[科普中国]-极限舵角

舵力转船力矩及极限舵角

舵是舵设备中承受水动力以产生转船力矩的构件，除老式或小型船舶外，现在大部分海船舵面的形状均设计为流线型。如果不考虑外界的干扰和自身偏转的效应，船在正舵航行情况下，应该做直进运动，即船相对水运动时，水流对称地流过舵叶两侧，两侧面所受的水动力相等，不产生舵力，也就没有转船力矩，船也不会产生偏转。当舵向任一侧转出一舵角 时，水流的对称性被破坏，舵叶两侧的流场随之发生改变，相对水流速度产生差异，迎水流一面的流速比背水流一面的流速慢，因而，迎水流一面的压力增加而舵背面的压力降低，参见图1流线型舵的受力分析。

根据流体力学中的机翼理论原理，当施右 舵角后(如图1所示)，流过舵叶两面的水流速度发生变化，左侧流速加快，右侧流速减慢，从而舵叶两侧间产生垂直于舵叶的压力差 ，此时水流对舵叶产生的摩擦阻力为r， 与r的合力即构成为舵力R。由于阻力 r 相对压力 过小，故R与 ，相差无几。R的大小与舵角 、舵叶面积SR、舵速vR和舵断面积形状等因素有关。将舵力R按船舶首尾方向与其垂直方向分解，则可得起横向作用的升力A与对航进起阻力作用的阻力W。

使船产生转头的龙就是舵压力 。下面仅给出乔塞尔(Joessel)普通舵实验时 的近似计算式：

在计算转船力矩时，可以近似地认为舵力作用中心位于尾垂线处，则力臂为力对重心的转船力矩为：

式中：L——船长（m）；

SR——舵叶面积（㎡）；

vR——舵速（m/s）；

d——转船力臂（m）；

——舵角（°）；

当船长L、舵叶面积SR、舵速vR一定时，转船力矩随舵角而变。对于一般的海船来说，舵角在32°~35°之间时，可达到最大值。若再增大SR时，反而下降，故除了特种舵外，一般把等于32°~35°称为使用极限舵角。船上对此使用了止舵器或限位器，使舵角不超过35°。2

内河船最大舵角内河船舶的展弦比约等于1。根据λ=1的单独舵的试验表明，舵的临界舵角为30°～35°。舵装在船上后，受到艉型、螺旋桨尾流和操舵转船时所存在的漂角的影响，舵与水流的实际冲角将比舵角有所减小。实船操舵试验表明，当舵角增至40°以上时，还没有感觉到舵效突然下降，即未到达临界舵角。所以内河小船的最大舵角可以限制为40°～45°，但某些内河小船的最大舵角也有定为35°的。 《长江水系小型钢船建造规范》规定：舵的转动角度不得超过45°，对航行急流航段的船舶不得超过35°，并应设置舵角指示器和限制器。海船的最大舵角通常定32°～35°。3

舵角限位器1．航行中船舶使用的最大有效舵角，一般流线形舵为32°，平板舵为35°。

2．为了防止在操舵时实际舵角太大而超过有效舵角，在操舵装置的有关部位设置舵角限位器。舵角限位器有机械、电动等多种类型、一机械舵角限位器可以设在舵叶上或下舵杆与舵柱的上部。

3．还有在舵柄两侧极限舵角位置处装设角铁架。当舵转到满舵时，舵柄被角铁架挡住，不能继续转动。电动舵角限位器为装于舵俩两侧极限位置的开关。当舵转到满舵时，舵柄与其相连的装置使开关处于断路位置，与开关串联的舵用电机即停止向某一舷继续转动；当舵机电机反转时，舵柄或与其相连的装置和开关脱离接触，开关即在弹簧的作用下回到通路位置。4