舵的作用原理和對舵機的要求.ppt

第八章,舵 機,第一節(jié) 舵的作用原理和對舵機的要求,8-1-1舵設備的組成和舵的類型,舵用作為保持或改變航向 舵垂直安裝在螺旋槳的后方 早期船舶采用平板舵 為了提高舵效和推進效率，目前多用由鋼板焊接而成的空心舵，稱為復板舵 這種舵由于水平截面呈對稱機翼形，故又稱流線型舵 舵的型式很多，圖81示出三種 舵葉的偏轉由操舵裝置(通常稱舵機)來控制 舵機經(jīng)舵柄1將扭矩傳遞到舵桿3上 舵桿3由舵承支承，它帶動舵葉7偏轉 舵承固定在船體上，由承及密封填料組成 舵葉還可通過舵銷5支承在舵柱8的舵托9或舵鈕6上,幾種舵,不平衡舵圖8-1(a) 舵桿軸線緊靠舵葉前緣的舵 平衡舵圖81(b) 舵桿軸線位于舵葉前緣后面一定位置的舵 半平衡舵圖81(c) 僅于下半部做成平衡型式的舵 后兩種舵在舵桿軸線之前有一定的舵葉面積，轉舵時水流作用在它上面產(chǎn)生的扭矩可以抵消一部分軸線后舵葉面積上的扭矩，從而減輕舵機的負荷,二、舵的作用原理和轉舵扭矩,正舵位置，即=0時 舵葉兩側所受的水作用力相等，對船的運動方向不產(chǎn)生影響 舵葉偏轉任一角度 ，兩側水流如圖所示 水流繞流舵葉時的流程在背水面就要比迎水面長，背水面的流速也就較迎水面大，而其上的靜壓力也就較迎水面要小 舵葉兩側所受水壓力的合力(稱為舵壓力)FN就將垂直于舵葉，作用于舵葉的壓力中心O，并指向舵葉的背水面 除FN外，水流對舵葉還會產(chǎn)生與舵葉中線方向一致的摩擦力Fr 當舵葉偏轉舵角后，在舵葉的壓力中心O上，就會產(chǎn)生一個大小等于FN與Fr合力的水作用F。,舵水作用力及其對船的影響,F可分解為與水流方向垂直的升力FL和與水流方向平行的阻力FD， FL=12CLA2 FD=12CDA2 x = Cxb 式中：CL，CD，Cx升力、阻力、壓力中心系數(shù)，其大小隨舵角而變，與舵葉幾何形狀有關，由模型試驗測定 水的密度, A舵葉的單側浸水面積， v舵葉處的水流速度 J舵壓力中心至舵導邊距離, b舵葉平均寬度,舵水作用力F對船舶運動的影響,假設在船舶重心G處加上一對方向相反而數(shù)值均等于F的力F1、F2 那么水作用力F對船體的作用 可用水作用力對船舶重心所產(chǎn)生的力矩Ms和F2的作用來代替。 由F和F1形成的力矩Ms迫使船舶繞其重心向偏舵方向回轉，稱為轉船力矩： F2則又可分解為R和T兩個分力 縱向分力R=F2sin，增加了船舶前進的阻力 橫向分力T=F2cos ，使船向偏舵的相反方向漂移 水作用力F與船舶的重心G并不在同一水平面上 船在轉向的同時，還存在著橫傾與縱傾力矩,8-1-2-2 轉船力矩與最大舵角,轉船力矩 (Ms) 式中；l舵桿軸線至船舶重心的距離 Xc舵壓力中心至舵桿軸線的距離 Ms隨舵角的增大而增大，并在達到某一舵角時出現(xiàn)極大值Mmax Ms出現(xiàn)極大值時的舵角數(shù)值，與舵葉的幾何形狀有關，并主要取決于舵葉的展弦比 ( =舵葉高度A舵葉平均寬度b) 越小, 繞流的影響就越大，即在同樣舵角上所產(chǎn)生的舵壓力越小，而達到最大轉船力矩時的舵角就越大。 舵葉的值受到船舶吃水及船尾形狀等條件限制 海船 (=22.5)， Mmax的舵角多介于3035 之間，規(guī)定35 河船 ( 1.02.0)， Mmax出現(xiàn)在35 45 舵角之間,8-1-2-2 水動力矩和轉舵扭矩,舵壓力FN對舵桿軸線所產(chǎn)生的力矩稱為舵的水動力矩，用M表示。 式中：CN，稱為壓力系數(shù)，其余符號同式(81) 轉舵扭矩M 操舵裝置施加在舵桿上的扭矩 舵勻速轉動時，轉舵扭矩M即應等于水動力矩Ma和舵各支承處的總摩擦扭矩Mf 的代數(shù)和，即 M= Ma + Mf 普通平衡舵 Mf=(0.150.20) Ma M可用經(jīng)驗公式或舵的模型試驗資料計算 公稱轉舵扭矩 指在規(guī)定的最大舵角時所能輸出的最大扭矩 它是根據(jù)船舶在最深航海吃水和以最大營運航速前進時，將舵轉到最大舵角所需要的扭矩來確定的 公稱轉舵扭矩是確定舵機結構尺寸和工作參數(shù)的基本依據(jù),8-1-2-2 綜上可見,(1)水動力矩與舵葉的面積A和舵葉處水流速度的平方成正比，并隨舵角的增大而增大 (2)不平衡舵 因X=Xc，故當船舶正航并向一舷轉舵時，水動力矩將始終為正(指與舵葉轉向相反)，而回舵時則變?yōu)樨?