扭曲舵強制自航舵力測量試驗研究

高峰

（海軍裝備部，北京 100841）

扭曲舵強制自航舵力測量試驗研究

高峰

（海軍裝備部，北京 100841）

在拖曳水池中進行了自航約束模舵力測量試驗，對扭曲舵和普通舵的舵力進行了測量，比較分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性。試驗結果表明，在0°舵角時，扭曲舵上的受力狀態得到明顯改善，對艦船的直航性和舵機受力是有利的。在通過打舵使艦船發生回轉時，扭曲舵不僅能使舵軸上的受力狀態得到改善，而且能夠提高舵的操縱力，改善艦船的回轉性能。

扭曲舵；螺旋槳；三分力；自航試驗

0 引 言

普通舵位于螺旋槳后面,舵面呈對稱形式，未考慮到螺旋槳引起的旋轉尾流，一方面螺旋槳尾流的能量未能充分利用，另一方面還會導致普通舵一般會產生比較嚴重的空泡現象，引起舵面空化剝蝕，空化后舵效也會明顯降低，另外，舵的空化還會產生較大的噪音，引起舵和尾部結構振動等一系列不利影響，因此研究提高舵的抗空化性能，對提高舵效和操縱性、抑制空化剝蝕、降低舵引起的振動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，提高推進效率。現在國內對扭曲舵在節能增效方面的研究進行得較多。董國祥[1]用升力面方法計算了扭曲舵的水動力性能。徐一軍[2]對扭曲舵的節能可行性進行了探討。黃勝、郭春雨、王超等人[3-6]采用面元法計算槳后扭曲舵的水動力性能，助推效率可以達到3%。劉登成[7]用CFD方法對不同扭曲舵設計方案的節能效果進行了計算比較。

近年來由于艦船向著高速化和大型化方向發展，特別是對于高速艦船，處于螺旋槳后工作的舵的振動和空化剝蝕也越來越嚴重，因此對舵性能的考慮也越來越全面。上世紀90年代美國海軍為了測試槳和舵的水動力性能和噪聲特性，進行了一項實船航行空泡觀測試驗[8-9]，實驗表明，即便是中等海況條件下保持航向航行，23 kns航速時舵表面即出現空泡，舵空化引起的空化剝蝕在后來的船塢檢修中也被證實。根據螺旋槳尾流場特點將舵設計成扭曲舵可以有效地解決舵上的空化剝蝕問題[10]，美國海軍科學辦公室在大型空泡筒中對扭曲舵與普通舵模型進行了對比實驗，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。通過實驗發現扭曲舵的水動力性能和常規舵相比有明顯的提高，扭曲舵比常規舵更不易發生空泡剝蝕，扭曲舵對于補償由推進器與船體引起的來流攻角非常有效，同時，其升力性能并不亞于常規舵，目前這種扭曲舵已經用于阿利伯克級導彈驅逐艦的至少三艘艦艇上。

國內葉金銘等人[11]對抗空化扭曲舵進行了設計，并對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行了計算比較。比較結果顯示，扭曲舵的負壓力峰值比普通舵明顯小，可以大幅提高舵的抗空化性能。計算結果還顯示，扭曲舵可以明顯減小0°舵角時舵上的橫向力和舵軸扭矩，對舵和舵機的受力是有利的。

本文在拖曳水池中進行了自航約束模舵力測量試驗，對普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進行了測量，旨在通過試驗測量的方法，分析扭曲舵的舵力特性，從而研究扭曲舵的受力狀態以及對操縱性能的影響。

1 試驗對象和試驗內容

1.1 試驗對象

試驗對象為某水面船縮尺模，該船雙槳雙舵，船模水線長為4.712m，試驗在華中科技大學船模試驗水池進行。該水池是國際船模水池會議ITTC的正式成員單位，水池尺度為：長×寬×深=175 m×6 m× 4 m。

采用三分力測力傳感器（圖1）對舵力進行測量，可以測量舵的縱向力Fx，橫向力Fz以及舵軸扭矩My。

1.2 試驗內容

試驗時船模速度為2.739 m/s，對應實船設計航速，分別對不同舵角下的舵力進行測試，實驗工況如表1所示。

1.3 試驗步驟

試驗前在拖車上固定好船模，保證船模沒有縱傾和橫傾。

1.3.1 普通舵舵力測量試驗步驟

（1）打開舵力測量記錄軟件，開始記錄；

（2）啟動全數字化測控系統，調整螺旋槳轉速雙車至1 070 rpm，操舵角為0°；

（3）開動拖車速度至2.739 m/s，保持拖車速度穩定至試驗結束；

（4）拖車回到出發點，重復步驟（1）、（2）、（3）4至5次；

（5）檢查試驗數據，如果試驗數據合理，轉入10°舵角試驗。

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

表1 舵力測量工況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 普通舵不同舵角時船尾流場Fig.4 The wake behind ship mode at different rudder angles of ordinary rudder

