高性能舵的發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀

黎峰，胡紅斌，李邦華，蔣曙暉

1 上海船舶研究設(shè)計院，上海201203

2 武漢船用機械有限責任公司，湖北武漢430084

0 引 言

高性能舵又被稱為“高效舵”?！案咝А币辉~的內(nèi)涵包括2 個方面：一是“效能”（effectiveness），即舵產(chǎn)生升力的能力；二是“效率”（efficiency），傳統(tǒng)意義上衡量舵效率的指標是升阻比［1］，隨著舵節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，舵效率的概念已拓展至舵對船舶推進效率的影響?！靶堋绷⒆阌诖暗牟倏v性，舵的效能越高，意味著在同樣條件下，舵能提供更大的升力?！靶省泵嫦虼暗目焖傩?，舵的效率越高，說明舵具有更高的升阻比或使船舶具有更高的推進效率。這兩個方面相輔相成，構(gòu)成了高性能舵技術(shù)發(fā)展的兩個基本方向。除此以外，空泡性能也是舵性能的重要方面。

高性能舵的發(fā)展經(jīng)歷了2 個歷史階段。第1階段是20 世紀50 年代～70 年代。這一階段以提高舵的升力性能為主要目標，其標志性技術(shù)特征是襟翼舵和魚尾舵的發(fā)明和應(yīng)用。第2 階段始自20 世紀70 年代，石油危機促使日本和德國等造船大國積極探索船舶節(jié)能技術(shù)，舵被置于船-槳-舵一體化的理念之下進行整體的節(jié)能設(shè)計，舵對推進效率的有利影響得到了充分發(fā)掘。這一階段的標志性技術(shù)特征是反應(yīng)舵、舵球舵等節(jié)能舵型的研究和應(yīng)用。2003年，德國Becker Marine Systems（BMS）公司推出的全懸掛導(dǎo)邊扭曲舵（TLKSR）作為代表性的節(jié)能型高性能舵產(chǎn)品，在業(yè)界產(chǎn)生了巨大影響。2007 年，隨著該公司的高性能舵結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)King Support Rudder（KSR）專利到期，高性能舵市場開始走向多極化，大型高性能舵進入飛速發(fā)展期。近年來，舵設(shè)計技術(shù)日益重視舵性能的平衡，一批對效能和效率進行綜合優(yōu)化、兼顧船舶操縱性和快速性的新舵型開始嶄露頭角，并受到市場的認可，這一趨勢有可能將高性能舵帶入新的發(fā)展階段。

本文將基于國內(nèi)外研究及應(yīng)用成果，從效能、效率以及空泡性能這3 個方面對高性能舵的發(fā)展和技術(shù)現(xiàn)狀展開論述，揭示影響舵性能的因素以及舵對船舶性能的影響。分別針對高效能、高效率、效能與效率綜合優(yōu)化及抗空化這4 個技術(shù)方向，介紹各種新技術(shù)及新舵型的設(shè)計理念與主要技術(shù)特點，總結(jié)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和未來趨勢，用以為高性能舵的開發(fā)設(shè)計提供借鑒與參考。

1 高效能技術(shù)

舵的流體力學本質(zhì)是低速小展弦比機翼，翼型剖面的選擇對舵的性能至關(guān)重要。NACA 00 翼型以其較低的阻力、較高的升阻比和優(yōu)良的可加工性能，成為常規(guī)翼型舵的首選翼型。但是，在舵的常用攻角范圍（±35°）內(nèi)，NACA 00 等常用翼型的升力性能并不突出，而船舶大型化趨勢和某些特殊的航行環(huán)境要求船舶具有更高的舵效能，這就推動了對升力系數(shù)更高的新翼型或其他高升力技術(shù)措施的研究。

1.1 高升力翼型

高升力對稱翼型著眼于提高翼型的速度環(huán)量，常用的高升力對稱翼型主要包括微凹翼型和凹翼型。

微凹翼型（又稱混合翼型）的代表是德國漢堡水池發(fā)布的HSVA MP71 和HSVA MP73 這2 種翼型。其中，HSVA MP73 翼型（圖1（a））的最大厚度位于距導(dǎo)邊30%弦長位置，與NACA 00 翼型一致，因此常被用作NACA 00 翼型的替代翼型。與等展弦比、等厚度比的NACA 00 翼型相比，HSVA MP73 翼型的最大升力系數(shù)約可提高5%～8%，阻力系數(shù)也存在一定幅度的增加，升阻比略低于NACA 00 翼型，但由于采用HSVA MP73 翼型進行舵設(shè)計可以減小舵面積，這對降低船舶油耗是有利的［2］。

凹翼型（又稱中空翼型）去流段的凹陷程度比微凹翼型更大，升力系數(shù)也略高于微凹翼型。凹翼型的代表是德國漢堡大學造船學院開發(fā)的IFS58，IFS61 和IFS62 系列翼型。以展弦比為1.0、厚度比為0.15 的IFS58 TR15 翼型（圖1（b））為例，與等展弦比、等厚度比的NACA 00 翼型相比，在達到失速臨界攻角之前（≤34°），相同攻角下前者的升力系數(shù)比后者大7.7%～14.2%，前者的最大升力系數(shù)比后者大12.4%［3］。Liu 等［4］通過計算流體力學（CFD）分析和模型操縱性試驗，對比了NACA系列、魚尾和IFS 系列9 種翼型的水動力性能，認為IFS 翼型在提升舵效能的同時實現(xiàn)了效能和效率的平衡。但是，IFS 系列翼型的去流段寬度收窄劇烈，限制了舵系構(gòu)件尺寸，這對舵系布置和強度不利。

