襟翼舵是指由主舵叶和襟翼组成舵叶的舵。襟翼接于主舵叶的随边并可由单独机构进行独立控制,襟翼转动方向可与主舵叶一致,但角度大于舵叶转角,也有襟翼与主舵叶转动方向相反的。襟翼舵可提高
舵效或减小舵杆扭矩。
基本原理
根据
机翼理论,两个弦长和展弦比相同的机翼,其中一个是具有拱度的弯曲机翼,另一个是对称剖面的机翼,在相同的冲角下,前者的升力大于后者,这是由于拱度的作用使流体产生了较大的折向所致。
对于船用舵来说,为改善回转性能,应尽可能将船舶的前进推力转变为使得船舶转动的横向力也即升力。但是普通的对称剖面机翼舵,由于受到转舵角的限制,不可能使经过舵叶的水流达到充分的折向,因此真正能转化为横向力的前进推力成分很少。
襟翼舵是带有可转动尾翼的舵,舵叶分为主体和尾翼两部分,并用铰接轴连接。当舵叶处于中位(即零舵角)时,舵的主体和尾翼在同一平面内,整个舵叶剖面呈接轴连接。当舵叶处于中位(即零舵角)时,舵的主体和尾翼在同一平面内,整个舵叶剖面呈对称机翼状。但当舵离开中位开始转动时,尾翼除了跟随主体转动外,同时绕铰接轴转动,使得尾翼与主体之间的夹角也随同增加,从而使得整个舵变得与变拱度的机翼相似。
襟翼舵的舵叶随舵角的变化成为可变拱度的曲面,因此通过合理划分舵叶主体和尾翼之间的比例,以及采用机械装置使尾翼的转角接近于主体转角的两倍,即当舵处于满舵位置时,舵叶主体转角为45°,而尾翼转角达到90°与船体中纵剖面垂直的状态。在这种情况下,满舵时,螺旋桨尾流经过舵叶主体和尾翼两次折向,全部尾流折向90°方向,几乎可使推进器推力的一半转变为横向转船力,从而大大提高了襟翼舵的舵效。
由此可见,襟翼舵在中位时,如同普通的对称剖面机翼舵,因此仍然保留了良好的航向稳定性。当它离开中位后成为变拱度的曲面,大大改善了船舶的回转性能。因此,近年来得到越来越多的使用,诸如一般的中小型船舶包括干货船、油船采用襟翼舵后,进出河港不再需要拖船绑拖或帮助靠离码头。拖船、渔船、自航耙吸式挖泥船等采用襟翼舵后,提高了其作业性能。特别是在海上以低速进行作业且要求操纵性良好的船舶,如
海洋调查船、测量船、地球物理勘探船、科研考察船等,襟翼舵是很好的选择。
类型
1.翼舵按其舵叶形状可分为矩形和梯形舵。由于矩形舵的舵叶结构较简单,制造方便,特别是从主体和尾翼铰接部分及水下传动机构等重要零部件的制造、拆装和维修的方便性考虑,一般采用矩形舵。
2.襟翼舵按其支承方式可分为悬挂舵和双支点平衡舵
3.按尾翼的传动机构又可分为齿轮式襟翼舵、滑块式襟翼舵、导杆式襟翼舵及摇臂式襟翼舵等。
舵的配置
海船襟翼舵的配置主要有两种方式:
1)单桨单舵。舵置于桨后正中,舵叶高度应尽可能大于螺旋桨的直径,但舵的下缘不要超出桨盘底部太多。以减小左右操舵力不均衡的影响。舵的前缘距桨叶的距离以不拆卸舵即能折装桨叶为原则,其间隙一般为螺旋桨直径的0.25~0.15。
2)双桨双舵
舵位于桨叶后的尾流区,一般正对桨叶中心。但若因其他原因(如拆卸推进器轴)需要,舵可向两舷处外移,其位移量约为螺旋桨直径的0.10~0.15。
基本参数
1)舵面积
为确定舵的面积通常采用两种方式:其一为利用实践中积累的资料,参照母型船确定舵面积;其二为用解析船舶运动方程式确定舵面积。事实上前一种方法用得较多,后一种方法很少使用。
在缺乏母型船的情况下,常常采用以面积比χ表示的统计资料.
2)展弦比
一般来说,襟翼舵的
展弦比对性能的影响与普通舵相仿,面积相同而展弦比不同的舵,它们的最大升力系数相近,但对应的
舵角却不同。展弦比越小,其最大升力系数对应的舵角越大。反之,当舵角相同时,展弦比越大,该舵角对应的升力系数越大。由此产生的后果是,当舵面积相同时,展弦比较大的舵叶,其转舵力矩较小,反之亦然。这亦是一般海船的舵采用较大展弦比的原因。此外,对于襟翼舵来说,其传动机构的尺寸对于展弦比的选择可能会有较大的影响。
3)舵叶剖面形状与厚度比
襟翼舵由于其
升力系数比普通流线型舵增加很多,几乎可达1.5倍,且水动压力中心位置明显地向后移,再加上襟翼舵传动机构附加力矩的影响导致舵杆力矩大大增加。平衡系数的增加则使得舵杆在舵叶剖面上的位置相对后移,虽然有利于减小舵杆
扭矩,但总的结果仍是舵杆直径的增大。
为使襟翼舵的舵叶具有足够的厚度,因而采用较大的厚度比。通常襟翼舵的舵叶采用NACA型剖面,对于舵踵支承的平衡舵,其厚度比的取值可达到18%,而悬挂舵厚度比的取值不小于2l%。为了保证舵杆在舵叶上的安装,舵叶剖面的最大厚度位于约0.45的舵宽(弦长)处。
优点
与普通流线型舵相比,襟翼舵具有以下优点:
1.在同样的主舵转角时,襟翼舵可以提供更大的法向力
襟翼舵为船舶的操纵性带来以下好处。
(1)不论是全速航行还是在静止状态,船舶的回转直径只有一倍船长(普通舵的船舶回转直径一般为2.5倍船长)。
(2)船舶回转总延时大大缩短,这对于急流中航行的船舶尤为重要。
(3)校准航向时所需舵角大大减小。
2.对舵机设计有利
一般舵机的转角范围为70°×2,而襟翼舵的良好舵效使所需舵机的转角范围仅为(30°~50°)×2,对舵机设计有利。同时,由于最大舵角减小,在倒航满舵时并不防碍水流流人推进器。
3.对提高船舶低速航行时的舵效有良好作用
普通舵必须有一定的流人速度才能产生必要的横向力使船舶转向,而襟翼舵的舵叶主体对尾翼有导流作用,使船舶能够从静止状态立即进入转向运动。