基本介紹
- 中文名：轉柱舵
- 外文名：rotating cylinder rudder
- 載體：船
- 特點：航向穩定性好、阻力小
- 用途：轉柱
- 一級學科：船舶工程
轉柱現象分析,轉柱舵,轉柱舵的設計,
轉柱現象分析
在來流速度
中以角速度
旋轉的圓柱（半徑R），在理論上能產生的勢流速度環量
，相應的升力係數
，升力係數隨轉速比
線性增加。而實驗測得具有端板的轉柱升阻力係數與轉速比的關係曲線如圖1所示，雖然與勢流理論的估計有很大差異，但轉柱升力係數隨轉速比的增大仍可達到很高的數值。而通過比較可見，對轉柱現象的理論分析是必須計及粘性效應的。圓柱旋轉後，在一側（旋轉方向與來流方向相同）可推遲邊界層分離，而在另一側（壁面運動方向與來流相反）反而要提前發生分離，所以在旋轉圓柱的繞流中仍然會有很大的分離區存在。如圖2所示，假定轉柱前駐點下移到O點（對應的輻角為
），上半表面上分離點位於A點（相對於前駐點的輻角為
），下半表面上分離點位於B點（相對於前駐點的輻角為
）。對確定的這些點的角度，則相應的速度環量可以認為是
，並可求出轉柱上下表面速度分布
和
：
圖1
式中
是圓柱未旋轉時表面上理想流體繞流速度分布。根據所給出的速度分散式，便可作邊界層計算確認駐點和分離點位置，這個問題可通過疊代計算解出，圖2中即有計算結果。由此求得的升力係數曲線（圖1中虛線），則與試驗比較接近，以上給出的對轉柱現象分析可認為是比較合理的。
圖2
轉柱舵
單獨的轉柱雖然也能起到船用舵的作用，而通常是將轉柱放在流線型舵的前面構成轉柱舵（圖3）。轉柱旋轉時對流體輸入能量和產生速度環量，在大攻角時還能推遲邊界層分離，甚至可使操舵角高達90°時也繼續增加升力。一些船模試驗表明，安裝這樣的轉柱舵後，可大大改善船舶操縱性，與普通舵的迴轉性能比較，船舶的迴轉直徑能顯著減小，甚至用小的操舵角也可獲得良好的船舶迴轉性能。據報導，最早將轉柱舵套用於實船是在英國的一艘拖輪上（The Naval Architect，Oct．1972），該拖輪長24.5m，寬6m，吃水約2m，排水量200t，安裝的轉柱舵的轉柱轉速可在600~900r/min範圍內變化，轉柱直徑為15.25cm。海上實船試驗結果表明：拖輪全速航行時，操舵角80°，轉柱轉速600r/min，操舵速度4°/s時，該拖輪能在12.2m的圓周上迴轉。船速降低到4.9kn時，使用操舵角為40°，轉柱轉速為900r/min時，其迴轉直徑約為船長的2倍，迴轉時間不超過2.5min。全速時進行緊急剎車，使用轉柱舵後拖輪能在72s時間內繞船長為直徑的圓周上迴轉。這些數據，表明轉柱舵有很好的實用價值。在隨後的研究中，我們國內也完成了轉柱舵的一系列試驗研究和實船上套用，其結果也指出採用轉柱舵在滿舵角時的迴轉直徑為船長的2~3倍，比流線型舵的值減少約1/3~1/2倍船長，效果顯著。
圖3
轉柱舵的設計
轉柱舵的研究從試驗到實船套用，已取得重要成果，對轉柱舵的設計中一些重要參數的選擇也已有了比較一致的認識，例如：
（1）關於轉柱的速度效應，已發現轉注的轉速比
左右(
)，轉柱舵能獲得最大升力，對光滑轉柱再增大轉速比時，升力不再增加。設計時取
是必要的，但在高速船中過大的轉速比則需考慮發生空化現象的危害。
（2）轉柱表面粗糙對提高轉柱升力有一定作用，對轉柱表面軸向開槽的粗糙面，大約能提高5%的升力，並能增大轉速比到
繼續增大升力。
（3）轉柱與舵葉間隙增大，使升力降低。間隙與轉柱直徑的比值從0.02%增加到12.5%時，試驗中最大升力下降7%左右，故將轉柱與舵葉之間的間隙比值控制在0.05%左右是合理的數據。
（4）綜合考慮轉柱驅動功率的情況下，對轉柱舵的展弦比取1.0~1.5是比較合適的。
（5）轉柱直徑應小於舵葉最大厚度，從一些試驗看。取轉柱直徑與舵葉最大厚度的比值為60%~75%都有較好效果。