圖1 HSVA MP73 和IFS58 TR15 翼型Fig.1 Profiles of HSVA MP73 and IFS58 TR15

總體而言，高升力翼型在一定程度上能提升舵的效能，對舵效率的不利影響較小，適用于大多數(shù)常規(guī)舵的設(shè)計。但其對舵效能的提升幅度有限，如需獲得更大的升力系數(shù)，還需進一步采用其他的高升力技術(shù)措施。

1.2 魚尾舵

20 世紀60 年代初，Thieme［3］對翼型舵和平板舵加形如魚尾的楔形尾進行了系統(tǒng)的水動力試驗，發(fā)現(xiàn)楔形尾可以明顯提高舵效能。西林舵（Schilling rudder）是目前應(yīng)用較廣泛的魚尾舵，其翼型剖面前部與IFS 剖面類似，最大厚度靠前，位于距導(dǎo)邊25%弦長處，具有圓鈍導(dǎo)邊，后部收細，尾部具有一個寬度為0.086 倍弦長的魚尾。圓鈍導(dǎo)邊有利于增大舵的失速臨界攻角，魚尾有利于增大兩面的壓力差，如圖2 所示。西林舵的可用舵角可達75°［5］，這對船舶的港內(nèi)操縱或狹水道低速操縱很有好處。

圖2 Becker公司的西林舵翼型剖面［6］Fig.2 Schilling rudder profile of Becker Marine Systems［6］

我國武漢理工大學研發(fā)的WZF 魚尾翼型（圖3（a））與西林舵類似。水動力試驗結(jié)果［7］表明，在常用的舵設(shè)計幾何條件下（展弦比為1.5，厚度比為0.18），WZF 魚尾翼型舵的法向力系數(shù)可達NACA 00 翼型的1.43 倍。朱文蔚等［7］針對西林舵和WZF 翼型最大厚度過于靠前不利于舵系布置、后部過窄不利于強度和加工的缺點，開發(fā)了最大厚度位于距導(dǎo)邊30%弦長處、中段為凹形、尾部帶小魚尾的JDYW 翼型（圖3（b）），其在與WZF 翼型舵相同的設(shè)計幾何條件下，舵法向力系數(shù)達到了NACA 00 翼型的1.45 倍。周軼美等［8］結(jié)合JDYW翼型和WZF 翼型優(yōu)點開發(fā)的新型高效翼型剖面，其升力性能較JDYW 翼型又有一定程度的提高。

圖3 WZF 翼型和JDYW 翼型Fig.3 Profiles of WZF and JDYW

魚尾舵的增升機理是利用楔形尾或魚尾提高翼型剖面的速度環(huán)量。常規(guī)的升力線理論或升力面理論難以精確計算魚尾舵的精確水動力性能。為此，楊建民［9］運用簡易螺旋槳理論和面元法提出了一種計算帶制流板的魚尾舵在螺旋槳尾流中水動力性能的方法，通過算例表明，帶制流板的魚尾舵可顯著改善船舶的操縱性。

總體而言，魚尾舵具有優(yōu)秀的舵效能，但效率偏低，對快速性不利。一方面，魚尾舵的阻力系數(shù)較大，Liu 等［4］的研究表明，魚尾舵的升阻比大幅低于NACA 翼型舵和IFS 翼型舵；另一方面，根據(jù)Reichel［10］的研究，魚尾舵對推進效率也存在較大的負面影響。不過，Nagarajan［11］和Hasegawa等［12］通過對超大型油船和大型汽車滾裝船在強風中航行性能的研究，得出了惡劣天氣條件下西林舵比常規(guī)舵更加節(jié)能的結(jié)論。原因是裝有西林舵的船舶具有更強的航向保持能力和偏航糾正能力，節(jié)省了因航向不穩(wěn)定而造成的燃油消耗。Suzuki等［13］對惡劣天氣、螺旋槳重載情況下的高升力舵性能進行了研究，認為高升力舵對減小船舶所需的最小推進功率有利。這些更貼近實際航行環(huán)境的觀點揭示了一個值得注意的新方向。基于類似的觀點，日本造船界新近推出了一種裝有新型魚尾舵的超大型油船設(shè)計方案［14］，這種魚尾舵在設(shè)計上盡可能控制了舵的阻力增加，同時使舵的升力相對于常規(guī)半懸掛舵提升了約10%。

1.3 制流板

端部橫向繞流是小展弦比機翼的重要流動特性。舵上、下端的橫向繞流增加了舵的誘導(dǎo)阻力，降低了舵弦長方向的有效速度環(huán)量，對舵的升力和效率都存在不利影響。在舵的端部增加制流板，是抑制橫向繞流的有效措施。

陶堯森等［15］在不同展弦比NACA 00 翼型舵的基礎(chǔ)上進行了安裝不同尺寸制流板的水動力試驗。試驗結(jié)果表明：在模型尺度下，制流板顯著提升了舵的升力系數(shù)，提升幅度超過20%，相當于增加了舵的有效展弦比。歐禮堅等［16］針對具體舵設(shè)計方案的實尺度CFD 分析也表明，制流板對最大升力系數(shù)的有利影響達到了7%左右。制流板的另一優(yōu)勢在于它在提高舵升力的同時不會引起舵桿扭矩的增加，這意味著無需額外增加舵機的能力［15］。楊建民［9］對帶制流板的魚尾舵的水動力計算結(jié)果表明，算例中的制流板對升力系數(shù)的貢獻超過了魚尾本身。

制流板是簡單經(jīng)濟的高效化技術(shù)措施，通常與其他高效化技術(shù)措施組合使用，以達到最佳效果。如西林舵、WZF 翼型舵、JDYW 翼型舵（圖4）通常都配有制流板。如果已建好的船舶出現(xiàn)舵效不佳的情況，加裝制流板也是簡易可行的補救方案。由于制流板增大了舵葉的濕表面積，引起舵摩擦阻力增加，若制流板與尾流方向存在夾角，還可能產(chǎn)生分離阻力；因此，出于控制舵阻力的考慮，設(shè)計制流板時應(yīng)注意確定適當?shù)某叽纭?/p>

