扭曲舵強(qiáng)制自航舵力測(cè)量試驗(yàn)研究

高峰

（海軍裝備部，北京 100841）

扭曲舵強(qiáng)制自航舵力測(cè)量試驗(yàn)研究

高峰

（海軍裝備部，北京 100841）

在拖曳水池中進(jìn)行了自航約束模舵力測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)扭曲舵和普通舵的舵力進(jìn)行了測(cè)量，比較分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0°舵角時(shí)，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對(duì)艦船的直航性和舵機(jī)受力是有利的。在通過打舵使艦船發(fā)生回轉(zhuǎn)時(shí)，扭曲舵不僅能使舵軸上的受力狀態(tài)得到改善，而且能夠提高舵的操縱力，改善艦船的回轉(zhuǎn)性能。

扭曲舵；螺旋槳；三分力；自航試驗(yàn)

0 引 言

普通舵位于螺旋槳后面,舵面呈對(duì)稱形式，未考慮到螺旋槳引起的旋轉(zhuǎn)尾流，一方面螺旋槳尾流的能量未能充分利用，另一方面還會(huì)導(dǎo)致普通舵一般會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的空泡現(xiàn)象，引起舵面空化剝蝕，空化后舵效也會(huì)明顯降低，另外，舵的空化還會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，引起舵和尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)等一系列不利影響，因此研究提高舵的抗空化性能，對(duì)提高舵效和操縱性、抑制空化剝蝕、降低舵引起的振動(dòng)和噪音是非常必要的。

最早提出扭曲舵思想的是Tutin，其基本思想是充分利用螺旋槳尾流的能量，提高推進(jìn)效率。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)扭曲舵在節(jié)能增效方面的研究進(jìn)行得較多。董國(guó)祥[1]用升力面方法計(jì)算了扭曲舵的水動(dòng)力性能。徐一軍[2]對(duì)扭曲舵的節(jié)能可行性進(jìn)行了探討。黃勝、郭春雨、王超等人[3-6]采用面元法計(jì)算槳后扭曲舵的水動(dòng)力性能，助推效率可以達(dá)到3%。劉登成[7]用CFD方法對(duì)不同扭曲舵設(shè)計(jì)方案的節(jié)能效果進(jìn)行了計(jì)算比較。

近年來由于艦船向著高速化和大型化方向發(fā)展，特別是對(duì)于高速艦船，處于螺旋槳后工作的舵的振動(dòng)和空化剝蝕也越來越嚴(yán)重，因此對(duì)舵性能的考慮也越來越全面。上世紀(jì)90年代美國(guó)海軍為了測(cè)試槳和舵的水動(dòng)力性能和噪聲特性，進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)船航行空泡觀測(cè)試驗(yàn)[8-9]，實(shí)驗(yàn)表明，即便是中等海況條件下保持航向航行，23 kns航速時(shí)舵表面即出現(xiàn)空泡，舵空化引起的空化剝蝕在后來的船塢檢修中也被證實(shí)。根據(jù)螺旋槳尾流場(chǎng)特點(diǎn)將舵設(shè)計(jì)成扭曲舵可以有效地解決舵上的空化剝蝕問題[10]，美國(guó)海軍科學(xué)辦公室在大型空泡筒中對(duì)扭曲舵與普通舵模型進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，模擬船舶伴流、船槳干擾以及給予模型較高的流速使其獲得高雷諾數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)扭曲舵的水動(dòng)力性能和常規(guī)舵相比有明顯的提高，扭曲舵比常規(guī)舵更不易發(fā)生空泡剝蝕，扭曲舵對(duì)于補(bǔ)償由推進(jìn)器與船體引起的來流攻角非常有效，同時(shí)，其升力性能并不亞于常規(guī)舵，目前這種扭曲舵已經(jīng)用于阿利伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的至少三艘艦艇上。

