專利名稱：有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種船體型線及舵葉，尤其涉及一種有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，適用于各類有艉封板的安裝平衡舵的單舵船舶和多舵船舶，屬于船舶技術領域。
技術背景
船舶操縱性對船舶總體性能和船舶航行性能的好壞起著重要作用，而舵對船舶的操縱性好壞又有著決定性作用，所以如何提高舵效就成了造船人研究的重要問題之一。人們從理論上很早就認識到在舵面積和舵截面不變的情況下，展弦比的大小對舵效起決定性作用，展弦比大則舵效高，展弦比小則舵效低。但由于受船舶吃水和航道限制，一般船舶的展弦比都較小，特別是內河船舶舵的展弦比往往小于1，為了提高舵效，人們設計出了比平板舵效率高的流線型舵、襟翼舵、蒂姆舵、希林舵等。在理論研究和工程實踐中人們發(fā)現(xiàn)船體對舵效有明顯影響，特別是舵葉安裝處船底板形狀對流經舵的水流特性有較大影響。當舵安裝在船體底部空間時，若船體底部與舵上邊緣之間的空隙很小，則流經舵的水流特性將會改善，等效于加大了舵葉的展弦比，舵的轉船力矩和橫向力得到提高而使舵效提高。當船體底部與舵上邊緣之間的空隙足夠小時，其舵效幾乎可以提高2倍。然而，這一有利因素目前只是在舵葉安裝處的船體是平底時才能較好體現(xiàn)，其原因在于，在傳統(tǒng)的船舶設計中， 由于船體外形是一個復雜的不會變動的空間曲面，而舵葉又是一個可以繞舵桿中心旋轉的機構，所以現(xiàn)有技術只能做到舵葉在某一轉角下使舵的上邊緣與船體底板有較好的吻合狀態(tài)(即間隙最小)，而使舵葉在這一轉角下舵效較好。例如，對于單艉單舵船，在0°舵角的情況下，舵葉上邊緣形狀可以做到與船艉底板形狀平行而間隙做到最小，從而此時舵效最好， 但當舵轉動某一角度時，為了不使舵葉與船體相碰或者由于船體自身型線的原因，必然失去舵葉的上邊緣形狀與船體底板形狀的平行而緊密的關系，此時間隙成剪刀差加大，從而使舵效降低。因此，必須對船體及舵葉進行重新設計才能將間隙做到最小，從而提高舵效。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，使得在舵葉的所有轉角范圍內，舵葉上邊緣形狀與船底板形狀始終保持平行而使其間隙可以做到最小，始終保持最佳的空間配合，從而有效地提高舵效，改善船舶的操縱性，節(jié)約能源。
本發(fā)明的目的通過以下技術方案予以實現(xiàn)一種有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，在船體舵葉6安裝處的船底形狀是組合船體旋生面，所述組合船體旋生面是由船體旋生曲面9、船體旋生水平扇面9C、船體旋生柱面9a、船體旋生柱面下端面9b組合而成；所述船體旋生曲面9是以舵桿中心線5為轉軸，以船體0°直剖線4a后部曲線為船體旋生曲面母線7，以船體旋生曲面旋生角Λ為旋轉角，旋轉生成；所述船體旋生曲面母線7，是先在水線面圖中，以舵桿中心線5與船體0°直剖型線4a的交點ο點為起點，以船體旋生曲面旋生角β為輻射角，作線段Off與艉封板型線相交于ft點；然后再在直剖圖中，過O點作水平線段Λ，并使，過A點作垂線G ,使，將船體0°直剖型線4a向船艉自然延伸與垂線相交于e點，在延伸后的船體 0°直剖型線上截取曲線段《曲線段《即為船體旋生曲面母線；所述船體旋生曲面旋生角α是以水線面圖中的船體中心線為0°線，對于海洋船舶取值為±35°，對于內河船舶取值為±45° ;船體旋生水平扇面9C以舵桿中心線5為轉軸，以船體旋生水平母線7b為母線，以船體旋生曲面旋生角α為旋轉角，旋轉生成；所述船體旋生水平母線7b，是在直剖圖中的舵桿中心線5前的船體0°直剖型線4a上選取g點，使g點到舵桿中心線5的距離大于舵葉上端前端點h到舵桿中心線5的距離，過g點作水平直線，在此水平直線上g點后取點f，使f點到舵桿中心線5的距離等于所述船體旋生柱面母線到舵桿中心線的距離，線段^即為船體旋生水平母線；所述船體旋生柱面9a是以舵桿中心線5為轉軸，以船體旋生柱面母線7a為母線，旋轉土 180°角旋轉生成，同時生成船體旋生柱面下端面9b ;所述船體旋生柱面母線，在水平直線斤上選取f點，使f點到舵桿中心線的距離約等于下舵承外半徑， f點到舵桿中心線的距離也可以小于下舵承外半徑，f點也可以落在舵桿中心線上，過f點作垂線使!