舵壓力

舵壓力（rudder pressure）是在水流對舵葉有沖角時，迎流面和背流面水動力的差值。它是操縱船舶轉向和穩向的主要作用力。影響舵壓力的大小因素有很多，在極限舵角(滿舵)範圍內，舵壓力與舵角、舵葉面積、舵葉面流速的平方成正比。

基本介紹

• 中文名：舵壓力
• 外文名：rudder pressure
• 定義：迎流面和背流面水動力的差值
• 作用：操縱船舶轉向和穩向的主要作用力
• 學科歸屬：船舶工程
• 影響因素：舵角、舵葉面積、舵葉面流速

簡介

水流與舵葉水平剖面中心線存在一夾角(沖角)時，在舵葉的迎流面和背流面產生的水動力差值。舵壓力是操縱船舶改變或保持航向的主要作用力。舵未轉動時處於中央位置，由於左右兩邊流線對稱，不產生舵壓力。當舵轉動某一角度之後，由於流線發生變化，從而舵面上各點的流速也發生變化，結果產生舵壓力。

對於平板舵而言，舵角約35度時舵壓力轉船力距最大，通常將之定為滿舵角。流線型滿舵角為32度，一般內河船舶的滿舵舵角在35度到45度的之間。作用於舵葉面的流速由船速、伴流速度和螺旋槳尾流速度合成，停船時的船速，伴流速度和螺旋槳尾流速度均為零，不產生舵壓力；進車後所產生的螺旋槳尾流對舵起作用，當舵轉至某一舵角後開始有舵效，隨著船速的增加，舵壓力逐漸增大。航進中停車後，螺旋槳尾流速度為零，只有淌航中的船速和伴流對舵起作用，舵壓力大大下降，當船速下降到某值時，舵壓力就會消失。倒車後退時，船尾伴流極小，僅有後退船速和螺旋槳來流對舵起作用，此時的舵壓力要比正車前進時的舵壓力小得多，故倒車後退時的舵效要比進車進舵時的舵效差得多。

產生原理

如圖1所示，當舵葉以某一舵角δ(這裡所說的舵角是指敞水舵的舵角，即是攻角或沖角，與駕駛台舵角指示器所指機械舵角不完全一樣)對水以相對速度做相對運動時，在舵的周圍，除有平行於運動方向的平行水流外，還有由於操舵而產生環繞舵葉的附加水流。因此，在舵的迎流面由於平行流與附加流二者間的流向相反而使流速減小、壓力增加，圖中以正(+)表示，在舵的背流面，由於平行流與附加流二者間的流向相同，而使流速增加，壓力減小，圖中以負(-)表示。這樣，在舵葉的兩面出現垂直於流速方向的升力P_y和平行於流速方向的阻力P_x，升力P_y和阻力P_x的矢量和P_R稱為舵葉的水動力，把P_R分解在垂直弦線(舵葉兩端點的連線)的分力P_N，稱為舵壓力，分解在舵葉弦線上的分力P_t稱為摩擦力。

圖1 舵壓力產生原理

影響因素

流體現象

1、失速現象

隨著舵角逐漸增大，當舵角增加到某一數值時，舵葉的背流面就會出現渦流，壓力增大，使舵葉迎流面與背流面的壓力差減小，舵壓力驟然下降，出現失速現象。出現失速現象時的舵角，稱為失速舵角或臨界舵角或極限舵角。

2、空泡現象

當舵的背流面壓力下降到或接近於該溫度下的汽化壓力時，在舵的背面將產生氣泡，使舵壓力下降的現象。這種現象出現在大舵角時或高速船上，尤其是剖面形狀前端曲率大的舵更易發生。但它不像失速現象那樣顯著。

3、空氣吸入現象

在舵的前面吸入空氣，產生渦流使舵壓力下降的現象稱為空氣吸入現象，在舵接近水面或一部分露出水面且速度較大的情況下，容易發生此現象。

尺度、形狀

①舵葉展弦比的影響

展弦比，對矩形舵而言，是指舵高(翼展)與舵寬(弦長)的比值；對非矩形舵而言，是指舵高的平方與舵面積的比值。展弦比小，從舵葉迎流面而來的水流就會從舵的上端和下端進入舵葉背流面，形成繞流，致使舵葉兩側壓力差減小，舵壓力降低；展弦比越大，小舵角時的升力越大，有利於運用小舵角操縱船舶。但是展弦比過大將引起過早失速，使極限舵角變小，而不利於大舵角迴轉運動。其次，內河船舶的舵葉高度因受到船舶吃水限制，一般展弦比較小，舵的外形做得矮而寬，易產生繞流，故舵壓力也較小，特別在小舵角時的舵壓力不大，因而應舵時間(即從操舵開始至船首開始轉動時止的時間間隔，稱為應舵時問)也較長。因此，內河船常設定2～3面舵，每一舵面積相應減小，以提高展弦比，同時在舵的上、下端設擋板，減少舵上、下端的繞流，增加舵壓力。

