一种船舵的设计方法和船舵与流程

1.本发明涉及船舶水动力节能技术领域，尤其涉及一种船舵的设计方法和船舵。


背景技术：

2.节能装置的开发一直是绿色船舶发展的重要方向之一，舵作为一种船舶操纵装置，一般安装在船舶螺旋桨之后，在船舶运行时，舵受到螺旋桨高速水流的冲击，产生较大的阻力，是一个较为明显的耗能装置。
3.长期以来，围绕舵的节能设计，人们开发了各种节能舵和辅助附件，如扭曲舵、舵球等。
4.现有的船舵的设计方法仅能从螺旋桨的艉流中回收部分能量，以产生节能效果，对于船舵本身而言，依然是耗能装置，无法使得舵产生推力。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种船舵的设计方法和船舵，可以使得船舵产生推力，辅助螺旋桨推进，提高船舶的推进效率，从而产生更为显著的节能效果。
6.根据本发明的一方面，提供了一种船舵的设计方法，船舵包括舵叶，船舵的设计方法包括：沿着舵叶的展长方向，将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面；根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，以使在船体前进时船舵能够产生沿前进方向上的推力。
7.可选地，根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，以使在船体前进时船舵能够产生沿前进方向上的推力，包括：根据剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，以得到剖面所在位置处的最佳攻角，其中，剖面的所在位置处的最佳攻角能够使舵叶在剖面的所在位置处产生最大推力。
8.可选地，根据各所述剖面所在位置的来流攻角调整所述舵叶在所述剖面所在位置处的攻角，以使在船体前进时所述船舵能够产生沿前进方向上的推力，包括：获取船艉处流体的横向速度和来流速度；根据横向速度和来流速度计算来流攻角；根据来流攻角和设定规则得到舵叶在剖面位置处的目标攻角，并根据目标攻角调整舵叶在剖面所在位置处的攻角；其中，横向速度的方向与船体的前进方向垂直，来流速度的方向与船体的前进方向相同。
9.可选地，设定规则包括：β＝c0α，其中，β为目标攻角，c0为调整系数，α为来流攻角。
10.可选地，获取船艉处流体的横向速度和来流速度，包括：根据如下公式计算船艉处流体的横向速度和来流速度：
11.[0012][0013]
其中，ui和uj为平均速度分量，xi和xj为空间位置坐标，t为时间，v为流体的横向速度，u为流体的来流速度，ρ为流体质量密度，p为平均压力，μ为流体分子粘性系数，为雷诺应力项；其中，i取1，2，3，j取1，2，3，i和j的取值不相同，u1＝u,u2＝v。
[0014]
可选地，各剖面等间距，或者根据垂向上的来流攻角的梯度变化大小取变间距。
[0015]
根据本发明的另一方面，提供了一种船舵，船舵包括舵叶，沿着舵叶的展长方向的多个剖面中至少一个为非对称剖面；舵叶各剖面所在位置处的攻角设置，能够在船体前进时使船舵产生沿前进方向上的推力。
[0016]
可选地，舵叶的剖面的拱度分布形式为：从导边至随边，拱度先逐渐增大，后逐渐缩小。
[0017]
可选地，舵叶的剖面的厚度分布形式为：从导边至随边，厚度先逐渐增大，后逐渐缩小；且最大厚度的位置与导边的距离小于或等于设定阈值。
[0018]
可选地，将舵叶的横向位置设置于螺旋桨艉流影响区域之外，将舵杆中心线的纵向位置设置于螺旋桨桨盘面至船艉端板之间。
[0019]
本发明实施例的技术方案，通过将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面；根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，可以使得船舵产生推力，辅助螺旋桨推进，提高船舶的推进效率，从而产生更为显著的节能效果。
[0020]