1.3.2 扭曲舵舵力測量試驗步驟

普通舵舵力測量完成后，吊裝船模，更換普通舵為扭曲舵，重新在拖車上固定好船模，進行舵力測量試驗，試驗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 扭曲舵不同舵角時船尾流場Fig.6 The wake behind ship mode at different rudder angles of twisted rudder

2 試驗結果及分析

在設計航速工況下，普通舵和扭曲舵在0°舵角時測量結果分別見表2和表3，表中Fx為軸向力，Fz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°舵角時舵力測量結果Tab.2 The test results of three-component force at 0°rudder angle of the ordinary rudder

表3 扭曲舵0°舵角時舵力測量結果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，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??；普通舵上的縱向力矩分別為-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，扭曲舵上的受力狀態得到明顯改善，對舵機是有利的。

10°舵角時，普通舵和扭曲舵的測量結果如表4和表5所示，表中每一個舵角的測量結果均為多次測量的平均結果。

圖7 普通舵和扭曲舵0°舵角下舵力測量比較結果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°舵角時普通舵和扭曲舵舵力測量結果比較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，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，扭曲舵雙舵產生的橫向力大于普通舵產生的橫向力。這進一步說明在通過打舵使艦船發生回轉時，扭曲舵不僅能使舵軸上的受力狀態得到改善，而且能夠提高舵的操縱力，改善艦船的回轉性能。

3 結 語

在拖曳水池中進行了直航約束模舵力測量試驗，對普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進行了測量，比較分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性，試驗結果證明，在0°舵角時，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得到明顯改善，對舵機是有利的。在通過打舵使艦船發生回轉時，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，改善艦船的回轉性能。

在拖曳水池中通過強制自航試驗測量舵力，0°舵角時舵上受力狀態與自航時基本相似，但10°舵角時，舵上的受力狀態有所不同，本文僅是通過強制自航試驗對扭曲舵在打舵情況下的舵力進行初步研究，更加深入的研究還需要通過水面船自航模舵力測量試驗來完成。

[1]董國祥.助推節能扭曲舵性能的理論預報[J].船舶,1994,6:58-63.Dong Guoxiang.The theory prediction for energy saving twisted rudder[J].Ship,1994,6:58-63.

[2]徐一軍.扭曲反應舵節能功效的可行性探討[J].船舶設計通訊,2010,125:21-24. Xu Yijun.Feasibility discussion on energy saving efficiency of twisted rudder[J].Journal of Ship Design,2010,125:21-24.

[3]祝享元,黃 勝,郭春雨,等.槳后扭曲舵的理論設計及水動力性能計算[J].哈爾濱工程大學學報,2008,29(2):126-129. Zhu Xiangyuan,Huang Sheng,Guo Chunyu,et al.Design and performance of a skew rudder behind a propeller[J].Journal of Harbin Engineering University,2008,29(2):126-129.

[4]Wang Chao,He Miao,Wang Guoliang,et al.Design and performance analysis of twisted rudder based on the maximum reduction of rudder resistance[J].Journal of Ship Mechanics,2014,18(3):238-247.

[5]郭春雨,趙慶新,吳鐵成,等.船舶附加水動力組合節能技術研究進展[J].艦船科學技術,2014,36(4):1-10. Guo Chunyu,Zhao Qingxin,Wu Tiecheng,et al.Research and development of marine hydrodynamic compounded energysaving[J].Ship Science and Technology,2014,36(4):1-10.

[6]齊博慧.扭曲舵水動力性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010. Qi Bohui.Research on hydrodynamic performance of twisted rudder[D].Harbing:Harbin Engineering University,2010.

[7]劉登成,黃國富.高效扭曲舵水動力特性數值分析[C]//第十一屆全國水動力學學術會議.中國無錫,2011. Liu Dengcheng,Huang Guofu.Numerical analysis on hydrodynamic performance of high efficiency twisted rudder of ship [C]//Proceeding of the 11th Academic Conference on Marine Hydrodynamics.Wuxi,China,2011.

[8]Shen Y T,Jiang C W,Remmers K D.A twisted rudder for reduced cavitation[J].Journal of Ship Research,1997,41(4): 260-272.

[9]Shen Y T,Remmers K D,Jian g C W.Effects of ship hull and propeller on rudder cavtation[J].Journal of Ship Research, 1997,41(4):260-272.1997,4 l(3):172-180.

[10]Koop A H,Hoiejmakers H W,Schnerr G H,et al.Design of twisted cavitating hydrofoil using barotropic flow method[C]// Sixth International Symposium on Cavitation,September,2006.Wageningen,The Netherlands,2006.

[11]葉金銘,王 威,李 淵.抗空化扭曲舵設計及力學特性研究[C]//2015年船舶水動力學會議.中國哈爾濱,2015.

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，高級工程師，E-mail:gaofeng1009@shou.com。