專利名稱：恒平衡舵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種恒平衡舵，屬于船舶、飛機(jī)的轉(zhuǎn)向操縱設(shè)備。
現(xiàn)有的“平衡舵”(包括平板舵和流線型舵在內(nèi))的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是舵葉的外表面均為連續(xù)、平整的平面。這種平衡舵，當(dāng)流體流經(jīng)舵葉時(shí)，流體將在舵葉表面及其附近、特別是在舵葉的長(zhǎng)度方向上形成速度梯度，使流體對(duì)平衡舵舵葉表面的壓強(qiáng)不均勻，從而導(dǎo)致舵葉上流體壓力中心隨著舵角的變化而在舵葉的長(zhǎng)度方向上前后移動(dòng)。
由此可知，平衡舵的流體壓力中心是一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，而舵軸都是一根固定軸，只有當(dāng)流體壓力中心在移動(dòng)中經(jīng)過(guò)舵軸時(shí)，才有短暫的重合。一般情況舵軸軸線很難與流體壓力中心重合。它們不重合時(shí)，流體對(duì)舵葉的作用使舵受到一個(gè)舵壓力，它將推動(dòng)舵繞舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這舵壓力就是推動(dòng)舵轉(zhuǎn)動(dòng)的扭力，只要舵上有這個(gè)扭力存在，舵就處于不平衡態(tài)。
為保證用舵，就必須克服平衡舵轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩。這樣，使用平衡舵的舵系統(tǒng)都必須按舵上最大扭矩配置推舵裝置和舵機(jī)裝置，這就使使用現(xiàn)有平衡舵的舵系統(tǒng)體積大，耗能多，造價(jià)高。
本發(fā)明提供一種不用外力支持的恒平衡舵，它能使流體流經(jīng)舵葉時(shí)所形成的速度梯度不影響舵的平衡，實(shí)現(xiàn)舵的流體壓力中心固定，并在舵軸軸線上，確保該舵始終處于恒平衡態(tài)。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到由舵軸、舵葉、導(dǎo)邊和隨邊經(jīng)焊接或其他適當(dāng)方法連接成恒平衡舵裝置，其特征在于舵葉為兩塊以上寬度相等的柵板豎直、平行地排列成柵欄狀結(jié)構(gòu)。
任意一塊柵板迎流面上所受的流體壓力與該塊柵板迎流面到舵軸軸線之距離的乘積，為該塊柵板的流體壓力對(duì)舵軸的扭矩。舵軸設(shè)在舵葉長(zhǎng)度方向上的位置是能使流體壓力對(duì)舵軸之前所有柵板的扭矩之和，與流體壓力對(duì)舵軸之后所有柵板的扭矩之和大小相等，方向相反，合扭矩為零的那個(gè)舵軸軸線位置，正是該舵的流體壓力中心所在之處，實(shí)現(xiàn)了流體壓力中心在舵軸軸線上。
由于舵葉的柵欄狀結(jié)構(gòu)，使流經(jīng)其舵葉的流體在舵葉的長(zhǎng)度方向上形成的速度梯度是周期性的，且對(duì)舵軸軸線是對(duì)稱分布;由于柵板的寬度相等，當(dāng)舵在舵角不為零且轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，全部柵板迎流面實(shí)際上接受流體的作用是近似等壓強(qiáng)的。雖然流量在變化，但這個(gè)變化在柵板之間是等比例變化。所以，流體壓力對(duì)舵軸軸線之前的柵板的扭矩之和與流體壓力對(duì)舵軸軸線之后的柵板的扭矩之和仍然是大小相等，方向相反，合扭矩為零，因此確保了舵的恒平衡。
流體對(duì)舵的作用情況當(dāng)舵角不為零或舵在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵葉的柵欄狀結(jié)構(gòu)使沖擊到恒平衡舵的流體只能均勻地穿進(jìn)舵葉，并沖壓舵葉中的全部柵板迎流面，流體作用力也同樣均勻地分散作用到每一塊柵板的迎流面上，從而使全部柵板均勻地產(chǎn)生了舵的升力和阻力。舵升力推動(dòng)舵相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)方向作橫向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致使用本舵的運(yùn)輸工具改變運(yùn)動(dòng)方向。舵阻力則使舵的前進(jìn)速度降低，使使用本舵的運(yùn)輸工具減速。根據(jù)力的合效應(yīng)，以上力可視為作用在舵的壓力中心上。由于流體壓力中心在舵軸軸線上，所以，此時(shí)本舵沒(méi)有自行轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，舵上也就沒(méi)有由舵壓力形成的扭矩，只有與現(xiàn)有平衡舵相同的對(duì)支撐軸承的正壓力。
當(dāng)舵角為零即為正舵時(shí)，流體只能對(duì)舵的導(dǎo)邊施壓，進(jìn)而在支撐軸承上形成正壓力，但不會(huì)在舵上形成扭矩，也就不能使本舵有自行轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。
綜上所述，由于本發(fā)明恒平衡舵的舵葉是柵欄狀結(jié)構(gòu)，使流體流經(jīng)舵葉時(shí)所形成的速度梯度，不影響該舵的平衡性，同時(shí)使流體壓力中心固定在舵軸軸線上，確保了舵的恒平衡態(tài)。
又因舵上沒(méi)有扭矩，只有與現(xiàn)有平衡舵相同的對(duì)支撐軸承的正壓力，故推動(dòng)本舵不需要大推力舵裝置及大功率舵機(jī)裝置，可使用本舵的舵系統(tǒng)體積小、耗能少、造價(jià)低。