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]
图1是本发明实施例提供的一种船舵的设计方法的流程图；
[0023]
图2是本发明实施例提供的一种有来流攻角时舵叶产生推力的原理示意图；
[0024]
图3是本发明实施例提供的一种船体周围来流攻角等势线示意图；
[0025]
图4是本发明实施例提供的一种舵叶的剖面划分及攻角调整示意图；
[0026]
图5是本发明实施例提供的一种新剖面和原剖面的表面轮廓线形状的比较示意图；
[0027]
图6是本发明实施例提供的又一种船舵的设计方法的流程图；
[0028]
图7是本发明实施例提供的一种拱度分布曲线示意图；
[0029]
图8是本发明实施例提供的一种厚度分布曲线示意图；
[0030]
图9是本发明实施例提供的一种船后螺旋桨、舵位置示意图(正视图)；
[0031]
图10是本发明实施例提供的一种船后螺旋桨、舵位置示意图(后视图)；
[0032]
图11是本发明实施例提供的一种船后螺旋桨、舵位置示意图(侧视图)；
[0033]
图12是本发明实施例提供的一种船舵产生推力与原舵阻力效果比较示意图。
具体实施方式
[0034]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0035]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0036]
图1是本发明实施例提供的一种船舵的设计方法的流程图，本实施例可适用于船直航的情况，该设计方法可以由船舵设计器来执行，该船舵设计器可以采用硬件和/或软件的形式实现。如图1所示，该船舵的设计方法包括：
[0037]
s101、沿着舵叶的展长方向，将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面。
[0038]
舵叶是舵作用力的本体，可以由木材或是钢材做成。舵叶以水平隔板和垂直隔板作为骨架，外覆钢板制成水密的空心体，水平剖面呈机翼形。当水流以某攻角作用于舵叶上时，在船尾产生了横向的舵力，舵力通过舵杆传递于船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了调整航向的目的。
[0039]
舵叶的展长方向指舵叶的高度方向，即沿舵杆轴线方向。示例性地，可以沿着舵叶展长方向将舵叶分成5～8个剖面。
[0040]
剖面，指与舵杆轴线垂直的舵叶剖面。对沿高度方向厚度不变的矩形舵，在整个高度方向其剖面是一样的；非对称剖面指舵叶横截面(横向剖面)的形状(翼形)上下不对称。
[0041]
s102、根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面所在位置处的攻角，以使在船体前进时船舵能够产生沿前进方向上的推力。
[0042]
来流攻角指水流方向与舵叶的剖面的翼弦之间的夹角，也称为来流迎角。翼弦指剖面的前缘与后缘的连线。前缘又称为导边，后缘又称为随边，可以采用数值计算的方法，获取船艉处流体的来流速度，并通过三角函数计算获得来流攻角，根据来流攻角调整舵叶在剖面所在位置处的攻角，使得舵叶产生向着船前进方向的推力。
[0043]
图2是本发明实施例提供的一种有来流攻角时舵叶产生推力的原理示意图，图3是本发明实施例提供的一种船体周围来流攻角等势线示意图，结合图2和图3，由于舵的升力l存在沿着船前进方向的分量tr，舵沿着展向竖直布置于船艉，而船艉的来流攻角α沿着竖直方向存在变化，因此将舵叶沿着展向分成多个剖面，各剖面等间距，或者根据垂向上的来流攻角的梯度变化大小取变间距，分别根据剖面所在位置处的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，以得到剖面所在位置处的最佳攻角，其中，剖面的所在位置处的最佳攻角
能够使舵叶在剖面位置处产生最大推力。
[0044]