圖4 帶制流板的JDYW 翼型魚尾舵Fig.4 JDYW profile rudder with swash plates

1.4 襟翼舵

船用襟翼舵起源于20 世紀中葉，在50 年代～70 年代成為了高性能舵研究的熱點。Olson［17］和Kerwin 等［18］分別基于NACA 00 翼型和NACA 66翼型對不同轉(zhuǎn)角比和襟翼比的襟翼舵進行了研究，指出了轉(zhuǎn)角比和襟翼比對襟翼舵水動力性能的影響。我國也于20 世紀80 年代對襟翼舵的水動力性能和設(shè)計技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究［19-21］。黃勝等［22］通過基于升力面理論的計算方法得出了貝克型襟翼舵的性能圖譜，為設(shè)計選型提供了參考。姚震球等［23］提出了一種三葉型的多功能特殊貝克舵，效能較常規(guī)的兩葉型貝克舵有進一步的提升。

襟翼舵的最大升力系數(shù)可達NACA 00 翼型舵的1.5～1.7 倍，對舵效的提升作用超過了其他常用的高升力技術(shù)措施。特別是襟翼舵在低速、小舵角操縱所表現(xiàn)出的高升力特性，可以大幅度提升船舶進出港和狹水道航行的機動性。這一優(yōu)越性能使其被大量應(yīng)用于各類對操縱性要求高的船舶上，如支線運輸船、公務(wù)船、科考船、油船等。

襟翼的作用使襟翼舵的水動力中心相比常規(guī)翼型舵靠后。為了降低轉(zhuǎn)舵的力臂，使轉(zhuǎn)舵中心盡可能與水動力中心接近，并且為便于舵桿布置，襟翼舵常采用最大厚度距導(dǎo)邊40%～50%弦長位置的NACA 64，66，67 系列翼型［21］（圖5）。絕大部分襟翼舵采用導(dǎo)桿傳動形式，當主舵轉(zhuǎn)動時，通過導(dǎo)桿實現(xiàn)襟翼聯(lián)動。圖6 所示為襟翼舵的襟翼傳動原理。圖中：a 為舵桿中心至傳動定位軸中心的距離；b 為舵葉弦長；c 為傳動定位軸中心至襟翼銷軸中心的距離；bs為襟翼弦長。這4 個參數(shù)在轉(zhuǎn)舵過程中的幾何關(guān)系決定了襟翼相對于主舵的轉(zhuǎn)角θ與主舵角α之比（即轉(zhuǎn)角比），以及襟翼面積與全舵面積之比（即襟翼比）這2 個襟翼舵設(shè)計的核心參數(shù)。Olson［17］指出，襟翼舵的升力系數(shù)隨轉(zhuǎn)角比或襟翼比的增大而增大。Kerwin 等［18］通過計算得出，當襟翼比從20%增加至50%時，對最大升力系數(shù)的影響不大，但會造成阻力系數(shù)激增，因此選擇適當小的襟翼比，可以使舵具有更大的升阻比。在工程實踐中，襟翼舵的轉(zhuǎn)角比一般取為1～2 之間，襟翼比取為0.2～0.3 之間。朱鋒等［24］以舵效最優(yōu)為目標，以厚度比、轉(zhuǎn)角比和襟翼比為設(shè)計變量，對一型遠洋漁船的襟翼舵進行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，最終設(shè)計方案在20°舵角以內(nèi)的升力系數(shù)較母型舵提高了15%～36%。

圖5 襟翼舵的常用翼型Fig.5 Common used profiles for flap rudder

圖6 襟翼傳動原理Fig.6 Transmission principle of flap

襟翼舵是目前效能最高的常用舵型。與魚尾舵相比，襟翼舵在零舵角時能保持相對完整流暢的翼型剖面，因而在船舶直航時，襟翼舵的阻力系數(shù)以及對推進效率的不利影響要低于同尺寸的魚尾舵。但是，襟翼舵的升力巨大，翼型剖面必須設(shè)計為具有較大的厚度比才能保證舵系的抗彎強度，而舵的厚度比越大，對推進效率越不利。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，襟翼舵的設(shè)計常常需要適當控制展弦比、拉大頂部弦長或采用變厚度比等方式來限制翼型剖面的厚度比。

2 高效率技術(shù)

舵的效率通常從舵本身的升阻比以及舵對推進效率的影響2 個方面進行衡量。這兩者分別從阻力和推進兩個方面與船舶快速性相關(guān)聯(lián)。從升阻比越大效率越高而論，常用的舵翼型中效率最高的是NACA 翼型，之后依次是HSVA 翼型、IFS翼型和魚尾翼型。這一排序與4 種翼型升力性能的排序正好相反。隨著船舶節(jié)能設(shè)計的日益精細化，深入挖掘舵對推進效率的有利影響成為高性能舵研究的側(cè)重點。

舵對推進效率的影響主要由翼型剖面和厚度比這2 個因素決定。Reichel［10］的研究表明，魚尾舵對推進效率存在負面影響，這是由于向外擴張的隨邊降低了舵面附近尾流的軸向速度分量所致。翼型剖面的最大厚度位置也是影響推進效率的重要因素，最大厚度位置相對靠后的翼型具有更尖瘦的導(dǎo)邊和更長的順壓段，這對推進效率有利，因此最大厚度位于距導(dǎo)邊40%弦長位置的NACA 64 翼型舵和HSVA MP71 翼型舵在推進效率方面要分別優(yōu)于最大厚度位于距導(dǎo)邊30%弦長位置的NACA 00 翼型舵和HSVA MP73 翼型舵。Van Beek［25］研究了舵厚度比對推進效率的影響，結(jié)果表明，在常用的舵厚度比范圍內(nèi)，盡可能小的厚度比可使推進效率提高1%～3%。出于充分節(jié)能的考慮，常規(guī)舵的設(shè)計應(yīng)在強度條件允許的情況下，選用最小的厚度比。此外，導(dǎo)邊扭曲、舵球、推力鰭等一些新的技術(shù)措施也被用于以提高推進效率為目的的舵設(shè)計。