內河船舶舵葉的展弦比一般在1～2時，其失速角為20度～30度，考慮舵葉的翼柵效應和迴轉時船尾漂角較大，故機械極限舵角常達35度，內河船有的達45度。

②舵葉外形的影響

一般舵葉外形對舵壓力的影響並不顯著。確切地說，這種影響只有當舵安裝在船尾，且船尾與舵之間的間隙較大時，才會造成一些不利的影響。

③舵葉剖面形狀的影響

舵葉的剖面形狀一般有平板形和流線型兩種。由於流線型舵的外形符合水流流線的運動規律，在正常舵角下不致出現渦流，因此，它產生的舵壓力大些，而且在小舵角時便產生較大的舵壓力，應舵時間短，水阻力也比平板舵小20%。目前絕大多數船舶採用流線型舵。

圖2

流線型舵是左右對稱的機翼形狀，如圖2所示，它的最大厚度距前緣30%舵寬處。從阻力角度來看，舵角小於15度時，舵的厚度越厚則阻力增加越快；舵角大於15度後，厚度越薄，阻力反而增加很快。舵葉厚度與寬度之比稱為厚寬比，舵的厚寬比在18%～20%時，舵產生的舵壓力最大。因此，在單螺旋槳船上，寬度舵的厚寬比一般取15%~18%；在雙螺旋槳船上，具有下支承的中舵一般取15%，半平衡舵一般取9%，懸掛式舵彎矩較大厚寬比一般在20%。

④舵面積的影響

船舶方向性能的優劣與舵面積的大小關係密切，舵壓力的大小與舵面積成正比，旋迴性能好的船舶均具有較大的舵面積。但過大地增加舵面積是不合理的，一方面增加船舶航行阻力和舵機功率；另一方面還將增加船舶吃水。在實踐中，合理的舵面積和形狀通常用試驗辦法來確定，主要以操縱性能良好的船舶的舵面積係數作為估計合理舵面積及其形狀的依據。

舵面積係數是指舵葉中縱剖面面積與船體中縱剖面浸水面積的比值。舵面積係數隨船舶類型、尺度和船速而異。內河船舶中舵舵面積係數最小的是雙槳客貨船(深寬航道)為2.1%～5.0%，其他船舶舵面積係數一般都在3.0%以上，舵面積係數最大的是內河推船，達6.0%～11.0%，如表1所示。

表1

其他因素

舵壓力的大小除與上述因素有關外，還與螺旋槳尾流、船體伴流、船尾形狀、船速及沖角等有關。

①船體干擾及船尾形狀對舵壓力的影響

當船尾的舵轉動到某一舵角時，舵周圍所產生的壓力變化波及船體的尾部，使船尾兩側產生壓力差，其方向與舵升力的方向相同，增加了轉船力矩，同時，船尾的壓力也增加了舵壓力，提高了舵效，所以，船體和舵之間是互相干擾的。這種流體力學上相互干擾的結果將使舵壓力比單獨舵所產生的舵壓力提高20%～30%，而且，船體與舵之間的間隙越小，這種效果越顯著。在實用上，往往將舵上緣做成與船尾底部線型相吻合，以便使間隙儘可能小。

②伴流對舵壓力的影響

船舶在航行中，船體周圍有部分伴隨船舶航行運動的水流稱伴流，其速度稱為伴流速度。伴流速度越大，舵葉對水相對速度越低。舵效越差試驗表明：單槳單舵船，受伴流影響後的舵壓力只有敞水舵的0.35~0.46倍，雙槳單舵船只有0.39~0.60倍，所以船舶駛向錨地過程中下令停車，在螺旋槳停轉的瞬間，船舶雖然仍有相當大的速度，卻受伴流的影響而很快失去舵效。特別是頂推船隊，因其伴流大，該現象更為顯著。

③螺旋槳尾流中誘導速度對舵壓力的影響

安裝在螺旋槳後方的舵葉，受到螺旋槳尾流誘導速度的影響，尾流中誘導速度加大舵葉的對水相對速度，增加舵壓力，舵效較好。實驗表明，單槳單舵船船尾舵壓力比單獨舵增加2.40～2.58倍；雙槳單舵船因為舵受螺旋槳尾流誘導速度影響較小，所以船尾舵的舵壓力比單獨舵的舵壓力只增加0.93～1.11倍。