图4是本发明实施例提供的一种舵叶的剖面划分及攻角调整示意图；如图4所示，实线为原剖面，虚线为攻角调整后的剖面，原剖面和攻角调整后的剖面均为等间距选取的6个剖面，未调整前舵叶的剖面为对称剖面，各展向位置处(舵叶在剖面所在位置处)剖面的攻角均为0,各展向位置处剖面的拱度也均为0。调整后的各展向位置剖面的攻角是将该剖面绕舵轴轴线偏转所形成的。
[0045]
为了进一步提高舵叶的推力，将舵叶的原对称剖面调整成非对称剖面(新剖面)。图5是本发明实施例提供的一种新剖面和原剖面的表面轮廓线形状的比较示意图，如图5所示。坐标轴x表示轮廓线的弦长，坐标轴y表示舵叶的剖面轮廓与弦所在直线的距离，坐标轴x和坐标轴y均为无量纲坐标轴，yu为翼型的上表面与弦所在直线的距离，y
l
为翼型的下表面与弦所在直线的距离，通过增加翼型的拱度使得翼型呈现非对称。
[0046]
本发明实施例的技术方案，通过将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面；根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，可以使得船舵产生推力，辅助螺旋桨推进，提高船舶的推进效率，从而产生更为显著的节能效果。
[0047]
图6是本发明实施例提供的又一种船舵的设计方法的流程图，本实施例在上述各实施例的基础上。如图6所示，该船舵的设计方法包括：
[0048]
s101、沿着舵叶的展长方向，将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面。
[0049]
s1021、获取船艉处流体的横向速度和来流速度。
[0050]
其中，横向速度是值水流速度在三维坐标系下y方向的速度分量，来流速度是值水流速度在三维坐标系下x方向的速度分量。横向速度的方向与船体的前进方向垂直，来流速度的方向与船体的前进方向相同。
[0051]
根据如下公式计算船艉处流体的横向速度和来流速度：
[0052][0053][0054]
其中，ui和uj为平均速度分量，xi和xj为空间位置坐标，t为时间，v为流体的横向速度，u为流体的来流速度，ρ为流体质量密度，p为平均压力，μ为流体分子粘性系数，为雷诺应力项；其中，i取1，2，3，j取1，2，3，i和j的取值不相同，u1＝u,u2＝v，u3＝w，w为流体竖直方向上的速度分量，由于舵是竖直放置的，因此竖直方向上的速度分量对舵产生不了升力。
[0055]
s1022、根据横向速度和来流速度计算来流攻角。
[0056]
根据如下公式计算来流攻角：
[0057][0058]
式中，α表示来流攻角，v表示横向速度，u表示来流速度。
[0059]
s1023、根据来流攻角和设定规则得到舵叶在剖面位置处的目标攻角，并根据目标攻角调整舵叶在剖面所在位置处的攻角。
[0060]
设定规则为：β＝c0α，其中，β为目标攻角，c0为调整系数，α为来流攻角，β取值范围为0.7～0.8。
[0061]
本发明实施例还提供了一种船舵，船舵包括舵叶，沿着舵叶的展长方向的多个剖面中至少一个为非对称剖面；舵叶各剖面所在位置处的攻角设置，能够在船体前进时使船舵产生沿前进方向上的推力。
[0062]
舵叶的剖面采用高升阻力比的非对称剖面。可选的，给定舵叶剖面的拱度分布，使得根据该拱度分布设计出的舵叶的剖面可以是非对称面。给定舵叶剖面的拱度分布，并且将剖面的最大厚度由原始剖面的初始位置向前移至合适位置，使得舵能够产生沿前进方向上的推力。
[0063]
舵叶的剖面所在位置处攻角的设计是船舵产生推力的关键，常规舵在直航时为0
°
攻角，在水流中将产生阻力，为使舵叶产生推力，在竖直方向，即沿着舵叶展长方向，将舵叶分成多个剖面，分别调整每个剖面所在位置处的攻角，可以使得每个剖面均能够产生一定推力。具体地，通过数值计算方法(例如，流体力学)获取船艉处流体的来流速度和横向速度，并通过三角函数计算获得来流攻角，根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面所在位置处的攻角，以使在船体前进时船舵能够产生沿前进方向上的推力。
