的間隙越小，這種效果越顯著。在實(shí)用上，往往將舵上緣做成與船尾底部線(xiàn)型相吻合，以便使間隙盡可能小。

②伴流對(duì)舵壓力的影響

船舶在航行中，船體周?chē)胁糠职殡S船舶航行運(yùn)動(dòng)的水流稱(chēng)伴流，其速度稱(chēng)為伴流速度。伴流速度越大，舵葉對(duì)水相對(duì)速度越低。舵效越差試驗(yàn)表明：?jiǎn)螛獑味娲馨榱饔绊懞蟮亩鎵毫χ挥谐ㄋ娴?.35~0.46倍，雙槳單舵船只有0.39~0.60倍，所以船舶駛向錨地過(guò)程中下令停車(chē)，在螺旋槳停轉(zhuǎn)的瞬間，船舶雖然仍有相當(dāng)大的速度，卻受伴流的影響而很快失去舵效。特別是頂推船隊(duì)，因其伴流大，該現(xiàn)象更為顯著。

③螺旋槳尾流中誘導(dǎo)速度對(duì)舵壓力的影響

安裝在螺旋槳后方的舵葉，受到螺旋槳尾流誘導(dǎo)速度的影響，尾流中誘導(dǎo)速度加大舵葉的對(duì)水相對(duì)速度，增加舵壓力，舵效較好。實(shí)驗(yàn)表明，單槳單舵船船尾舵壓力比單獨(dú)舵增加2.40～2.58倍；雙槳單舵船因?yàn)槎媸苈菪龢擦髡T導(dǎo)速度影響較小，所以船尾舵的舵壓力比單獨(dú)舵的舵壓力只增加0.93～1.11倍。

水流與舵葉水平剖面中心線(xiàn)存在一夾角(沖角)時(shí)，在舵葉的迎流面和背流面產(chǎn)生的水動(dòng)力差值。舵壓力是操縱船舶改變或保持航向的主要作用力。舵未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)處于中央位置，由于左右兩邊流線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，不產(chǎn)生舵壓力。當(dāng)舵轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度之后，由于流線(xiàn)發(fā)生變化，從而舵面上各點(diǎn)的流速也發(fā)生變化，結(jié)果產(chǎn)生舵壓力。

對(duì)于平板舵而言，舵角約35度時(shí)舵壓力轉(zhuǎn)船力距最大，通常將之定為滿(mǎn)舵角。流線(xiàn)型滿(mǎn)舵角為32度，一般內(nèi)河船舶的滿(mǎn)舵舵角在35度到45度的之間。作用于舵葉面的流速由船速、伴流速度和螺旋槳尾流速度合成，停船時(shí)的船速，伴流速度和螺旋槳尾流速度均為零，不產(chǎn)生舵壓力；進(jìn)車(chē)后所產(chǎn)生的螺旋槳尾流對(duì)舵起作用，當(dāng)舵轉(zhuǎn)至某一舵角后開(kāi)始有舵效，隨著船速的增加，舵壓力逐漸增大。航進(jìn)中停車(chē)后，螺旋槳尾流速度為零，只有淌航中的船速和伴流對(duì)舵起作用，舵壓力大大下降，當(dāng)船速下降到某值時(shí)，舵壓力就會(huì)消失。倒車(chē)后退時(shí)，船尾伴流極小，僅有后退船速和螺旋槳來(lái)流對(duì)舵起作用，此時(shí)的舵壓力要比正車(chē)前進(jìn)時(shí)的舵壓力小得多，故倒車(chē)后退時(shí)的舵效要比進(jìn)車(chē)進(jìn)舵時(shí)的舵效差得多。

舵銷(xiāo)是用以將舵連在舵柱或掛舵臂上的銷(xiāo)軸或螺柱。一般制成錐狀體，按其部位和作用不同，分別稱(chēng)為上舵銷(xiāo)、下舵銷(xiāo)。