一种舰用低噪音舵叶表面结构的制作方法

本发明涉及船舶舾装，尤其是一种舰用低噪音舵叶表面结构。

背景技术：

目前，舰船为获得较好的操纵控制性能，往往将舵叶布置在推进器后方的高速尾流中。这是由于推进器后方的尾流中水流流速较快，舵叶在侧面积一定的情况下，在尾流中转动相同的攻角，相比于全船其他水下区域，可以在舵叶上产生更大的流体升力，从而降低舵叶的设计尺寸，如图1所示。但推进器尾流的流场往往不稳定也不均匀，冲刷在舵叶表面时，容易产生空泡效应或强烈的局部湍流，并因此产生一定的阻力和流体噪声，如图2所示。为降低舰船的舵叶在推进器尾流中的阻力和流体噪声，舵叶的截面往往选用阻力较小的NACA流线线型，如图3所示。

随着水下声纳探测技术的发展，军用舰艇的噪声控制能力也越来越被重视。为进一步降低舵叶在推进器尾流中的阻力和流体噪声，国外的一些军用舰艇试验性的采用了扭曲舵设计，即通过研究推进器尾流的流场以及舵叶在流场中的位置，对舵叶进行一定的表面形状的匹配性设计，改善舵叶表面的流场，从而降低阻力。但该技术的不足是舵叶的结构设计和制作十分复杂，并且无法保证扭曲舵的舵叶在舰船转向时，即推进器尾流流场改变后，扭曲舵的形状依然与变化的流场依然匹配，如图4所示。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种舰用低噪音舵叶表面结构，所述的低噪音舵叶表面结构，参考了自然界的某些鸟类如猫头鹰等在飞行时，其蓬松且带有锯齿末梢的羽毛可以最大程度减小其飞行声音的特性，通过在舵叶钢质硬质表面设计并安装一层具有弹性的、互相匹配连接的可拆翼片，使舵叶表面具备一定的弹性和微沟槽的仿生特征。当舵叶处于推进器湍流或者转向后产生涡流时，所述的舵叶表面安装的弹性翼片可根据水压力及流体动力的变化，在一定范围内产生弹性变形，缓解湍流或涡流造成的舵叶表面水压剧烈变化，并降低湍流或涡流对舵叶外板的冲击振动；此外，弹性翼片所具备的表面沟槽特征，可在水流冲击舵叶时，改善舵叶表面的水流流场，提高流场的均匀度和稳定性，从而提高舵叶整体的抗空泡、降涡流性能，降低舵叶在各种使用工况下所产生的流体噪音。

为解决上述技术问题，本发明的一种舰用低噪音舵叶表面结构，包括：普通弹性翼片、艏弹性翼片、艉弹性翼片，所述普通弹性翼片与舵叶外板固定连接，艏弹性翼片与舵叶外板固定连接，艉弹性翼片与舵叶外板固定连接，普通弹性翼片与艉弹性翼片搭靠连接，普通弹性翼片互相搭靠连接，艏弹性翼片与普通弹性翼片搭靠连接。

进一步，所述普通弹性翼片、艏弹性翼片、艉弹性翼片的端部设有安装孔，可在现有舰船的舵叶上进行安装，也便于后续的维护更换；其端部具备一定高度和空隙的安装座，可根据舵叶表面凹凸情况现场切割并匹配安装；翼片本体具有一定的弹性，可以在一定范围内变形，降低舵叶表面水压；翼片本体上均匀布置突出的弹性脊，可引导翼片表面水流均匀流动；翼片末端设有锯齿形状的碎流梢，可在涡流发生时，制造细碎涡流层，降低涡流对舵叶的冲击；翼片本体上均匀布置细长的引流孔，可减缓翼片表面粘性底层和表面湍流的发生。弹性翼片的尺寸和细节设计可根据进一步的试验和仿真，不断调整和完善。

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：

维持现有舰船的舵装置尤其是舵叶的设计原理及驱动机构，不影响舵装置的设计及布置，具备对现有舰船进行低成本改装的可能；

维持现有舰船舵叶的结构设计，不改变舵叶截面的低阻力线型设计，并且不过多增加舵叶的结构重量；

通过在舵叶上安装一组互相匹配的可拆弹性翼片，使舵叶表面结构具备一定的弹性，缓解湍流或涡流造成的舵叶表面水压剧烈变化，并借助弹性翼片的表面沟槽，改善舵叶表面的水流流场，从而提高舵叶整体的抗空泡、降涡流性能，降低舵叶的流体噪音。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是舰船的典型舵叶布置图；