[0064]
舵的数目取决于船型和航行情况，舵的形式与船尾形式、航行条件及设备条件有关。舵应布置在远离船舶重心处，以便增大转船力臂，但要注意舵的可靠保护；为了获得螺旋桨尾流以提高舵效，舵可以布置在螺旋桨的后方。螺旋桨对舵的水动力的影响，主要是增大了舵的来流速度。同时由于水流的偏转和尾流边界层的影响，改变了流经舵的水流特性。
[0065]
图7是本发明实施例提供的一种拱度分布曲线示意图，如图7所示，舵叶的剖面的拱度分布形式为：从导边至随边，拱度先逐渐增大，后逐渐缩小。新剖面拱度分布曲线的表达为f＝(yu+y
l
)，横轴坐标表示弦长，纵轴坐标表示拱度，横轴和纵轴均为无量纲坐标轴。原始舵叶的剖面为对称剖面，因此其拱度为0。
[0066]
图8是本发明实施例提供的一种厚度分布曲线示意图，如图8所示，舵叶的剖面的厚度分布形式为：从导边至随边，厚度先逐渐增大，后逐渐缩小；且最大厚度的位置与导边的距离小于或等于设定阈值。新剖面厚度分布曲线的表达为t＝(y
u-y
l
)，横轴坐标表示弦长，纵轴坐标表示厚度，横轴和纵轴均为无量纲坐标轴。为了进一步提升有来流攻角时舵叶剖面推力，可将舵叶原始剖面(原始剖面为对称剖面，拱度为0)的最大厚度向导边处移动，移动距离为δl
t
，移动范围0～0.8l
tmax
，其中，l
tmax
为原始剖面最大厚度至导边的距离。具体的移动参数可以根据舵叶产生的推力效果进行调整。通过将舵叶剖面的最大厚度向前移动，可以将舵叶的吸力面的负压区集中于舵叶剖面的鼻艏处，提高舵叶的推力，从而产生更为显著的节能效果。
[0067]
图9是本发明实施例提供的一种船后螺旋桨、舵位置示意图(正视图)；将舵叶的横向位置设置于螺旋桨艉流影响区域之外，将舵杆中心线的纵向位置设置于螺旋桨桨盘面至船艉端板之间。
[0068]
舵叶表面的摩擦阻力公式
[0069]
式中，d为舵叶的阻力，cf为舵叶的阻力系数，ρ为水的密度，v为来流速度，s为舵叶湿表面积，由于舵表面的摩擦阻力与来流速度的平方成正比，通过避开螺旋桨的杂乱高速
艉流区域，一方面能够降低舵叶表面的流速，从而降低舵叶阻力，另一方面，还可以进一步的通过调整舵叶各剖面所在位置处的攻角，可以使得舵叶能够产生沿前进方向上的推力。
[0070]
图10是本发明实施例提供的一种船后螺旋桨、舵位置示意图(后视图)；图11是本发明实施例提供的一种船后螺旋桨、舵位置示意图(侧视图)；
[0071]
如图10所示，舵叶距离船体旋转轴线中纵面ly取值范围为1.2r～1.5r,如图11所示，舵杆中心线纵向位置距离桨盘面l
x
取值范围为-0.2r～1r。其中，r表示螺旋桨的半径。
[0072]
与原舵(原舵舵叶的剖面为对称剖面)相比，新舵舵叶的横向位置偏离了船体中纵面，纵向位置向船艏移动，舵叶的剖面攻角根据来流攻角进行了调整，舵叶的剖面采用了非对称剖面形状，其拱度和厚度分布进行了调整，最终舵叶可以产生一定的推力。
[0073]
依据本发明上述任意实施例提供的设计方法所设计的船舵均可产生推力。图12是本发明实施例提供的一种船舵产生推力与原舵阻力效果比较示意图，参考图12，针对某一散货船模型方案，原舵为常规舵，阻力约占螺旋桨推力的-4.1％，负号表示舵产生的是阻力，实施本发明实施例提供的船舵的设计方法后，新船舵产生的推力约占螺旋桨推力的0.7％，新舵产生的推力与原舵产生的阻力两者相差约4.8％，从而新舵为螺旋桨分担了一部分推力，提高了船舶的推进效率。