2.1 導(dǎo)邊扭曲舵

導(dǎo)邊扭曲舵的設(shè)計理論始自20 世紀50 年代，之后一直是高性能舵研究的熱點。它的原理是通過扭曲導(dǎo)邊適應(yīng)來流方向，對尾流進行整流，抑制尾流的旋轉(zhuǎn)，增大螺旋槳的軸向誘導(dǎo)速度，產(chǎn)生附加推力，這相當于回收了尾流的旋轉(zhuǎn)動能，從而提高了推進效率。因此導(dǎo)邊扭曲舵又被稱為“反應(yīng)舵”。國內(nèi)外學者的研究［2，26-29］表明，導(dǎo)邊扭曲舵的節(jié)能效果可達1%～5%。對于大中型船舶，即使是1%的節(jié)能效果，長期來看也是十分可觀的收益。

本世紀以來，國外設(shè)計的導(dǎo)邊扭曲舵（圖7）逐漸在大中型船舶上走向?qū)嵱?，特別是航速快、燃油消耗大的大型集裝箱船已普遍將導(dǎo)邊扭曲舵作為主要的節(jié)能措施［29］。目前，我國自主研發(fā)的導(dǎo)邊扭曲舵即將邁入產(chǎn)業(yè)化階段［30］。

圖7 BMS 公司的導(dǎo)邊扭曲舵［6］Fig.7 Twisted leading edge rudder of Becker Marine Systems［6］

導(dǎo)邊扭曲舵的優(yōu)點在于它對推進效率的貢獻，但值得注意的是：楊建民等［31］的研究指出，導(dǎo)邊扭曲舵對船舶操縱性的影響很??；還有相關(guān)研究認為，導(dǎo)邊扭曲舵在某些情況下可能對操縱性產(chǎn)生不利的影響，這是因為適應(yīng)尾流方向的扭曲導(dǎo)邊使舵的有效攻角有所減小，降低了舵的升力［28］，這一特性應(yīng)在評估舵效能和計算舵強度時予以特別考慮。此外，ITTC 的一份報告［32］指出，舵葉導(dǎo)邊在螺旋槳軸中線處的不連續(xù)可能加劇螺旋槳轂渦，導(dǎo)致空泡剝蝕。目前，單純的導(dǎo)邊扭曲舵已日趨少見，越來越多的項目選擇了導(dǎo)邊扭曲舵與舵球等轂渦抑制措施相結(jié)合的組合設(shè)計。

2.2 舵 球

舵球的作用是消除螺旋槳轂渦。從能量的角度看，榖渦的旋轉(zhuǎn)消耗了一部分螺旋槳的能量；從力的角度看，榖渦在轂帽后方形成低壓區(qū)，一定程度上降低了螺旋槳的推力。因此榖渦是影響推進效率的不利因素之一。舵球的原理較直觀，即通過占據(jù)轂帽后方的空間，對槳葉根部的尾流進行整流，從而抑制轂渦的發(fā)生。

1952 年，翼型回轉(zhuǎn)體舵球Costa-Bulb 問世，獲得了平均1%的節(jié)能效果［33］。另一種常見的舵球形式是鈍頭回轉(zhuǎn)體形。日本三井造船公司開發(fā)的MIPB 舵球是這類舵球的典型代表。它的特點是與轂帽外形綜合設(shè)計，形成完整的流線體，進一步填充了二者之間的空隙，使節(jié)能效果提高到2%～4%［34］。圖8 所示為上述兩種典型的舵球形式。

圖8 兩種典型的舵球形式Fig.8 Two typical types of rudder bulb

近年來，日本著名的推進器制造商中島公司開發(fā)了一種名為“Ultimate Rudder”的新型舵球（圖9）。CFD 分析及模型試驗表明，該舵球的節(jié)能效果十分可觀，達到了4.9%～5.4%［35］。W?rtsil?和Rolls-Royce 等國際知名船舶推進系統(tǒng)提供商也推出了類似的高效舵球設(shè)計方案（圖10）。

圖9 中島公司的“Ultimate Rudder”［31］Fig.9 Nakashima“Ultimate Rudder”［31］

圖10 Rolls-Royce 公司的舵球設(shè)計方案［36］Fig.10 Rudder bulb design solution of Rolls-Royce［36］

舵球前端距轂帽后端的空隙、舵球最大直徑與槳葉直徑的比值是舵球設(shè)計的關(guān)鍵因素。前者在不影響舵布置和螺旋槳拆裝的前提下應(yīng)盡可能??；后者需根據(jù)船體、舵、槳的匹配設(shè)計來確定，陳雷強等［37］的研究認為0.18～0.2 是比較合理的取值區(qū)間。

根據(jù)漢堡水池的試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前比較公認的舵球節(jié)能效果在2%左右［2］。舵球既可以與常規(guī)舵組合設(shè)計，也可以與其他高性能舵組合設(shè)計，特別是帶舵球的導(dǎo)邊扭曲舵（圖11）已成為應(yīng)用十分廣泛的高效率組合舵型。根據(jù)文獻［2］公布的數(shù)據(jù)，BMS 公司的帶舵球的導(dǎo)邊扭曲舵產(chǎn)品經(jīng)模型試驗驗證獲得了4%的節(jié)能效果。但舵球的不利因素在于它緊挨螺旋槳轂帽，對螺旋槳拆卸會造成阻礙，安裝有舵球的船舶通常配置可轉(zhuǎn)舵至60°以上的舵機或采用可拆式舵球結(jié)構(gòu)，以避免直接將舵球割除。