^丄^ ,與船體旋生曲面母線相交于Ir點，垂直線段￥即為船體旋生柱面母線；當f點落在舵桿中心線上時就不再有船體旋生柱面，此時的船體旋生柱面退化為直線 W ;在舵葉6的轉角范圍內，對于流線型舵葉，舵葉上端面是與船體旋生曲面9處處平行的曲面；對于平板舵葉，舵葉上端線是與船體旋生曲面9處處平行的曲線。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術措施來進一步實現(xiàn)前述有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，其中舵葉上端面，是由舵葉后上端面 61、舵葉上端豎直柱面6b、舵葉上端水平面6a組成；對于平衡流線型舵，當舵葉后上端面61 為雙曲度板時，是與其對應處船體旋生曲面向下偏移距離t而生成，所述偏移距離t減去該處船底板厚度后約等于舵葉最大厚度的十分之一，且取值在20毫米 60毫米之間，所述舵葉后上端面61為單曲度板時，舵葉后上端面形狀是一個以舵葉后上端線為母線沿船寬方向平移掃描生成的單曲面；對于平衡流線型舵，所述舵葉上端豎直柱面6b是與其對應處船體旋生柱面向艉偏移距離r而生成，所述偏移距離r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應小于30毫米；對于平衡流線型舵，所述舵葉上端水平面6a是與所述船體旋生水平扇面或船體旋生柱面下端面向下偏移距離s而生成，所述偏移距離s減去該處船殼板厚度后應小于50毫米。
前述有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，其中舵葉上端線，是由舵葉后上端線、舵葉上端豎直柱線、舵葉上端水平線組成；所述舵葉后上端線，是與其對應處船體 0°直剖型線4a向下偏移距離t而生成，所述偏移距離t減去該處船底板厚度后小于20毫米；所述舵葉上端豎直柱線，是與其對應處船體旋生柱面母線向艉偏移距離r而生成，所述偏移距離r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應小于20毫米；所述舵葉上端水平線， 是與其對應處船體旋生水平母線向下偏移距離s而生成，所述偏移距離s為減去該處船底板厚度后小于20毫米。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在舵葉的所有轉角范圍內，舵葉上邊緣形狀與船底板形狀始終保持平行而使其間隙可以做到最小，始終保持最佳的空間配合，從而有效地提高舵效，舵效可提高一倍以上，明顯改善船舶的操縱性，節(jié)約能源。


圖I是本發(fā)明的側視圖(直剖圖);圖2是本發(fā)明的A向視圖(站面圖)；圖3是本發(fā)明的B向視圖(水線面圖)。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I是本發(fā)明的側視圖(直剖圖)，示意部分直剖型線以及舵在0°舵角時，舵與船體的相對位置情況；圖2是本發(fā)明的A向視圖(站面圖)，由于對稱性，僅圖示左舷部分型線； 圖3是本發(fā)明的B向視圖(水線面圖)，由于對稱性，僅圖示左舷部分型線。
