舵压力

船舶工程名词

舵压力（rudder pressure）是在水流对舵叶有冲角时，迎流面和背流面水动力的差值。它是操纵船舶转向和稳向的主要作用力。影响舵压力的大小因素有很多，在极限舵角(满舵)范围内，舵压力与舵角、舵叶面积、舵叶面流速的平方成正比。

简介

水流与舵叶水平剖面中心线存在一夹角(冲角)时，在舵叶的迎流面和背流面产生的水动力差值。舵压力是操纵船舶改变或保持航向的主要作用力。舵未转动时处于中央位置，由于左右两边流线对称，不产生舵压力。当舵转动某一角度之后，由于流线发生变化，从而舵面上各点的流速也发生变化，结果产生舵压力。

对于平板舵而言，舵角约35度时舵压力转船力距最大，通常将之定为满舵角。流线型满舵角为32度，一般内河船舶的满舵舵角在35度到45度的之间。作用于舵叶面的流速由船速、伴流速度和螺旋桨尾流速度合成，停船时的船速，伴流速度和螺旋桨尾流速度均为零，不产生舵压力；进车后所产生的螺旋桨尾流对舵起作用，当舵转至某一舵角后开始有舵效，随着船速的增加，舵压力逐渐增大。航进中停车后，螺旋桨尾流速度为零，只有淌航中的船速和伴流对舵起作用，舵压力大大下降，当船速下降到某值时，舵压力就会消失。倒车后退时，船尾伴流极小，仅有后退船速和螺旋桨来流对舵起作用，此时的舵压力要比正车前进时的舵压力小得多，故倒车后退时的舵效要比进车进舵时的舵效差得多。

产生原理

如图1所示，当舵叶以某一舵角δ(这里所说的舵角是指敞水舵的舵角，即是攻角或冲角，与驾驶台舵角指示器所指机械舵角不完全一样)对水以相对速度做相对运动时，在舵的周围，除有平行于运动方向的平行水流外，还有由于操舵而产生环绕舵叶的附加水流。因此，在舵的迎流面由于平行流与附加流二者间的流向相反而使流速减小、压力增加，图中以正(+)表示，在舵的背流面，由于平行流与附加流二者间的流向相同，而使流速增加，压力减小，图中以负(-)表示。这样，在舵叶的两面出现垂直于流速方向的升力Py和平行于流速方向的阻力Px，升力Py和阻力Px的矢量和PR称为舵叶的水动力，把PR分解在垂直弦线(舵叶两端点的连线)的分力PN，称为舵压力，分解在舵叶弦线上的分力Pt称为摩擦力。

影响因素

流体现象

1、失速现象

随着舵角逐渐增大，当舵角增加到某一数值时，舵叶的背流面就会出现涡流，压力增大，使舵叶迎流面与背流面的压力差减小，舵压力骤然下降，出现失速现象。出现失速现象时的舵角，称为失速舵角或临界舵角或极限舵角。

2、空泡现象

当舵的背流面压力下降到或接近于该温度下的汽化压力时，在舵的背面将产生气泡，使舵压力下降的现象。这种现象出现在大舵角时或高速船上，尤其是剖面形状前端曲率大的舵更易发生。但它不像失速现象那样显著。

3、空气吸入现象

在舵的前面吸入空气，产生涡流使舵压力下降的现象称为空气吸入现象，在舵接近水面或一部分露出水面且速度较大的情况下，容易发生此现象。

尺度、形状

①舵叶展弦比的影响

展弦比，对矩形舵而言，是指舵高(翼展)与舵宽(弦长)的比值；对非矩形舵而言，是指舵高的平方与舵面积的比值。展弦比小，从舵叶迎流面而来的水流就会从舵的上端和下端进入舵叶背流面，形成绕流，致使舵叶两侧压力差减小，舵压力降低；展弦比越大，小舵角时的升力越大，有利于运用小舵角操纵船舶。但是展弦比过大将引起过早失速，使极限舵角变小，而不利于大舵角回转运动。其次，内河船舶的舵叶高度因受到船舶吃水限制，一般展弦比较小，舵的外形做得矮而宽，易产生绕流，故舵压力也较小，特别在小舵角时的舵压力不大，因而应舵时间(即从操舵开始至船首开始转动时止的时间间隔，称为应舵时问)也较长。因此，内河船常设置2～3面舵，每一舵面积相应减小，以提高展弦比，同时在舵的上、下端设挡板，减少舵上、下端的绕流，增加舵压力。