圖11 帶舵球的導(dǎo)邊扭曲舵Fig.11 Twisted leading edge rudder with a rudder bulb

2.3 舵附推力鰭

舵附推力鰭是安裝在舵葉左、右側(cè)的兩片“機翼”，如圖12 所示，其安裝高度與螺旋槳軸線高度一致。當尾流以一定的攻角流經(jīng)推力鰭時，鰭面可產(chǎn)生向前的附加推力，相當于增加了推進系統(tǒng)的總推力。從能量的角度看，舵附推力鰭的節(jié)能原理與導(dǎo)邊扭曲舵類似，也是一種回收尾流旋轉(zhuǎn)動能的技術(shù)措施。

圖12 一種典型的舵附推力鰭［38］Fig.12 A typical rudder thrust fin［38］

推力鰭通常與其他舵節(jié)能措施組合使用，常用的組合方式有：推力鰭與舵球組合（即“舵球鰭”）、推力鰭與導(dǎo)邊扭曲舵組合、推力鰭與帶舵球的導(dǎo)邊扭曲舵組合等。推力鰭與導(dǎo)邊扭曲舵的組合使舵具有更好的尾流旋轉(zhuǎn)能量回收能力，加入舵球后，還可以使榖渦能量得到有效回收。根據(jù)設(shè)備廠商公開的數(shù)據(jù)［33］，韓國大宇造船公司建造的一艘裝有舵球鰭的大型集裝箱船實現(xiàn)了3%的平均節(jié)能效果。韓國現(xiàn)代重工設(shè)計的一型舵附推力鰭的節(jié)能效果達4%［2］。另外兩項針對具體設(shè)計方案的研究指出：一種安裝了推力鰭的導(dǎo)邊扭曲舵使一型金槍魚漁船的推進效率提高了2%～3%［39］；另一種推力鰭與帶舵球的導(dǎo)邊扭曲舵的組合方案使一型大型集裝箱船的推進效率提高了2.95%［28］。

為了得到更大的附加推力，舵附推力鰭一般采用不對稱剖面翼型。鰭面拱度方向和安裝角度視兩側(cè)來流的不同方向而定。由于舵附推力鰭翼展較大，容易鉤掛異物，有可能帶來額外的維護成本，這是限制其廣泛應(yīng)用的不利因素。

3 效能與效率綜合優(yōu)化技術(shù)

從上文的介紹可以看到，高升力的技術(shù)措施或多或少地伴隨著舵效率的犧牲，而舵效率的提升一般無益于提高舵的升力。過于偏重舵性能的某一方面都可能帶來船舶性能的損失。陳偉民等［40］針對操縱性在船舶設(shè)計中的應(yīng)有位置進行了分析論證，認為將操縱性放在過高或過低的位置均不確切。Ahn 等［41］對導(dǎo)邊扭曲舵的研究表明，隨著導(dǎo)邊扭曲角度的增加，舵的法向力將會降低，對操縱性產(chǎn)生不利影響。常規(guī)舵的設(shè)計通過加大舵葉展弦比和降低舵葉厚度比，可以在一定程度上同時優(yōu)化舵的效能和效率，但這種做法的優(yōu)化空間較有限，而且可能導(dǎo)致舵的失速臨界攻角提前。不過，對于絕大部分船舶而言，極端優(yōu)秀的操縱性不是必須的，快速性也并非唯一看重的性能指標。因此，在舵的效能與效率之間進行折中或使二者相互補償，可能是更現(xiàn)實和更具吸引力的解決方案。在常用的舵翼型中，HSVA 翼型堪稱效能和效率折中優(yōu)化的典范，它以較小的效率代價換取了可觀的效能收益，在空泡、布置方面也達到了較好的平衡。其他的一些新技術(shù)措施也可以達到相近的甚至更好的效果。

3.1 直尾舵

大部分舵翼型的尾端線型是以一定的銳角收縮至隨邊，魚尾舵的尾端線型則是先收縮至接近隨邊處，然后再向外擴張至隨邊。直尾舵的幾何是二者之間的一種過渡類型，它的尾端線型是先收縮到一個較窄的寬度，而后平直延伸至隨邊，如圖13所示。

圖13 一種直尾舵翼型剖面Fig.13 A flat tail profile

從性能來看，直尾舵可以視為常規(guī)翼型舵和魚尾舵的折中。相比于常規(guī)翼型舵，直尾設(shè)計增大了對來流的偏折，在一定程度上提升了舵的升力性能。相對于魚尾舵，直尾舵對來流的偏折幅度雖然略低，但避免了魚尾外擴對阻力和推進效率的不利影響。歐禮堅等［42］的研究表明，直尾舵的升力性能優(yōu)于常規(guī)翼型舵，低于魚尾舵；效率高于魚尾舵，低于常規(guī)翼型舵。

由于直尾部分的寬度狹窄，加工制造較困難，隨邊區(qū)域常需采用非常規(guī)的結(jié)構(gòu)連接形式。此外，隨邊區(qū)域的局部強度也是需要特別注意的問題。

3.2 隨邊扭曲舵

隨邊扭曲舵是德國BMS 公司推出的一種較新的折中性質(zhì)的舵型［6］。扭曲的隨邊將舵分為上、下兩個部分，扭曲方向視螺旋槳旋向而定。對于與右旋槳配合的隨邊扭曲舵，舵上部的隨邊向右扭曲，舵下部的隨邊向左扭曲。隨邊向右扭曲的翼型剖面右半邊為魚尾翼型，而左半邊則為正常翼型，如圖14 所示。

