一種新型高效舵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型高效舵，包括舵葉、舵桿和舵承，舵葉通過法蘭與舵桿固定連接，舵桿通過舵承與安裝在船舶內(nèi)的舵動力機構(gòu)相連接，其中舵葉表面采用粗糙化處理，舵葉的外表面上設(shè)有用于降低舵葉摩擦阻力的凹坑、凹槽和紋理結(jié)構(gòu)中的一種或多種組合。這種尾舵的舵葉可以有效地降低尾舵在水中的摩擦阻力和粘滯阻力，并且不需要安裝額外的設(shè)備，經(jīng)濟、實用、在不增加成本的前提下可以實現(xiàn)提高船舶航行速度，或者在同樣航速下降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。
【專利說明】一種新型高效舵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶上的方向控制裝置，更具體地說，涉及一種新型高效舵。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶阻力按照物理本質(zhì)分為摩擦阻力、粘滯阻力和興波阻力，其中摩擦阻力和粘滯阻力是由船體浸沒在水面下的部分與流體發(fā)生摩擦以及粘滯現(xiàn)象產(chǎn)生的，而尾舵，是一個必須在水面下工作的部分，流體在尾舵的表面不可避免地會產(chǎn)生摩擦阻力和粘滯阻力。船舶單舵阻力占裸船體的1%—2%，雙舵占裸船體阻力的3%—5%，所以舵阻力的減小可以使船舶在額定主機功率下更容易達到較高的航行速度。
[0003]為了達到這一目標，人們在各個方面做了許多努力，目前主要是采用將舵葉的橫剖面設(shè)計成流線型或者機翼型的形式，并且使舵葉表面盡可能光滑來減小其在水中受到的阻力。但是，船舶航行的時候，Re數(shù)量級能夠達到105級，遠遠大于發(fā)生邊界層分離的Re=60的要求，所以當船舶正常航行時，尾舵會發(fā)生邊界層的分離現(xiàn)象，邊界層是一個薄層，它緊靠舵葉表面，沿舵葉表面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動區(qū)域。粘性應(yīng)力對邊界層的水體來說是阻力，所以隨著水體沿物面向后流動，邊界層內(nèi)的水體會逐漸減速，增壓。由于水體流動的連續(xù)性，邊界層會變厚以在同一時間內(nèi)流過更多的低速水體。因此邊界層內(nèi)存在逆壓梯度，流動在逆壓梯度作用下，會進一步減速，最后整個邊界層內(nèi)的水體的動能都不足以長久的維持流動一直向下游進行，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離會使得阻力上升，特別是因為位在舵葉前后水體的壓強差上升，使得壓差阻力變大。即使是流線型或者機翼型的舵葉，仍然無法解決邊界層分離導致的阻力上升的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新型高效舵，這種尾舵的舵葉可以有效地降低尾舵在水中的摩擦阻力和粘滯阻力，并且不需要安裝額外的設(shè)備，經(jīng)濟、實用、在不增加成本的前提下可以實現(xiàn)提高船舶航行速度，或者在同樣航速下降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。
[0005]相應(yīng)地，本發(fā)明通過使舵葉表面粗糙化的技術(shù)手段來解決上述技術(shù)問題，這種新型高效舵，包括舵葉、舵桿和舵承，舵葉通過法蘭與舵桿固定連接，舵桿通過舵承與安裝在船舶內(nèi)的舵動力機構(gòu)相連接，舵葉的外表面上設(shè)有用于降低舵葉摩擦阻力的凹坑、凹槽和紋理結(jié)構(gòu)中的一種或多種組合。其中紋理結(jié)構(gòu)可以是斜線交錯構(gòu)成的網(wǎng)格狀紋理結(jié)構(gòu)。凹坑的深度可以在IOmm?50mm之間取值，凹坑、凹槽和紋理結(jié)構(gòu)在舵葉表面的面積率在10%?60%之間取值。
[0006]這些凹坑可以是圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑、魚鱗形狀凹坑、不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種組合，其排列方式也可以有多種。比如凹坑可以是多個形狀相同的圓形凹坑，在舵葉的外表面縱橫對齊整齊、縱橫交錯或者不規(guī)則排列；可以是多個形狀相同的橢圓形凹坑，在舵葉的外表面縱橫對齊整齊、縱橫交錯或者不規(guī)則排列；也可以是多個形狀相同的多邊形凹坑(多邊形可以包括三角形、矩形、五邊形等等)，在舵葉的外表面縱橫對齊整齊、縱橫交錯或者不規(guī)則排列。同樣的排列方式也適用于魚鱗形和不規(guī)則形狀凹坑。
[0007]除了單一形狀的凹坑，也可以是多種形式的凹坑組合，比如說圓形和多邊形凹坑混合分布，在舵葉的外表面縱橫對齊整齊、縱橫交錯或者不規(guī)則排列，同樣的混合分布和排列方式也適用于圓形和橢圓形、圓形和多邊形、圓形和魚鱗形、圓形和不規(guī)則形狀的凹坑組合，或者橢圓形、多邊形、魚鱗形和不規(guī)則形狀的兩兩組合，甚至于圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑、魚鱗形狀凹坑、不規(guī)則形狀凹坑中的三種、四種甚至五種的混合組合，這些混合組合的排列形式同樣可以是舵葉的外表面縱橫對齊整齊、縱橫交錯或者不規(guī)則排列。