國(guó)內(nèi)葉金銘等人[11]對(duì)抗空化扭曲舵進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)普通舵和扭曲舵的在不同工況、不同舵角條件下的壓力分布進(jìn)行了計(jì)算比較。比較結(jié)果顯示，扭曲舵的負(fù)壓力峰值比普通舵明顯小，可以大幅提高舵的抗空化性能。計(jì)算結(jié)果還顯示，扭曲舵可以明顯減小0°舵角時(shí)舵上的橫向力和舵軸扭矩，對(duì)舵和舵機(jī)的受力是有利的。

本文在拖曳水池中進(jìn)行了自航約束模舵力測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進(jìn)行了測(cè)量，旨在通過試驗(yàn)測(cè)量的方法，分析扭曲舵的舵力特性，從而研究扭曲舵的受力狀態(tài)以及對(duì)操縱性能的影響。

1 試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某水面船縮尺模，該船雙槳雙舵，船模水線長(zhǎng)為4.712m，試驗(yàn)在華中科技大學(xué)船模試驗(yàn)水池進(jìn)行。該水池是國(guó)際船模水池會(huì)議ITTC的正式成員單位，水池尺度為：長(zhǎng)×寬×深=175 m×6 m× 4 m。

采用三分力測(cè)力傳感器（圖1）對(duì)舵力進(jìn)行測(cè)量，可以測(cè)量舵的縱向力Fx，橫向力Fz以及舵軸扭矩My。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)時(shí)船模速度為2.739 m/s，對(duì)應(yīng)實(shí)船設(shè)計(jì)航速，分別對(duì)不同舵角下的舵力進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前在拖車上固定好船模，保證船模沒有縱傾和橫傾。

1.3.1 普通舵舵力測(cè)量試驗(yàn)步驟

（1）打開舵力測(cè)量記錄軟件，開始記錄；

（2）啟動(dòng)全數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)，調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速雙車至1 070 rpm，操舵角為0°；

（3）開動(dòng)拖車速度至2.739 m/s，保持拖車速度穩(wěn)定至試驗(yàn)結(jié)束；

（4）拖車回到出發(fā)點(diǎn)，重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）4至5次；

（5）檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理，轉(zhuǎn)入10°舵角試驗(yàn)。

圖1 舵三分力傳感器Fig.1 The transducer of three-component force for rudder

表1 舵力測(cè)量工況Tab.1 The test condition

圖2 普通舵安裝圖Fig.2 The ordinary rudder at ship model

圖3 船模在拖車上固定Fig.3 The ship model fixed at the trailer of the towing rank

圖4 普通舵不同舵角時(shí)船尾流場(chǎng)Fig.4 The wake behind ship mode at different rudder angles of ordinary rudder

1.3.2 扭曲舵舵力測(cè)量試驗(yàn)步驟

普通舵舵力測(cè)量完成后，吊裝船模，更換普通舵為扭曲舵，重新在拖車上固定好船模，進(jìn)行舵力測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟與普通舵完全相同。

圖5 扭曲舵安裝圖Fig.5 The installation of twisted rudder

圖6 扭曲舵不同舵角時(shí)船尾流場(chǎng)Fig.6 The wake behind ship mode at different rudder angles of twisted rudder

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在設(shè)計(jì)航速工況下，普通舵和扭曲舵在0°舵角時(shí)測(cè)量結(jié)果分別見表2和表3，表中Fx為軸向力，F(xiàn)z為橫向力，My為舵軸力矩，扭曲舵與普通舵橫向力以及扭矩的比較如圖7所示。

表2 普通舵0°舵角時(shí)舵力測(cè)量結(jié)果Tab.2 The test results of three-component force at 0°rudder angle of the ordinary rudder

表3 扭曲舵0°舵角時(shí)舵力測(cè)量結(jié)果Tab.3 The test results of three-component force at 0°rudder angle of the twisted rudder