圖14 BMS 公司的隨邊扭曲舵［6］Fig.14 Twisted trailing edge rudder of Becker Marine Systems［6］

隨邊扭曲舵的主要設(shè)計理念是：

1）舵上部和下部各只有半邊魚尾，阻力相對于魚尾舵可以顯著降低；

2）螺旋槳的周向誘導(dǎo)作用使尾流旋轉(zhuǎn)，將正常翼型的一側(cè)迎向旋轉(zhuǎn)來流方向，魚尾翼型的一側(cè)背向旋轉(zhuǎn)來流方向，推進效率相對于魚尾舵可以得到改善。

圖15 所示為隨邊扭曲舵的扭曲方向示意圖。

圖15 隨邊扭曲舵的扭曲方向Fig.15 Twist direction of a twisted trailing edge rudder

盡管只有半邊魚尾，隨邊扭曲舵仍具有較好的升力性能，其最大升力系數(shù)比NACA 00 翼型舵高出約10%，如端部安裝一定尺寸的制流板，其最大升力系數(shù)可達到NACA 00 翼型舵的1.15 倍以上。隨邊扭曲舵較大程度地保留了魚尾舵在航向保持能力和低速操縱能力方面的優(yōu)勢，而半邊魚尾則使得其效率較魚尾舵有可觀的提高，常被認為是舵效能和效率取得最佳平衡的舵型，目前在集裝箱船、多用途船、液貨船上已經(jīng)有了一些應(yīng)用。

3.3 新型組合舵

新型組合舵的目的是利用不同技術(shù)措施的優(yōu)缺點，使之在性能上相互補償，達到舵效能和效率的綜合平衡。

目前常見的組合方式有：帶舵球的襟翼舵、帶舵球的導(dǎo)邊扭曲襟翼舵（圖16）、帶舵球的隨邊扭曲舵等。帶舵球的襟翼舵一方面通過襟翼獲得高升力，另一方面通過舵球回收轂渦能量，以彌補一部分因襟翼舵大厚度比舵葉損失的推進效率。張大有等［43］對襟翼舵加裝舵球的特殊性、節(jié)能效果和設(shè)計技術(shù)進行了研究，所給出的設(shè)計方案使螺旋槳敞水效率提高了3.3%。帶舵球的導(dǎo)邊扭曲襟翼舵除了回收轂渦能量外，還能沿整個導(dǎo)邊回收一部分尾流旋轉(zhuǎn)動能，進一步提高推進效率。帶舵球的隨邊扭曲舵則是用舵球的節(jié)能收益來補償扭曲隨邊造成的阻力增加。以一型采用帶舵球的隨邊扭曲舵的集裝箱船為例，模型試驗顯示，隨邊扭曲舵對船舶快速性產(chǎn)生了1.8%的不利影響，但加裝專門設(shè)計的舵球后，船舶的推進效率提升了2.0%［44］。這意味著無需付出額外的能量損失就獲得了優(yōu)良的操縱性，這對用戶來說無疑是非常具有吸引力的?？梢灶A(yù)見，新型組合舵仍將是未來高性能舵發(fā)展的重點領(lǐng)域。目前，國際上主要的高性能舵提供商都開發(fā)了新型組合舵產(chǎn)品系列。圖17 所示為W?rtsil?公司的Energopac 型帶舵球的襟翼舵和Propac 型高效組合舵。后者是一種帶大型固定式舵球結(jié)構(gòu)的高效襟翼舵，根據(jù)文獻［2］公布的試驗數(shù)據(jù)，其整體節(jié)能效果可達6%。固定式舵球的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)舵時仍能保持效用且不會造成舵阻力的增加。

圖16 BMS 公司的帶舵球?qū)н吪で笠矶妫?］Fig.16 Flap rudder with twisted leading edge and a rudder bulb of Becker Marine Systems［6］

圖17 W?rtsil?公司的Energopac 和Propac 型組合舵［38，45］Fig.17 Energopac and Propac combined rudders developed by W?rtsil?［38，45］

組合舵的性能與船體、螺旋槳密切相關(guān)。其設(shè)計特點是需要根據(jù)具體的船舶特征，綜合考慮船體、螺旋槳、舵在船尾流場中的相互作用，運用CFD 方法或試驗方法，與船體、螺旋槳進行匹配設(shè)計，得出最優(yōu)方案。

3.4 舵設(shè)計方案的選擇

在船舶總體設(shè)計過程中，舵的選型和設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體船舶的總體性能要求，采用具有針對性的設(shè)計方案，實現(xiàn)舵效能和效率的有機統(tǒng)一。

對于采用常規(guī)舵型的船舶，合理選用高性能的舵翼型，可以在操縱性或快速性方面獲得可觀的收益或良好的平衡。例如：IFS 系列翼型舵以其高升力和大失速角特性可有效提升低航速船舶的操縱性；HSVA MP73 翼型在效能、效率和加工性能方面實現(xiàn)了較好的均衡，適合作為大量低航速或中等航速船舶的舵設(shè)計；HSVA MP71 翼型具有尖瘦導(dǎo)邊，最大厚度位置偏后，其作為中、高航速船舶的舵翼型，對提高推進效率有利。Rolls-Royce 公司的CB，CM，CS 系列翼型分別與上述IFS，HSVA MP73，HSVA MP71 翼型具有相近的水動力性能和船型適用性［36］，圖18 反映了這3種翼型舵對船舶性能的綜合影響及適用性，可以作為總體設(shè)計階段舵設(shè)計方案選擇的參考。