[0008]凹槽可以是直線型槽或曲線型槽，彼此平行排列，或者是直線型和曲線型槽混合，平行排列，也可以采用凹槽和凹坑間隔排列的形式進行排列。
[0009]舵葉表面可以采用單一的凹坑、凹槽或者紋理結(jié)構(gòu)，也可以采用凹坑和凹槽、凹坑和紋理結(jié)構(gòu)、紋理結(jié)構(gòu)和凹槽或者凹坑、凹槽和紋理結(jié)構(gòu)的混合組合。
[0010]舵葉表面在水體中運動時的邊界層，根據(jù)局部流場的雷諾數(shù)不同，邊界層內(nèi)的流體可以分為層流或紊流。光滑的舵葉表面的邊界層內(nèi)通常是層流，而不光滑舵葉的邊界層內(nèi)的水流是紊流。紊流的邊界層受逆壓梯度的影響較小，所以不光滑的舵葉表面的邊界層的分離點相對靠后，其粘性阻力反而較光滑的舵葉更低，壓差阻力更是可以大幅度減小。[0011 ] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于:這種尾舵可以有效地推后邊界分離點，減小阻力，通常情況下，船舶航行時，雷諾數(shù)Re能夠達到105以上，遠遠大于發(fā)生邊界層分離的Re=60的要求，所以當船舶正常航行時，會發(fā)生邊界層的分離現(xiàn)象，而船舶上的減阻結(jié)構(gòu)能夠起到推遲邊界層分離點的作用，減小舵葉上的粘性阻力和摩擦阻力，降低了船舶航行時的能耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明具體實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是舵葉所受到的阻力隨航速變化柱狀圖；
[0014]圖3是具體實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4是具體實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面根據(jù)具體實施例和附圖本本發(fā)明做進一步的說明。
[0017]如圖1所示的新型高效舵，包括舵葉1、舵桿2和舵承，舵葉I通過法蘭與舵桿2固定連接，舵桿2通過舵承與安裝在船舶內(nèi)的舵動力機構(gòu)相連接，舵葉I的外表面上設(shè)有用于降低舵葉摩擦阻力的圓形凹坑3。凹坑3的深度為30mm，縱橫對齊排列在舵葉I的外表面上，凹坑3在舵葉表面的面積率是25%。
[0018]由于傳統(tǒng)習慣，人們認為越光滑的表面的摩擦阻力越小，本發(fā)明的發(fā)明人克服了傳統(tǒng)的技術(shù)偏見----粗糙的表面會增大摩擦阻力，將舵葉I的表面粗糙化，產(chǎn)生紊流的邊界層，推遲邊界分離點，提前了轉(zhuǎn)捩點，在減少舵葉受到的阻力方面，取得了良好的效果，并且在實驗中得到了證實。[0019]在實驗中，取翼長為2m，弦長為Im的流線型尾舵作為實驗對象，其中一個尾舵的舵葉表面光滑，另一個尾舵的舵葉表面有多個直徑為30mm且縱橫整齊排列的圓形凹坑，在不同液體流速(模擬航速)下進行測試，可以得到如下結(jié)果:
[0020]表1-1表面光滑的舵葉阻力隨速度變化
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種新型高效舵，包括舵葉、舵桿和舵承，舵葉通過法蘭與舵桿固定連接，舵桿通過舵承與安裝在船舶內(nèi)的舵動力機構(gòu)相連接，其特征在于:所述舵葉的外表面上設(shè)有用于降低舵葉所受阻力的凹坑、凹槽和紋理結(jié)構(gòu)中的一種或多種組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹坑為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑、魚鱗形狀凹坑、不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個，并在舵葉的外表面縱橫對齊整齊排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個，并在舵葉的外表面縱橫交錯排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個，并在舵葉的外表面不規(guī)則排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹坑的深度為IOmm ?50mmo
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹坑的面積率為10%?60%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹槽為直線型槽和/或曲線型槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效舵，其特征在于:所述凹槽的深度為IOmm?50mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效舵，其特征在于:所述紋理結(jié)構(gòu)為網(wǎng)格狀的紋理結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B63H25/38GK103910056SQ201410134720
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】王化明, 李超, 屠璐瓊, 楊秀勇, 陳俊宏 申請人:浙江海洋學院