扭曲舵强制自航舵力测量试验研究

高峰

（海军装备部，北京 100841）

扭曲舵强制自航舵力测量试验研究

高峰

（海军装备部，北京 100841）

在拖曳水池中进行了自航约束模舵力测量试验，对扭曲舵和普通舵的舵力进行了测量，比较分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性。试验结果表明，在0°舵角时，扭曲舵上的受力状态得到明显改善，对舰船的直航性和舵机受力是有利的。在通过打舵使舰船发生回转时，扭曲舵不仅能使舵轴上的受力状态得到改善，而且能够提高舵的操纵力，改善舰船的回转性能。

扭曲舵；螺旋桨；三分力；自航试验

0 引 言

普通舵位于螺旋桨后面,舵面呈对称形式，未考虑到螺旋桨引起的旋转尾流，一方面螺旋桨尾流的能量未能充分利用，另一方面还会导致普通舵一般会产生比较严重的空泡现象，引起舵面空化剥蚀，空化后舵效也会明显降低，另外，舵的空化还会产生较大的噪音，引起舵和尾部结构振动等一系列不利影响，因此研究提高舵的抗空化性能，对提高舵效和操纵性、抑制空化剥蚀、降低舵引起的振动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桨尾流的能量，提高推进效率。现在国内对扭曲舵在节能增效方面的研究进行得较多。董国祥[1]用升力面方法计算了扭曲舵的水动力性能。徐一军[2]对扭曲舵的节能可行性进行了探讨。黄胜、郭春雨、王超等人[3-6]采用面元法计算桨后扭曲舵的水动力性能，助推效率可以达到3%。刘登成[7]用CFD方法对不同扭曲舵设计方案的节能效果进行了计算比较。

近年来由于舰船向着高速化和大型化方向发展，特别是对于高速舰船，处于螺旋桨后工作的舵的振动和空化剥蚀也越来越严重，因此对舵性能的考虑也越来越全面。上世纪90年代美国海军为了测试桨和舵的水动力性能和噪声特性，进行了一项实船航行空泡观测试验[8-9]，实验表明，即便是中等海况条件下保持航向航行，23 kns航速时舵表面即出现空泡，舵空化引起的空化剥蚀在后来的船坞检修中也被证实。根据螺旋桨尾流场特点将舵设计成扭曲舵可以有效地解决舵上的空化剥蚀问题[10]，美国海军科学办公室在大型空泡筒中对扭曲舵与普通舵模型进行了对比实验，模拟船舶伴流、船桨干扰以及给予模型较高的流速使其获得高雷诺数。通过实验发现扭曲舵的水动力性能和常规舵相比有明显的提高，扭曲舵比常规舵更不易发生空泡剥蚀，扭曲舵对于补偿由推进器与船体引起的来流攻角非常有效，同时，其升力性能并不亚于常规舵，目前这种扭曲舵已经用于阿利伯克级导弹驱逐舰的至少三艘舰艇上。

国内叶金铭等人[11]对抗空化扭曲舵进行了设计，并对普通舵和扭曲舵的在不同工况、不同舵角条件下的压力分布进行了计算比较。比较结果显示，扭曲舵的负压力峰值比普通舵明显小，可以大幅提高舵的抗空化性能。计算结果还显示，扭曲舵可以明显减小0°舵角时舵上的横向力和舵轴扭矩，对舵和舵机的受力是有利的。

本文在拖曳水池中进行了自航约束模舵力测量试验，对普通悬挂舵和扭曲舵的舵力进行了测量，旨在通过试验测量的方法，分析扭曲舵的舵力特性，从而研究扭曲舵的受力状态以及对操纵性能的影响。

1 试验对象和试验内容

1.1 试验对象

试验对象为某水面船缩尺模，该船双桨双舵，船模水线长为4.712m，试验在华中科技大学船模试验水池进行。该水池是国际船模水池会议ITTC的正式成员单位，水池尺度为：长×宽×深=175 m×6 m× 4 m。

采用三分力测力传感器（图1）对舵力进行测量，可以测量舵的纵向力Fx，横向力Fz以及舵轴扭矩My。

1.2 试验内容

试验时船模速度为2.739 m/s，对应实船设计航速，分别对不同舵角下的舵力进行测试，实验工况如表1所示。

1.3 试验步骤

试验前在拖车上固定好船模，保证船模没有纵倾和横倾。

1.3.1 普通舵舵力测量试验步骤

（1）打开舵力测量记录软件，开始记录；

（2）启动全数字化测控系统，调整螺旋桨转速双车至1 070 rpm，操舵角为0°；

（3）开动拖车速度至2.739 m/s，保持拖车速度稳定至试验结束；

（4）拖车回到出发点，重复步骤（1）、（2）、（3）4至5次；

（5）检查试验数据，如果试验数据合理，转入10°舵角试验。

图1 舵三分力传感器Fig.1 The transducer of three-component force for rudder

表1 舵力测量工况Tab.1 The test condition

图2 普通舵安装图Fig.2 The ordinary rudder at ship model

图3 船模在拖车上固定Fig.3 The ship model fixed at the trailer of the towing rank

图4 普通舵不同舵角时船尾流场Fig.4 The wake behind ship mode at different rudder angles of ordinary rudder