圖18 Rolls-Royce 公司的CB，CM 和CS 翼型舵的性能和適用性［36］Fig.18 Performance and applicability of Rolls-Royce CB，CM and CS profile rudder［36］

對于采用高性能舵設(shè)計的船舶，可以根據(jù)航行需求選擇不同的組合舵設(shè)計方案。例如：方形系數(shù)大、應(yīng)舵遲緩的大型運輸船舶可選取魚尾舵和隨邊扭曲舵作為基礎(chǔ)舵型，以此提高舵效能，同時通過舵-槳匹配設(shè)計，設(shè)置合理尺寸的舵球，獲取更高的推進效率；對海上機動性要求高或頻繁進出狹窄水道的中、小型船舶，可將高效能的襟翼舵作為基礎(chǔ)舵型，同時采用導(dǎo)邊扭曲、舵球等高效率技術(shù)措施；而對于大、中型集裝箱船等方形系數(shù)小、航速高的船型，效率因素應(yīng)優(yōu)先于效能因素，可采用導(dǎo)邊扭曲、舵球、舵附推力鰭等高效率技術(shù)措施進行全面的節(jié)能設(shè)計。

4 抗空化技術(shù)

舵空泡對舵的水動力性能、振動和結(jié)構(gòu)安全都存在不利影響。舵空泡發(fā)生與否，主要取決于來流速度、舵的浸深和舵的空泡性能。來流速度越大、舵的浸深越小的船舶，越容易產(chǎn)生空泡。因此，航速較高的集裝箱船、客船、滾裝船以及軍用艦船尤其需要關(guān)注舵的空泡剝蝕問題。隨著部分船型向大型化和高速化的方向發(fā)展，舵的空泡性能已成為舵性能的重要組成部分。

4.1 抗空化翼型

抗空化翼型設(shè)計的焦點是如何降低舵面的低壓峰值并使低壓峰區(qū)變得平緩。大厚度比的翼型剖面對來流的加速效應(yīng)明顯，不利于降低低壓峰值；最大厚度位置過于靠前的翼型剖面將使低壓峰區(qū)集中在導(dǎo)邊附近，更容易產(chǎn)生空泡。以改善空泡性能為目標的舵設(shè)計應(yīng)避免采用具有上述兩種特征的翼型剖面，亦即，應(yīng)采用厚度比盡可能小、最大厚度適當靠后的翼型剖面。

鄧鴻等［46］的研究指出，常用的NACA 00 翼型在導(dǎo)邊附近存在一個陡峭的低壓峰區(qū)，面對高速來流時空泡性能欠佳；最大厚度距導(dǎo)邊40%弦長的HSVA MP71 翼型較好地改善了翼面的壓力分布，它的低壓峰區(qū)平緩地分布于距導(dǎo)邊5%～50%弦長范圍內(nèi)。最大厚度同為距導(dǎo)邊40%弦長的NACA 64翼型也具有相近的壓力分布情況［47］。這2種翼型常被用于高航速船舶的舵設(shè)計。圖19 所示為零攻角情況下NACA 00 和NACA 64 翼型應(yīng)用于同一種舵型的壓力分布CFD 計算結(jié)果。由圖可以看出，NACA 64 翼型具有更小的低壓峰值及更平緩的壓力分布。此外，最大厚度位置更為靠后、以延長順壓區(qū)為目的的“層流翼型”（如NACA 66和NACA 67），也適用于提升舵的抗空化性能。但是上述4 種翼型與常規(guī)翼型相比，其失速臨界攻角較小，最大升力系數(shù)較低，壓力中心偏后，采用此類翼型進行舵設(shè)計時，需特別注意其對舵力和舵桿扭矩的不利影響。

4.2 抗空化扭曲舵

圖19 NACA 00 與NACA 64 翼型壓力分布的比較Fig.19 Comparison of pressure distribution between NACA 00 and NACA 64 profiles

以節(jié)能為目的的導(dǎo)邊扭曲舵同時也能改善舵的空泡性能。扭曲的導(dǎo)邊與舵上部、下部的來流方向相適應(yīng)，減小了來流攻角，使導(dǎo)邊附近的壓力分布更加均勻，削平了滋生空泡的壓力峰區(qū)。Ahn 等［41］提出了一種名為X-Twisted 的新型導(dǎo)邊扭曲舵，如圖20 所示，從正前方看去，這種舵的導(dǎo)邊呈一條傾斜的直線。對不同導(dǎo)邊傾斜角度的X-Twisted 舵方案進行了空泡試驗，結(jié)果表明：在試驗設(shè)定的條件下，直立導(dǎo)邊的舵在舵角達到18°時會出現(xiàn)明顯的空泡；隨著導(dǎo)邊傾斜角度增加，空泡程度逐漸減弱；當導(dǎo)邊傾斜角度達到6.5°時，空泡基本消失。但導(dǎo)邊傾斜角度增加的過程伴隨著舵法向力的下降，其對船舶操縱性的影響是負面的。

圖20 X-Twisted 導(dǎo)邊扭曲舵［41］Fig.20 X-Twisted rudder［41］

另一種新型的抗空化扭曲舵是由美國海軍推出的一種特殊設(shè)計的扭曲舵。20 世紀90 年代，美國海軍針對“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦的舵空泡剝蝕情況（圖21）啟動了一項提升舵空泡性能的研究，旨在通過發(fā)展數(shù)值計算能力來預(yù)測螺旋槳-舵的相互作用，并形成新的舵設(shè)計方法［48］。這項研究的成果之一就是開發(fā)了一種新型的抗空化扭曲舵，如圖22 所示。

圖21 “阿利·伯克”級驅(qū)逐艦舵葉空泡剝蝕情況［42］Fig.21 Cavitation erosion of rudder of DDG 51 class destroyer［42］