如圖I、圖2、圖3所示 點為舵桿中心線5與船體0°直剖型線4a的交點； d點為船體0°直剖型線4a與船體艉封板型線401的交點；尺寸線t為舵葉上端邊緣61與船體0°直剖型線4a的間隙；尺寸線r為舵葉上端豎直柱線6b與船體旋生柱面母線7a的間隙；角度α為船體旋生曲面旋生角，在圖3中，順時針轉動《為正，逆時針轉動α為負； 船體0°直剖型線為過舵桿中心線的船體直剖線；切角Θ為船體0°直剖型線與舵桿中心線的交點處船體0°直剖型線與水平線的夾角；舵葉上端線61為是一根直剖平面曲線，該曲線是與其對應處船體0°直剖型線4a向下偏移而得的曲線，偏移距離為t ；舵葉上端豎直柱線為是一根直剖平面垂直直線，該直線與其對應的船體旋生柱面母線之間的距離為t ；舵葉上端水平線為是一根直剖平面水平直線，該直線與其對應的船體旋生水平母線之間的距離為t。
圖I、圖2、圖3圖中所示為單艉平衡舵的船體站面型線、水線面型線、直剖面型線的形狀和數(shù)量，僅作為非限制性說明給出。
如圖I、圖2、圖3所示，β點為舵桿中心線5與船體0°直剖型線4a的交點。
有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法如下I.在圖3中，以0點為起點，以舵葉最大轉舵角a為輻射角，作線段叾與艉封板型線40 相交于&點；在圖I中，過點作水平線段，并使ο& =Oti，過&點作垂線Ac，使Ac丄， 將船體0°直剖型線4a向船艉自然延伸與垂線&相交于^點，在延伸后的船體0°直剖型線上截取曲線段乍為船體旋生曲面母線7 ;在舵桿中心線前的船體0°直剖型線4a上找 g點，使g點到舵桿中心線的距離略大于舵葉上端前端點h到舵桿中心線的距離，過g點作CN 102923244 A書明說4/5頁水平直線即為船體旋生水平母線7b ;在水平直線^上找f點使得f點到舵桿中心線的距離約等于下舵承外半徑，f點到舵桿中心線的距離也可以小于下舵承外半徑，f點也可以落在舵桿中心線上，過f點作垂線^ (使^丄^)與船體旋生曲面母線7相交于^點，得船體旋生柱面母線7a，當f點落在舵桿中心線上時就不再有船體旋生柱面9a，此時的船體旋生柱面9a退化為直線
2.以船體旋生曲面母線7及船體旋生水平母線7b為母線，以舵桿中心線5為旋轉軸，以船體中心線8為0°線，使其母線繞舵桿中心線旋轉土 α度，其跡面形成船體旋生曲面9、船體旋生水平扇面9c，船體旋生曲面9是一個近似錐形的旋轉扇形曲面，α的絕對值約大于舵葉最大轉舵角，在有的情況下α的絕對值也可以約小于舵葉最大轉舵角，通常海洋船舶的舵葉最大轉舵角為±35°，內河船舶的舵葉最大轉舵角為±45° ;以船體旋生柱面母線7a為母線，以舵桿中心線5為旋轉軸，以船體中心線8為0°線，使其母線繞舵桿中心線旋轉±180度，既得船體旋生柱面9a、(船體旋生柱面)下端面％。船體旋生曲面9、 船體旋生水平扇面9c，、船體旋生柱面9a、(船體旋生柱面)下端面9b共同組成組合船體旋生面。
3.在組合船體旋生面處視情況增加若干船體站面、船體水線面、船體直剖面。本實施例增加站面為4個,在船體4上得到站面型線為11 14四根,相應地在組合船體旋生面上得到內站面型線為111 141四根；本實施例增加水線面為5個，在船體4上得到水線面型線 為21 25五根，相應在組合船體旋生面上得到內水線面型線為221 241三根；本實施例增加直剖面為3個，在船體4上得到直剖面型線為31 33三根，相應在組合船體旋生面上得到內直剖面型線為311、321兩根。
4.重新生成艉封板型線，在船體4上得到的艉封板型線為40、在組合船體旋生面上得到內艉封板型線為401。
5.調整船體4上的站面型線13、14，水線面型線22 25，直剖面型線31 33， 艉封板型線40，以及其他相關船體型線，直至使船體型線在船體旋生曲面?zhèn)冗吔?1處與船體旋生曲面9的相應內站面型線131、141，內水線面型線221 241和船體旋生曲面上邊界92，內直剖面型線311、321，及內艉封板型線401相互光順連接；調整船體4上的站面型線11、12，水線面型線21，以及其他相關船體型線,相互光順連接；站面型線11、12，水線面型線21，以及其他相關船體型線，與組合船體旋生面上的相應內站面型線111、121，在船體旋生柱面下邊界93、船體旋生水平面?zhèn)冗吔?4、船體旋生水平面前邊界95處折角連接。