[0074]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0075]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种船舵的设计方法，其特征在于，所述船舵包括舵叶，所述船舵的设计方法包括：沿着所述舵叶的展长方向，将所述舵叶分成多个剖面，至少一个所述剖面为非对称剖面；根据各所述剖面所在位置的来流攻角调整所述舵叶在所述剖面的所在位置处的攻角，以使在船体前进时所述船舵能够产生沿前进方向上的推力。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，根据各所述剖面所在位置的来流攻角调整所述舵叶在所述剖面的所在位置处的攻角，以使在船体前进时所述船舵能够产生沿前进方向上的推力，包括：根据所述剖面所在位置的来流攻角调整所述舵叶在所述剖面的所在位置处的攻角，以得到所述剖面所在位置处的最佳攻角，其中，所述剖面的所在位置处的最佳攻角能够使所述舵叶在所述剖面的所在位置处产生最大推力。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据各所述剖面所在位置的来流攻角调整所述舵叶在所述剖面所在位置处的攻角，以使在船体前进时所述船舵能够产生沿前进方向上的推力，包括：获取船艉处流体的横向速度和来流速度；根据所述横向速度和所述来流速度计算所述来流攻角；根据所述来流攻角和设定规则得到所述舵叶在所述剖面位置处的目标攻角，并根据所述目标攻角调整所述舵叶在所述剖面所在位置处的攻角；其中，所述横向速度的方向与船体的前进方向垂直，所述来流速度的方向与船体的前进方向相同。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述设定规则包括：β＝c0α，其中，β为所述目标攻角，c0为调整系数，α为来流攻角。5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述获取船艉处流体的横向速度和来流速度，包括：根据如下公式计算所述船艉处流体的横向速度和来流速度：根据如下公式计算所述船艉处流体的横向速度和来流速度：其中，u
i
和u
j
为平均速度分量，x
i
和x
j
为空间位置坐标，t为时间，v为流体的横向速度，u为流体的来流速度，ρ为流体质量密度，p为平均压力，μ为流体分子粘性系数，为雷诺应力项；其中，i取1，2，3，j取1，2，3，i和j的取值不相同，u1＝u,u2＝v。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，各所述剖面等间距，或者根据垂向上的来流攻角的梯度变化大小取变间距。7.一种船舵，其特征在于，所述船舵包括舵叶，沿着舵叶的展长方向的多个剖面中至少一个为非对称剖面；所述舵叶各所述剖面所在位置处的攻角设置，能够在船体前进时使所述船舵产生沿前
进方向上的推力。8.根据权利要求7所述的船舵，其特征在于，所述舵叶的剖面的拱度分布形式为：从导边至随边，所述拱度先逐渐增大，后逐渐缩小。9.根据权利要求7所述的船舵，其特征在于，所述舵叶的剖面的厚度分布形式为：从导边至随边，所述厚度先逐渐增大，后逐渐缩小；且所述最大厚度的位置与所述导边的距离小于或等于设定阈值。10.根据权利要求7所述的船舵，其特征在于，将舵叶的横向位置设置于螺旋桨艉流影响区域之外，将舵杆中心线的纵向位置设置于螺旋桨桨盘面至船艉端板之间。

技术总结
本发明公开了一种船舵的设计方法和船舶。船舵包括舵叶，船舵的设计方法包括：沿着舵叶的展长方向，将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面；根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，以使在船体前进时船舵能够产生沿前进方向上的推力。本发明实施例通过将舵叶分成多个剖面，至少一个剖面为非对称剖面；根据各剖面所在位置的来流攻角调整舵叶在剖面的所在位置处的攻角，可以使得船舵产生推力，辅助螺旋桨推进，提高船舶的推进效率，从而产生更为显著的节能效果。从而产生更为显著的节能效果。从而产生更为显著的节能效果。


技术研发人员：翟树成 陈雷强 刘登成 李鹏程 黄树权 韩用波
受保护的技术使用者：中船重工（上海）节能技术发展有限公司
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/4/18