指與舵葉轉向相同) 平衡舵因Xc=XZ，小舵角時由于壓力中心。處于舵桿軸線的前方，故Ma為負，只有當舵角增大到某一數(shù)值之后， Ma才會因O點移到軸線之后而變?yōu)檎?8-1-2-2 綜上可見,平衡系數(shù) 舵桿軸線之前的舵葉面積A，與整個舵葉面積A之比，用X表示 X越大，舵葉的最大水動力矩越小，即舵機所需的公稱轉舵扭矩較小 但X也不宜過大，否則在常用舵角(10-20)范圍內回舵時需克服的轉舵扭矩就可能較大，從而使舵機功耗增加 一般舵的X在0.150.35之間 (3)船舶倒航時 舵葉后緣變成了導邊，壓力中心離開舵桿軸線距離增大（力臂增加） 同一舵角下倒航時的水動力矩會超過正卻時的水動力矩 但實際上倒航時的最大航速將比正航時要小得多，故倒航時的最大水動力矩不會超過正航時的水動力矩,8-1-3 對舵機的基本技術要求,是保持或改變船舶航向，保證安全的重要設備 一旦失靈，船會失去控制，甚至事故 因此，我國鋼質海船人級與建造規(guī))根據(jù)國際海上人命安全公約(SOLAS公約)的規(guī)定，對舵機提出了明確的要求 基本精神要求舵機必須具有足夠的轉舵扭距和轉舵速度 并且在某一部分萬一發(fā)生故障時，應能迅速采取替代措施，以確保操舵能力 基本技術要求如下；,8-1-3 對舵機的基本技術要求,(1)必須具有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置，或主操舵裝置有兩套以上的動力設備。當其中之一失效時，另一套應能迅速投入工作。 主操舵裝置應具有足夠的強度 能在最深吃水并以最大營運航速前進時將舵自一舷35轉至另一舷的35 自一舷的35 轉至另一舷的30所需的時間不超過28s 在船以最大速度后退時應不致?lián)p壞 輔操舵裝置應具有足夠的強度 能在最深航海吃水，并以最大營運航速的一半但不小于7kn前進時，能在不超過60s內將舵自任一舷的15 轉至另一舷的15 在主操舵裝置有兩臺以上相同動力設備符合下列條件時，也可不設輔操舵裝置 當管系或一臺動力設備發(fā)生單項故障時應能將缺陷隔離，以使操舵能力能夠保持或迅速恢復 客船，當任一臺動力設備不工作時 貨船，當所有動力設備都工作時，應能滿足對主操舵裝置的要求,8-1-3 對舵機的基本技術要求,(2)主操舵裝置應在駕駛臺和舵機室都設有控制器 當主操舵裝置設置兩臺動力設備時，應設有兩套獨立的控制系統(tǒng)，且均能在駕駛室控制 如果采用液壓遙控系統(tǒng)，除1萬Gt以上的油輪(包括化學品船、液化氣船，下同)外，不必設置第二套獨立的控制系統(tǒng) (3)對舵柄處舵桿直徑大于230mm的船應設有能在45s內向操舵裝置提供的替代動力源 這種動力源應為應急電源（獨立動力源），其容量至少應能向一臺動力設備及其控制系統(tǒng)和舵角指示器提供足夠的能源 此獨立動力源只準專用于上述目的 對1萬Gt以上的船舶，它應至少可供工作30min，對其它船舶為10min。,8-1-3 對舵機的基本技術要求,(4)操舵裝置應設有有效的舵角限位器 應設限位開關或類似設備，使舵在到達舵角限位器前停住 (5)對1萬Gt以上的油船、化學品船、LPG船尚有如下附加要求： 當發(fā)生單項故障而喪失操舵能力時，應能在45s內重新獲得操舵能力 為此 舵機可由兩個均能滿足主操舵裝置要求的獨立的動力轉舵系統(tǒng)組成 或至少有兩個相同的動力轉舵系統(tǒng) 其中任一系統(tǒng)中液壓流體喪失時應能被發(fā)現(xiàn)，有缺陷