圖22 “阿利·伯克”級驅(qū)逐艦改裝的抗空化扭曲舵［48］Fig.22 The updated anti-cavitation twisted rudder of Arleigh Burke class destroyer［48］

從船中線位置看，這種舵的隨邊向外扭曲成曲線，左、右舵對稱布置。舵葉剖面的扭曲方向和幅度根據(jù)該處的來流方向匹配設(shè)計，使之適應(yīng)來流的攻角。舵葉剖面的外側(cè)線型相對內(nèi)側(cè)較為平緩，在舵中部附近，剖面扭曲幅度達到最大，而舵葉外側(cè)線型則趨于最緩。這樣的設(shè)計有助于減小外旋槳流場中舵葉外側(cè)的低壓峰值，與“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦舵葉外側(cè)中部的空泡剝蝕區(qū)域相對應(yīng)。葉金銘等［49］對同類舵型的研究表明，舵面的低壓峰值和普通舵相比明顯減小。這種抗空化扭曲舵最先在DDG 84 上進行了驗證應(yīng)用，達到了預(yù)期的抗空化效果。按照計劃，DDG 103～DDG 122也將改裝這種舵。

4.3 抗空化裝置

舵空泡除了形成于舵面的局部低壓峰區(qū)外，還常見于舵葉端部。其成因是舵葉端部存在顯著的三維效應(yīng)，產(chǎn)生強烈的流動分離，從而形成空泡。制流板可以在一定程度上阻斷端部繞流，這對抑制端部空泡是有利的。圖22 所示的“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦改裝的抗空化扭曲舵即帶有一個與制流板類似的端部空泡抑制裝置。Brehm 等［50］通過CFD 仿真研究，也印證了制流板對于優(yōu)化舵葉端部壓力分布的作用。

在半懸掛舵舵葉與掛舵臂之間的垂直和水平間隙處容易發(fā)生十分嚴重的空泡剝蝕情況。Lücke 等［51］運用CFD 分析方法和模型試驗對超大型半懸掛舵的空泡性能進行了研究，結(jié)果表明，即使不考慮螺旋槳的作用，高速來流在舵與掛舵臂之間的垂向和水平間隙處發(fā)生的嚴重脈動和流動分離也極易造成空泡剝蝕。因此，高航速船舶半懸掛舵的設(shè)計應(yīng)采取技術(shù)措施減小間隙，盡可能保持翼型剖面的完整性。

目前，最常用的間隙填補技術(shù)措施是在間隙處焊接不銹鋼條［46］，使之填補一部分間隙區(qū)域。Paik 等［52］通過對間隙入口處的剖面形狀進行優(yōu)化設(shè)計，有效延遲了間隙空泡發(fā)生的最小航速并降低了空泡強度。但由于受舵葉轉(zhuǎn)動和安裝焊接空間的限制，上述兩種技術(shù)措施難以完全覆蓋間隙區(qū)域。Oh 等［53］發(fā)明的一種間隙流動控制裝置較好地解決了這一問題。這種裝置的主要部件是一種可動式擋塊，擋塊可安裝在掛舵臂或舵葉一側(cè)，與舵葉或掛舵臂接觸，接觸面設(shè)計成凸輪機構(gòu)，隨著舵葉的轉(zhuǎn)動，凸輪機構(gòu)使擋塊緊貼接觸面，間隙得以充分封閉，如圖23 所示。由于阻斷了舵葉吸力面和壓力面之間的聯(lián)通，這種間隙流動控制裝置對提高舵的升力也是有益的。

圖23 間隙流動控制裝置［42］Fig.23 The gap flow control device［42］

5 結(jié) 論

本文從效能、效率和空泡性能這3 個方面對高性能舵的發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀進行了綜述，得出如下主要結(jié)論：

1）舵的性能與船舶性能密切相關(guān)，根據(jù)船舶性能的實際需求，應(yīng)用高效能或高效率技術(shù)措施進行舵設(shè)計，可有效提升船舶的操縱性或快速性；

2）舵的效能和效率是相互制約、相輔相成的兩個方面，過于偏重某一方面都可能帶來另一方面的損失；

3）對舵的效能和效率進行綜合優(yōu)化，兼顧船舶的操縱性和快速性，已逐漸成為舵設(shè)計技術(shù)發(fā)展的重要方向；

4）集裝箱船、客船、滾裝船以及軍艦等航速較高的船舶應(yīng)關(guān)注壓力分布、端部分離和間隙流動對舵空泡性能的影響。

高性能舵的未來發(fā)展呈現(xiàn)出如下技術(shù)趨勢：

1）舵對船舶操縱性和快速性的綜合影響將受到更大的重視，以航行需求為導(dǎo)向，追求效能和效率的有機統(tǒng)一將是舵設(shè)計的主要目標，而各種形式的組合舵有望成為高性能舵技術(shù)和市場發(fā)展的重點領(lǐng)域。

2）舵設(shè)計將更多地納入到針對每個具體項目的船-槳-舵一體化設(shè)計的范疇之中，舵的效能和效率將得到更加精細化地挖掘，“單獨的”和“標準的”舵設(shè)計模式或?qū)⒅鸩匠蔀闅v史，取而代之的是“綜合的”和“定制化的”舵設(shè)計模式。

3）航行環(huán)境對船舶性能的更高要求將成為高性能舵設(shè)計的重要考量，即在常規(guī)考慮靜水條件下的船舶性能之外，風浪條件下舵對船舶操縱性和快速性的綜合作用機制將受到越來越多的關(guān)注，這也正是在面向?qū)嶋H航行環(huán)境的船舶性能研究及船型開發(fā)漸成學界和業(yè)界共識的背景之下的一個重要側(cè)面。