恒平衡可參照如下附圖

圖1為本發(fā)明恒平衡舵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明恒平衡舵舵角為θ時(shí)的受力關(guān)系示意俯視圖。
下面將結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳述本發(fā)明恒平衡舵由舵軸〔1〕、舵葉〔2〕、導(dǎo)邊〔4〕和隨邊〔8〕用常規(guī)方法焊接而成。舵軸〔1〕通過(guò)舵的流體壓力中心定于舵葉〔2〕的長(zhǎng)度方向。舵的轉(zhuǎn)舵動(dòng)力從舵軸〔1〕上輸入。
柵欄狀舵葉〔2〕是由兩塊以上形狀、尺寸相同的柵板〔3〕豎直平行等距排列，經(jīng)焊接而成。舵葉〔2〕側(cè)投影的外形輪廓為四邊形，可以是矩形，也可以是非矩形。柵板〔3〕間距以實(shí)現(xiàn)當(dāng)舵在最大舵角時(shí)，流體恰好不能直接穿過(guò)舵葉〔2〕為宜。
為了增加恒平衡舵的整體強(qiáng)度，在舵葉〔2〕的柵板〔3〕之間設(shè)置了水平的加強(qiáng)筋板〔10〕。上蓋板〔9〕和下蓋板〔5〕主要對(duì)柵板起定位作用，同時(shí)也對(duì)舵葉〔2〕的整體增加強(qiáng)度。加強(qiáng)復(fù)板〔7〕是為增加舵葉〔2〕與舵軸〔1〕的連接強(qiáng)度。
圖2是本發(fā)明恒平衡舵舵角為θ時(shí)的受力關(guān)系示意俯視圖，由于舵葉為柵欄狀結(jié)構(gòu)，使沖擊到該舵的流體不能在舵葉表面滑行，只能均勻地穿進(jìn)舵葉，沖壓舵葉中的全部柵板迎流面〔11〕。根據(jù)力的合力效應(yīng)，可將流體作用在每一塊柵板迎流面〔11〕上的力看成是F作用在流體壓力中心〔12〕上。
幾種力的關(guān)系是f＝Fcosθf(wàn)y＝fsinθ＝Fsinθcosθf(wàn)x＝fcosθ＝Fcos2θ其中舵的升力fy將推動(dòng)舵相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)方向作橫向運(yùn)動(dòng)，使使用該舵的運(yùn)輸工具改變運(yùn)動(dòng)方向，舵阻力fx則使舵的前進(jìn)速度降低，使使用本舵的運(yùn)輸工具減速。由于fy和fx都是作用在流體壓力中心〔12〕上，而流體壓力中心〔12〕是在該舵軸上，所以，本舵沒(méi)有自行轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。
為了減少正舵時(shí)的舵阻力，本發(fā)明恒平衡舵設(shè)置了單獨(dú)的導(dǎo)邊〔4〕和隨邊〔8〕。它們的水平截面形狀為流線形，流體對(duì)導(dǎo)邊和隨邊的阻力應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)為相等。導(dǎo)邊的水平截面上的最寬處等于舵葉厚度，導(dǎo)邊〔4〕最前一塊柵板的距離與柵板間距相同。
隨邊〔8〕可與最末一塊柵板連接為一個(gè)整體。
本發(fā)明恒平衡舵舵面積的取值方法，可按現(xiàn)有平衡舵舵面積取值方法確定。確定了舵面積的值后，便可令全部柵板迎流面〔11〕面積之和，可以等于或稍大于取定的舵面積值。此時(shí)柵板寬度即為本舵的舵葉厚度。
本發(fā)明恒平衡舵的所有構(gòu)件可以為金屬制件。
權(quán)利要求
1.一種平衡舵，由舵軸[1]、舵葉[2]、導(dǎo)邊[4]和隨邊[8]組成，其特征在于舵葉[2]為柵欄狀結(jié)構(gòu)，舵的流體壓力中心[12]在舵軸[1]軸線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平衡舵，其特征在于舵葉〔2〕由兩塊以上寬度相等的柵板〔3〕豎直平行排列構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平衡舵，其特征在于柵板〔3〕間距，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)舵在最大舵角時(shí)，流體恰好不能直接穿過(guò)舵葉〔2〕為宜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平衡舵，其特征在于該舵的全部柵板迎流面〔11〕面積之和，可以等于或稍大于取定的舵面積值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平衡舵，其特征在于導(dǎo)邊〔4〕和隨邊〔8〕均為流線形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平衡舵，其特征在于隨邊〔8〕可與最末一塊柵板連接為一整體。
全文摘要
本發(fā)明是一種恒平衡舵，屬于船舶、飛機(jī)的轉(zhuǎn)向操縱設(shè)備。由舵軸、舵葉、導(dǎo)邊和隨邊組成。其特征是舵葉為兩塊以上寬度相等的柵板間隔均勻地豎直平行排列成柵欄狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)舵的流體壓力中心固定在舵軸軸線上，確保了該舵處于恒平衡態(tài)。本舵有制造簡(jiǎn)單，重量輕和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。使用本舵不需要大推力推舵裝置及大功率舵機(jī)裝置，可使使用本舵的舵系統(tǒng)體積小、耗能少、造價(jià)低。
文檔編號(hào)B64C9/00GK1060269SQ9110994
公開日1992年4月15日 申請(qǐng)日期1991年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年10月24日
發(fā)明者劉華友 申請(qǐng)人:劉華友