[发明专利]一种抗空化扭曲舵的设计方法

摘要

本发明属于船舶或船舵设计领域，尤其涉及一种抗空化扭曲舵的设计方法。基于该方法设计的扭曲舵在充分考虑船舶螺旋桨尾流中的旋转速度等各种因素对船舵影响的基础上，以船舶直航时螺旋桨后尾流场的分布特点来设计确定舵的各展向位置剖面的几何攻角和线型，以使舵的几何形状与螺旋桨尾流场相匹配，达到改善舵表面的压力分布，提高舵的空化起始航速，减少舵空化发生的时间和面积，降低舵引起的振动和噪声，抑制舵面的空化剥蚀，节省舵的维护成本，改善舵叶的受力状态，提升舵效，降低舵机负荷等目的。

主权项

1.一种抗空化扭曲舵的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据目标船舶的需求，确定舵高、各展向位置剖面的弦长、各展向位置剖面的最大厚度、各展位置剖面的线型，包括剖面厚度沿着弦向的分布形式和剖面拱度沿着弦向的分布形式以及舵轴在舵上的安装位置等基本参数，以这些基本参数作为扭曲舵设计的原始参数；步骤二、通过数值计算方法或者试验测量方法得到目标船舶无舵情况下在中高速直航时螺旋桨后的尾流场数据，所述尾流场数据包括尾流速度方向和速度大小的分布；步骤三、依据步骤一所述的舵高、各剖面的弦长、各剖面的最大厚度、舵轴的安装位置基本参数，在上述尾流场数据的基础上，对各展向位置剖面的几何攻角和线型，包括剖面厚度沿着弦向的分布形式和剖面拱度沿着弦向的分布形式进行调整，得到各种舵的几何形状方案，并计算0°舵角时各方案舵叶表面的压力p的分布及相应的负压力系数提取各展向位置剖面上的负压力系数的峰值，负压力系数的定义为：其中p为舵表面的压力，p₀为参考压力，ρ为海水密度，V_S为船舶航速；通过对舵各展位置剖面的几何攻角和线型进行优化设计，获取使各展向位置剖面上相应峰值取值最小，即各剖面压力最低值取值最大的最佳几何攻角和最佳线型数据，以上述各展向位置剖面的最佳几何攻角和最佳线型数据为基础加工扭曲舵；步骤三中所述舵各展向位置剖面的几何攻角和线型的具体优化过程可以分为：过程(a)，保持各展向位置剖面弦向方向的厚度分布不变，拱度设为零，调整各展向位置剖面的几何攻角，使各展向位置剖面几何攻角与步骤二中相应位置的来流攻角相等，获取各展向位置剖面的几何攻角分布作为过程(a)的设计结果；过程(b)，在过程(a)的基础上，保持各展向位置剖面弦向方向的厚度分布不变，拱度设为零，考虑舵和桨的相互影响，用数值计算方法对舵和桨相互作用下的水动力进行计算，得到舵各剖面上压力面以及吸力面的压力分布，将各剖面的几何攻角沿展向的分布作为调整参数，目标函数为各剖面上所有指定弦向位置压力面与吸力面压力分布之差的平方和，通过最小二乘法可以使目标函数达到极小值，获取各剖面的几何攻角分布数据作为过程(b)的设计结果；过程(c)，在过程(b)的基础上，保持各展向位置剖面的几何攻角和最大厚度不变，以各展向位置剖面厚度沿弦向的分布形式作为调整参数，以所有指定展向位置剖面负压力系数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代方法求解使目标函数达到最小值的各剖面厚度沿弦向的分布数据作为过程(c)的设计结果；过程(d)，在过程(c)的基础上，保持各展向位置剖面的最大厚度和各展向位置剖面厚度沿弦向的分布形式不变，以各展向位置剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式为调整参数，以所有指定展向位置剖面负压力系数峰值的平方和为目标函数，通过最小二乘法采用迭代的方法求解使目标函数取最小值的各剖面几何攻角和拱度沿着弦向的分布形式数据，以该求解结果中的各剖面几何攻角和各剖面拱度沿弦向的分布形式数据作为过程(d)的设计结果；其中，从过程(a)到过程(d)，优化设计过程是层层递进的，根据目标船舶的实际设计需求，可以只执行过程(a)，也可从过程(a)开始执行到过程(b)或者过程(c)或者过程(d)，以最后一过程获得的设计结果作为扭曲舵的设计数据。