6.當船體型線型值需要較大的調整量才能使船體型線與船體旋生曲面很好地光順連接時，或者生成的船體旋生曲面與船體型線光順連接后的形狀不太理想時，則應分別調整船體0°直剖型線4a的形狀或者調整切角Θ (船體0°直剖型線與舵桿中心線的交點處船體0°直剖型線于水平線的夾角)的大小，或者同時調整調整船體0°直剖型線4a的形狀或者調整切角Θ的大小，然后重復前述的I 5的步驟，直至得到滿意的船體型線。然后將艉封板后多余的船體旋生曲面9修剪掉。
如圖I,舵葉上端邊緣形狀必須與前述的船體型線良好配合,才能起到充分提高舵效的作用，舵葉上端邊緣形狀分為三種情況進行設計當舵葉為平衡平板舵葉，舵葉上端線61是一根平面曲線，該曲線是與其對應處船體70°直剖型線4a向下偏移距離t而生成的曲線，偏移距離t減去該處船底板厚度后應不大于20毫米，舵葉上端豎直柱線6b與船體旋生柱面母線7a的間距為r，間距r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應不大于20毫米，舵葉上端水平線6a與船體旋生水平母線7b的間距為S，間距r減去該處船殼板厚度后應不大于20毫米，舵葉上端線61與舵葉上端豎直柱線6b及舵葉上端水平線6a共同組成舵葉上端外形；當舵葉為平衡流線型舵葉，且舵葉后上端面61為雙曲度板時，舵葉后上端面61是與其對應處組合船體旋生面向下偏移距離t而生成，偏移距離t減去該處船底板厚度后約等于舵葉最大厚度的十分之一，但必須大于20毫米同時小于60毫米，舵葉上端豎直柱面6b是與其對應處組合船體旋生面向艉偏移距離r而生成，平移距離r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應小于30毫米，舵葉上端水平面6a是與其對應處組合船體旋生面向下偏移距離s而生成，，偏移距離s減去該處船殼板厚度后應不大于50毫米，舵葉后上端面61與舵葉上端豎直柱面6b及舵葉上端水平面6a共同組成舵葉上端外形；當舵葉為平衡流線型舵葉，為簡化制造工藝、降低制造成本同時對轉舵效率幾乎沒有影響時，舵葉后上端面形狀是一個以舵葉后上端線61為母線沿船寬方向平移掃描生成的單曲面，該母線是與其對應處船體0°直剖型線4a向下偏移距離為t而生成的曲線，偏移距離t減去該處船底板厚度后約等于舵葉最大厚度的十分之一，但必須大于20毫米同時小于 50毫米，舵葉上端豎直柱面6b是與其對應處組合船體旋生面向艉偏移距離 r而生成，平移距離r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應小于30毫米，舵葉上端水平面6a是與其對應處組合船體旋生面向下偏移距離s而生成，偏移距離s減去該處船殼板厚度后應不大于50毫米，舵葉后上61與舵葉上端豎直柱面6b及舵葉上端水平面6a共同組成舵葉上端外形。
除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，其特征在于，在船體舵葉(6)安裝處的船底形狀是組合船體旋生面，所述組合船體旋生面是由船體旋生曲面(9)、船體旋生水平扇面(9C)、船體旋生柱面(9a)、船體旋生柱面下端面(9b)組合而成；所述船體旋生曲面(9)是以舵桿中心線(5)為轉軸，以船體0°直剖線(4a)后部曲線為船體旋生曲面母線(7)， 以船體旋生曲面旋生角α為旋轉角，旋轉生成；所述船體旋生曲面母線(7)，是先在水線面圖中，以舵桿中心線(5)與船體0°直剖型線(4a)的交點ο點為起點，以船體旋生曲面旋生角β為輻射角，作線段G與艉封板型線相交于■&點；然后再在直剖圖中，過ο點作水平線段3 ,并使&點作垂線& 丄Λ ,將船體0°直剖型線(4a)向船艉自然延伸與垂線&相交于￡點，在延伸后的船體0°直剖型線上截取曲線段I*；,曲線段《即力船體旋生曲面母線；所述船體旋生曲面旋生角《是以水線面圖中的船體中心線為0°線， 