從表2和表3可以看出，在0°舵角時(shí)，普通舵上的橫向力分別為-4.26 N（左舵）和6.53 N（右舵），扭曲舵上的橫向力分別為-0.5 N（左舵）和-0.28 N（右舵），扭曲舵上的橫向力明顯比普通舵??；普通舵舵軸力矩分別為-20.35 Ncm（左舵）和15.21 Ncm（右舵），扭曲舵舵軸力矩分別為-7.66 Ncm（左舵）和6.27 Ncm（右舵），扭曲舵舵軸上的力矩比普通舵明顯?。黄胀ǘ嫔系目v向力矩分別為-66.74 Ncm（左舵）和82.06 Ncm（右舵），扭曲舵上的縱向力矩分別為-7.66 Ncm（左舵）和0.26 Ncm（右舵），扭曲舵縱向力矩也明顯比普通舵小。這說明在0°舵角時(shí)，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對(duì)舵機(jī)是有利的。

10°舵角時(shí)，普通舵和扭曲舵的測(cè)量結(jié)果如表4和表5所示，表中每一個(gè)舵角的測(cè)量結(jié)果均為多次測(cè)量的平均結(jié)果。

圖7 普通舵和扭曲舵0°舵角下舵力測(cè)量比較結(jié)果Fig.7 The comparison of rudder force test results at 0°angle between the ordinary rudder and the twisted rudder

表5 打左10°舵角時(shí)普通舵和扭曲舵舵力測(cè)量結(jié)果比較Tab.5 The comparison of rudder force test results at left 10°rudder angle between the ordinary rudder and the twisted rudder

從表4和表5可以看出，在打右舵10°舵角時(shí)，普通舵左舵和右舵舵軸力矩分別為4.51 Ncm和28.82 Ncm，扭曲舵左舵和右舵舵軸力矩分別為11.55 Ncm和22.34 Ncm，扭曲舵舵軸上承受的最大扭矩比普通舵??；普通舵左舵和右舵橫向力分別為13.01 N和19.87 N，左右舵橫向力之和為32.88 N，扭曲舵左舵和右舵舵軸力矩分別為18.46 Ncm和21.10 N，左右舵橫向力之和為39.56 N，扭曲舵雙舵產(chǎn)生的橫向力大于普通舵產(chǎn)生的橫向力。這進(jìn)一步說明在通過打舵使艦船發(fā)生回轉(zhuǎn)時(shí)，扭曲舵不僅能使舵軸上的受力狀態(tài)得到改善，而且能夠提高舵的操縱力，改善艦船的回轉(zhuǎn)性能。

3 結(jié) 語

在拖曳水池中進(jìn)行了直航約束模舵力測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進(jìn)行了測(cè)量，比較分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性，試驗(yàn)結(jié)果證明，在0°舵角時(shí)，扭曲舵上的橫向力和舵軸上的扭矩明顯減小，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對(duì)舵機(jī)是有利的。在通過打舵使艦船發(fā)生回轉(zhuǎn)時(shí)，扭曲舵雙舵的橫向力之和大于普通舵，這說明扭曲舵能能夠提高舵的操縱力，改善艦船的回轉(zhuǎn)性能。

在拖曳水池中通過強(qiáng)制自航試驗(yàn)測(cè)量舵力，0°舵角時(shí)舵上受力狀態(tài)與自航時(shí)基本相似，但10°舵角時(shí)，舵上的受力狀態(tài)有所不同，本文僅是通過強(qiáng)制自航試驗(yàn)對(duì)扭曲舵在打舵情況下的舵力進(jìn)行初步研究，更加深入的研究還需要通過水面船自航模舵力測(cè)量試驗(yàn)來完成。

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Study on self-propulison test of twisted rudder

GAO Feng
(Navy equipment department,Beijing 100841,China)

In order to study on hydrodynamic performance of twisted rudder,a self-propulsion test of twisted rudder is done in the towing tank.The three-component forces of twisted rudder and ordinary rudder are measured and compared with each other.The results show that transverse force on the twisted rudder is much smaller than the ordinary rudder at 0°rudder angle.It is favorable for rudder force state.The transverse force on the twisted rudder is larger than the ordinary rudder at 10°rudder angle.And the twisted rudder can improve the maneuverability of ship.

twisted rudder;propeller;three-component force;self-propulsion test

U661.3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.006

1007-7294（2015）10-1221-06

2015-08-27

高 峰（1963-），男，高級(jí)工程師，E-mail:gaofeng1009@shou.com。