图2是舵叶表面的典型流场示意图；

图3是现有舵叶的典型结构示意图；

图4是舵叶转动一定攻角后的表面涡流示意图；

图5是本发明的舰用低噪音舵叶表面结构安装示意图；

图6是本发明的普通弹性翼片结构示意图；

图7是本发明的艏弹性翼片结构示意图；

图8是本发明的艉弹性翼片结构示意图；

图9是本发明在涡流状态下的工况示意图；

图中，1为舵叶、2为普通弹性翼片、3为艉弹性翼片、4为艏弹性翼片、5为安装螺钉。

具体实施方式

如图2所示，是舵叶表面的典型流场示意图。舵叶外板在水流的冲刷下，其表面的水流会从前往后形成多个流场区，具体如下：最贴近表面是一层粘性底层，该处的水流由于流体的粘性使得流速较慢、阻力较大，该区面积的大小会对舵叶外板的粘性阻力产生影响；处在水流前端的舵叶表面会产生流动均匀且稳定的层流区，该区水流速度稳定均衡，产生的阻力和水动力噪音较小；处在水流中间区的舵叶表面会产生层流和湍流的过渡区，该区域的水流由于压力变化和粘性底层的影响，逐渐丧失稳定的流动轨迹，开始产生流场扰动和压力波动；处在水流末端的舵叶表面则完全由粘性底层以及湍流区覆盖，该处水流无稳定流场和流向，扰动明显，也是舵叶的阻力和流体噪音的主要来源。

如图3所示，是现有舵叶的典型结构示意图。舵叶的截面参照流线型的NACA线型制作，舵叶上下基本平直，略为缩小，呈倒梯形结构。

如图4所示，是舵叶在不同攻角下产生的流场示意图。当舵叶对水流的攻角为0°时，由于采用了流线型的NACA线型，舵叶表面的水流流场稳定平滑；当舵叶对水流的攻角为30°时，根据水流速度的不同，舵叶的尾部将产生大小、扰动强度不一的涡流和湍流，这些涡流和湍流在舵叶表面产生流体升力的同时，也产生相应的阻力和流体噪音。

如图5所示，是本发明的一种舰用低噪音舵叶表面结构安装示意图。普通弹性翼片2、艉弹性翼片3、艏弹性翼片4通过安装螺钉5，安装在舵叶1的外表面。其中，艉弹性翼片3的末端根据舵叶的形状进行设计，并最先安装，然后再逐次安装普通弹性翼片2，后安装的翼片末端分别搭接在前一个翼片的前端凹陷处，最后安装艏弹性翼片4。每行弹性翼片之间的间隙尽量控制的小，避免过大的缝隙产生不利扰流。

如图6所示，是本发明的普通弹性翼片2的结构示意图。普通弹性翼片2的端部设有安装孔，可在现有舰船的舵叶上进行安装，也便于后续的维护更换；其端部具备一定高度和空隙的安装座，可根据舵叶表面凹凸情况现场切割并匹配安装；翼片本体具有一定的弹性，可以在一定范围内变形，降低舵叶表面水压；翼片本体上均匀布置突出的弹性脊，可引导翼片表面的水流均匀流动；翼片末端设有锯齿形状的碎流梢，可在涡流发生时，制造细碎涡流层，降低涡流对舵叶的冲击；翼片本体上均匀布置细长的引流孔，可减缓翼片表面粘性底层和表面湍流的发生。

如图7所示，是本发明的艉弹性翼片3和艏弹性翼片4的结构示意图。艉弹性翼片3和艏弹性翼片4的基本结构特征与普通弹性翼片2一致，其中，艉弹性翼片3的翼片本体长度相对于普通弹性翼片2要略长，且其末端的锯齿边缘需要根据舵叶1的末端斜度进行匹配设计；艏弹性翼片4安装在舵叶的最前端，翼片本体的形状需要匹配舵叶的外形设计，并且需要采用对称式设计和更长的安装座。

如图8所示，是安装本发明后的舵叶在不同攻角状态下的流场示意图。当舵叶对于水流的攻角为0°时，由于安装本发明后的舵叶依然保持着原先的NACA线型，舵叶表面的水流流场依然稳定平滑；当舵叶对水流的攻角为30°时，根据水流速度的不同，舵叶表面将产生流体升力，在舵叶升力侧安装的普通弹性翼片2和艉弹性翼片3，在流体升力的牵引和水流冲刷的综合作用下，将从前至后依次产生变形，由于弹性翼片的特殊结构，水流将被有序的扰动，在翼片和舵叶表面产生均匀的小涡流，这些小涡流有助于均衡流场压力，降低舵叶在攻角状态下的阻力和流体噪音。