對于海洋船舶取值為±35°，對于內河船舶取值為±45° ;船體旋生水平扇面(9C)以舵桿中心線(5)為轉軸，以船體旋生水平母線(7b)為母線，以船體旋生曲面旋生角α為旋轉角，旋轉生成；所述船體旋生水平母線(7b)，是在直剖圖中的舵桿中心線(5)前的船體0° 直剖型線(4a)上選取g點，使g點到舵桿中心線(5)的距離大于舵葉上端前端點h到舵桿中心線(5)的距離，過g點作水平直線，在此水平直線上g點后取點f，使f點到舵桿中心線(5)的距離等于所述船體旋生柱面母線到舵桿中心線的距離，線段^即為船體旋生水平母線；所述船體旋生柱面(9a)是以舵桿中心線(5)為轉軸，以船體旋生柱面母線(7a)為母線，旋轉±180°角旋轉生成，同時生成船體旋生柱面下端面(9b);所述船體旋生柱面母線，在水平直線斤上選取f點，使f點到舵桿中心線的距離約等于下舵承外半徑，f點到舵桿中心線的距離也可以小于下舵承外半徑，f點也可以落在舵桿中心線上，過f點作垂線￥_, 使孑丄與船體旋生曲面母線相交于^點，垂直線段孑即為船體旋生柱面母線；if點落在舵桿中心線上時就不再有船體旋生柱面，此時的船體旋生柱面退化為直線￥ ;在舵葉(6)的轉角范圍內，對于流線型舵葉，舵葉上端面是與船體旋生曲面(9)處處平行的曲面； 對于平板舵葉，舵葉上端線是與船體旋生曲面(9)處處平行的曲線。
2.根據權利要求I所述有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，其特征在于，所述舵葉上端面，是由舵葉后上端面(61)、舵葉上端豎直柱面(6b)、舵葉上端水平面(6a)組成； 對于平衡流線型舵，當舵葉后上端面(61)為雙曲度板時，是與其對應處船體旋生曲面向下偏移距離t而生成，所述偏移距離t減去該處船底板厚度后約等于舵葉最大厚度的十分之一，且取值在20毫米 60毫米之間，所述舵葉后上端面(61)為單曲度板時，舵葉后上端面形狀是一個以舵葉后上端線為母線沿船寬方向平移掃描生成的單曲面；對于平衡流線型舵，所述舵葉上端豎直柱面(6b)是與其對應處船體旋生柱面向艉偏移距離r而生成，所述偏移距離r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應小于30毫米；對于平衡流線型舵，所述舵葉上端水平面(6a)是與所述船體旋生水平扇面或船體旋生柱面下端面向下偏移距離 s而生成，所述偏移距離s減去該處船殼板厚度后應小于50毫米。
3.根據權利要求I所述有艉封板船體型線及平衡舵舵葉設計方法，其特征在于，所述舵葉上端線，是由舵葉后上端線、舵葉上端豎直柱線、舵葉上端水平線組成；所述舵葉后上端線，是與其對應處船體O °直剖型線(4a )向下偏移距離t而生成，所述偏移距離t減去該處船底板厚度后小于20毫米；所述舵葉上端豎直柱線，是與其對應處船體旋生柱面母線向艉偏移距離r而生成，所述偏移距離r減去該處船殼板厚度或下舵承外半徑后應小于20毫米；所述舵葉上端水平線，是與其對應處船體旋生水平母線向下偏移距離s而生成，所述偏移距離s為減去該處船底板厚度后小于20毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有艉封板船體及平衡舵舵葉設計方法，在船體舵葉安裝處的船底形狀是組合船體旋生面，所述組合船體旋生面是由船體旋生曲面、船體旋生水平扇面、船體旋生柱面、船體旋生柱面下端面組合而成，對于流線型舵葉，舵葉上端面是與船體旋生曲面處處平行的曲面；對于平板舵葉，舵葉上端線是與船體旋生曲面處處平行的曲線。本發(fā)明在舵葉的所有轉角范圍內，舵葉上邊緣形狀與船底板形狀始終保持平行而使其間隙可以做到最小，始終保持最佳的空間配合，從而有效地提高舵效，改善船舶的操縱性，節(jié)約能源。
文檔編號B63H25/38GK102923244SQ20121046847
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權日2012年11月20日
發(fā)明者周玉龍, 朱元瑤, 周密 申請人:江蘇科技大學