1.3.2 扭曲舵舵力测量试验步骤

普通舵舵力测量完成后，吊装船模，更换普通舵为扭曲舵，重新在拖车上固定好船模，进行舵力测量试验，试验步骤与普通舵完全相同。

图5 扭曲舵安装图Fig.5 The installation of twisted rudder

图6 扭曲舵不同舵角时船尾流场Fig.6 The wake behind ship mode at different rudder angles of twisted rudder

2 试验结果及分析

在设计航速工况下，普通舵和扭曲舵在0°舵角时测量结果分别见表2和表3，表中Fx为轴向力，Fz为横向力，My为舵轴力矩，扭曲舵与普通舵横向力以及扭矩的比较如图7所示。

表2 普通舵0°舵角时舵力测量结果Tab.2 The test results of three-component force at 0°rudder angle of the ordinary rudder

表3 扭曲舵0°舵角时舵力测量结果Tab.3 The test results of three-component force at 0°rudder angle of the twisted rudder

从表2和表3可以看出，在0°舵角时，普通舵上的横向力分别为-4.26 N（左舵）和6.53 N（右舵），扭曲舵上的横向力分别为-0.5 N（左舵）和-0.28 N（右舵），扭曲舵上的横向力明显比普通舵小；普通舵舵轴力矩分别为-20.35 Ncm（左舵）和15.21 Ncm（右舵），扭曲舵舵轴力矩分别为-7.66 Ncm（左舵）和6.27 Ncm（右舵），扭曲舵舵轴上的力矩比普通舵明显小；普通舵上的纵向力矩分别为-66.74 Ncm（左舵）和82.06 Ncm（右舵），扭曲舵上的纵向力矩分别为-7.66 Ncm（左舵）和0.26 Ncm（右舵），扭曲舵纵向力矩也明显比普通舵小。这说明在0°舵角时，扭曲舵上的受力状态得到明显改善，对舵机是有利的。

10°舵角时，普通舵和扭曲舵的测量结果如表4和表5所示，表中每一个舵角的测量结果均为多次测量的平均结果。

图7 普通舵和扭曲舵0°舵角下舵力测量比较结果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°舵角时普通舵和扭曲舵舵力测量结果比较Tab.5 The comparison of rudder force test results at left 10°rudder angle between the ordinary rudder and the twisted rudder

从表4和表5可以看出，在打右舵10°舵角时，普通舵左舵和右舵舵轴力矩分别为4.51 Ncm和28.82 Ncm，扭曲舵左舵和右舵舵轴力矩分别为11.55 Ncm和22.34 Ncm，扭曲舵舵轴上承受的最大扭矩比普通舵小；普通舵左舵和右舵横向力分别为13.01 N和19.87 N，左右舵横向力之和为32.88 N，扭曲舵左舵和右舵舵轴力矩分别为18.46 Ncm和21.10 N，左右舵横向力之和为39.56 N，扭曲舵双舵产生的横向力大于普通舵产生的横向力。这进一步说明在通过打舵使舰船发生回转时，扭曲舵不仅能使舵轴上的受力状态得到改善，而且能够提高舵的操纵力，改善舰船的回转性能。

3 结 语

在拖曳水池中进行了直航约束模舵力测量试验，对普通悬挂舵和扭曲舵的舵力进行了测量，比较分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性，试验结果证明，在0°舵角时，扭曲舵上的横向力和舵轴上的扭矩明显减小，扭曲舵上的受力状态得到明显改善，对舵机是有利的。在通过打舵使舰船发生回转时，扭曲舵双舵的横向力之和大于普通舵，这说明扭曲舵能能够提高舵的操纵力，改善舰船的回转性能。

在拖曳水池中通过强制自航试验测量舵力，0°舵角时舵上受力状态与自航时基本相似，但10°舵角时，舵上的受力状态有所不同，本文仅是通过强制自航试验对扭曲舵在打舵情况下的舵力进行初步研究，更加深入的研究还需要通过水面船自航模舵力测量试验来完成。

[1]董国祥.助推节能扭曲舵性能的理论预报[J].船舶,1994,6:58-63.Dong Guoxiang.The theory prediction for energy saving twisted rudder[J].Ship,1994,6:58-63.

[2]徐一军.扭曲反应舵节能功效的可行性探讨[J].船舶设计通讯,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,黄 胜,郭春雨,等.桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算[J].哈尔滨工程大学学报,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,赵庆新,吴铁成,等.船舶附加水动力组合节能技术研究进展[J].舰船科学技术,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]齐博慧.扭曲舵水动力性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010. Qi Bohui.Research on hydrodynamic performance of twisted rudder[D].Harbing:Harbin Engineering University,2010.

[7]刘登成,黄国富.高效扭曲舵水动力特性数值分析[C]//第十一届全国水动力学学术会议.中国无锡,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]叶金铭,王 威,李 渊.抗空化扭曲舵设计及力学特性研究[C]//2015年船舶水动力学会议.中国哈尔滨,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，高级工程师，E-mail:gaofeng1009@shou.com。