内河船舶舵叶的展弦比一般在1～2时，其失速角为20度～30度，考虑舵叶的翼栅效应和回转时船尾漂角较大，故机械极限舵角常达35度，内河船有的达45度。

②舵叶外形的影响

一般舵叶外形对舵压力的影响并不显著。确切地说，这种影响只有当舵安装在船尾，且船尾与舵之间的间隙较大时，才会造成一些不利的影响。

③舵叶剖面形状的影响

舵叶的剖面形状一般有平板形和流线型两种。由于流线型舵的外形符合水流流线的运动规律，在正常舵角下不致出现涡流，因此，它产生的舵压力大些，而且在小舵角时便产生较大的舵压力，应舵时间短，水阻力也比平板舵小20%。目前绝大多数船舶采用流线型舵。

流线型舵是左右对称的机翼形状，如图2所示，它的最大厚度距前缘30%舵宽处。从阻力角度来看，舵角小于15度时，舵的厚度越厚则阻力增加越快；舵角大于15度后，厚度越薄，阻力反而增加很快。舵叶厚度与宽度之比称为厚宽比，舵的厚宽比在18%～20%时，舵产生的舵压力最大。因此，在单螺旋桨船上，宽度舵的厚宽比一般取15%~18%；在双螺旋桨船上，具有下支承的中舵一般取15%，半平衡舵一般取9%，悬挂式舵弯矩较大厚宽比一般在20%。

④舵面积的影响

船舶方向性能的优劣与舵面积的大小关系密切，舵压力的大小与舵面积成正比，旋回性能好的船舶均具有较大的舵面积。但过大地增加舵面积是不合理的，一方面增加船舶航行阻力和舵机功率；另一方面还将增加船舶吃水。在实践中，合理的舵面积和形状通常用试验办法来确定，主要以操纵性能良好的船舶的舵面积系数作为估计合理舵面积及其形状的依据。

舵面积系数是指舵叶中纵剖面面积与船体中纵剖面浸水面积的比值。舵面积系数随船舶类型、尺度和船速而异。内河船舶中舵舵面积系数最小的是双桨客货船(深宽航道)为2.1%～5.0%，其他船舶舵面积系数一般都在3.0%以上，舵面积系数最大的是内河推船，达6.0%～11.0%，如图3所示。

其他因素

舵压力的大小除与上述因素有关外，还与螺旋桨尾流、船体伴流、船尾形状、船速及冲角等有关。

①船体干扰及船尾形状对舵压力的影响

当船尾的舵转动到某一舵角时，舵周围所产生的压力变化波及船体的尾部，使船尾两侧产生压力差，其方向与舵升力的方向相同，增加了转船力矩，同时，船尾的压力也增加了舵压力，提高了舵效，所以，船体和舵之间是互相干扰的。这种流体力学上相互干扰的结果将使舵压力比单独舵所产生的舵压力提高20%～30%，而且，船体与舵之间的间隙越小，这种效果越显著。在实用上，往往将舵上缘做成与船尾底部线型相吻合，以便使间隙尽可能小。

②伴流对舵压力的影响

船舶在航行中，船体周围有部分伴随船舶航行运动的水流称伴流，其速度称为伴流速度。伴流速度越大，舵叶对水相对速度越低。舵效越差试验表明：单桨单舵船，受伴流影响后的舵压力只有敞水舵的0.35~0.46倍，双桨单舵船只有0.39~0.60倍，所以船舶驶向锚地过程中下令停车，在螺旋桨停转的瞬间，船舶虽然仍有相当大的速度，却受伴流的影响而很快失去舵效。特别是顶推船队，因其伴流大，该现象更为显著。

③螺旋桨尾流中诱导速度对舵压力的影响

安装在螺旋桨后方的舵叶，受到螺旋桨尾流诱导速度的影响，尾流中诱导速度加大舵叶的对水相对速度，增加舵压力，舵效较好。实验表明，单桨单舵船船尾舵压力比单独舵增加2.40～2.58倍；双桨单舵船因为舵受螺旋桨尾流诱导速度影响较小，所以船尾舵的舵压力比单独舵的舵压力只增加0.93～1.11倍。

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