帽舵及船的制作方法

本实用新型涉及一种改进了型线及结构设计的船用舵及采用这种舵构建的船，具体地说，涉及帽舵及船。
背景技术：
：船只行进航向的改变主要依靠操舵，常用的舵有板叶舵和导流管舵，两者在结构上的共性是都有舵轴和舵体。舵轴上端联结舵机，用以接收舵机传递的扭矩，下端联接舵体，板叶舵的结构特点是从船的侧面看，舵体大致呈平板形状，为减小舵叶本身产生的阻力，也有把舵叶的剖面设计成NACA（美国国家航空咨询委员会）翼型对称型线的。导流管舵的结构特点是舵体为一个围绕着浆叶的管状结构，为减小管本身产生的阻力，通常导流管的径向剖面采用改进的NACA非对称剖面如图14所示。上述两种舵存在一个共同的问题，就是舵轴受扭及受弯的力矩较大，因为舵轴的悬臂较长，采用舵轴底部支承座可以改善受弯力矩的情况，但受扭仍无法改善，因此舵轴设计得强度要求较高，尺寸相对较大及材料要求相对高。此外，上述两种舵的阻力面积都相对较大，因此，同样舵效的情形下，直航时舵阻力仍较大，此外，板叶舵的舵效并不理想。技术实现要素：本实用新型的主要目的是提供一种能使现有舵存在的上述三个方面问题得到改善的帽舵；本实用新型的另一目的是提供一种采用帽舵构建的船。为实现上述主要目的，本实用新型提供的帽舵包括舵轴和舵体，舵体包括一块固定在舵轴端部的帽板，帽板为一具有顶面、底面、前端面、后端面、左端面及右端面的空间曲面板，帽板在横剖面上的投影面积小于在水线面上的投影面积，也小于在纵剖面上的投影面积。由以上方案可见，舵体为一帽板，使舵轴相对长度下降，因而降低了轴的强度要求；基本舵效相同、体积相同的情形下，帽舵具有相对板叶舵或导流管舵更小的阻力面积，大大提高了航速，从节能角度考虑，本实用新型具有巨大的经济效益。上述优点将在实施例中加以更清楚地说明。具体的方案是还包括第一肋板和第二肋板中的至少一块，第一肋板和第二肋板垂直地安装在帽板的顶面上，且位于帽板的纵中剖面上。本方案一方面可以加强结构，另一方面增加了舵效。更具体的方案是第一肋板一端连接舵轴，另一端向艏延伸至帽板的前端面；第二肋板一端连接舵轴，另一端向艉延伸至帽板的后端面。另一具体的方案是从横剖面上看，帽板的底面与桨梢之间的最小间距h满足以下关系式h=0.1%d～100%d其中d为桨的直径。还一个具体的方案是帽板的纵剖面为改进的NACA非对称剖面。该方案可以改善帽舵的阻力。还一具体的方案是还包括第一辅助舵叶和第二辅助舵叶中的至少一块，第一辅助舵叶和第二辅助舵叶垂直地安装在帽板的底面上，且位于帽板的中纵剖面上。更进一步的方案是从中纵剖面上看，桨叶位于第一辅助舵叶和第二辅助舵叶之间。另一共更进一步的方案是第一辅助舵叶的底边和第二辅助舵叶的底边均位于桨叶的轴线之上。再一更进一步的方案是从中纵剖面上看，第一辅助舵叶远离桨叶的一端伸出帽板，所述第二辅助舵叶远离所述桨叶的一端反向伸出所述帽板。为实现本实用新型的另一目的，本实用新型提供的船包括船体与帽舵，帽舵采用上述帽舵方案中的任一方案。附图说明图1是本实用新型船实施例的示意图；图2是图1中艉向艏视的帽舵与桨的位置关系示意图；图3是本实用新型帽舵第一实施例的示意图；图4是本实用新型帽舵第二实施例的示意图；图5是图4的中纵剖视图；图6是本实用新型帽舵第三实施例的示意图；图7是图6的纵中剖视图；图8是本实用新型帽舵第四实施例的结构示意图；图9是图8的左视图，图中略去了肋板；图10是反映本实用新型帽舵实施例中帽板底面横向曲率可选方案的示意图；图11是反映本实用新型帽舵实施例帽板与桨纵向相对位置的示意图；图12是对比例现有单板舵的结构图；图13是本实用新型第五实施例的结构示意图；图14是现有导流管的剖面结构示意图。以下结合各实施例及附图对本实用新型进行详细说明。具体实施方式船实施例参见图1，本实施例的船是一艘货船，图1中略去了主甲板以上的部分，在其船体1的艉部设置有桨2，在桨2的上方设置有帽舵3，从图1中桨2与帽舵3的相对位置来看，帽舵3好似桨2的一顶帽子，因此，本实用新型提供的舵称之为帽舵。参见图2，自艉向艏看，帽舵3也如同一顶帽子戴在桨2之上。帽舵3包括舵轴32和固定在舵轴下端的舵体，本例的舵体只有帽板31，由图2可见，帽板31是一块具有顶面311、底面312、前端面、后端面314、左端面315、右端面316且在空间具有曲率的曲面板，该曲面板的空间曲率是指底面312的曲率或顶板311的曲率，本例中，该曲面板只有横向曲率，而纵向曲率为零，即该曲面板是以前端面或后端面314平面形状在纵向拉伸而成的一块二维曲板，固前端面与后端面314的面积及形状完全相同，帽板31在横剖面上的投影面积即图2中的后端面314小于在水线面上的投影面积，也小于在纵剖面上的投影面积。从图2看，帽板31关于舵轴32是左右对称的一块曲板。从图1看，帽板31相当于把板叶舵横过来用，短边端面是阻力面，因此，帽舵的阻力相对板叶舵的阻力要小。从图2看，帽板31只是一段弧板，本例中弧长所对应的圆心角不超过180度，而导流管是一个整圆弧板，因此，帽板31的阻力只相当于相同条件下导流管阻力面积的三分之一到二分之一。另外，由于帽舵3位于桨的上方，与板叶舵相比，舵轴2相对短，舵轴2的受力情况相对好的多，因此可以减小舵轴的尺寸及舵机的功率。船的其他实施方式本实用新型的船还可以是除货船之外的其他水面船艇，也可以是多桨多帽舵船，只要每桨搭配一扇帽舵即可。此外，适配的帽舵可以是本实用新型以下各帽舵的实施例。帽舵第一实施例参见图3，本例的帽舵仅由帽板31和舵轴32构成，帽板31具有顶面311、底面312、前端面313、后端面314、左端面315及右端面316。可以理解的是，本实用新型所称的各端面可以是平面，也可以是弧面，应该综合考虑流体阻力及工艺简繁具体选取。本例中，底面312是一段圆弧在纵向拉伸而形成的圆柱面，该圆柱面圆的半径等于该帽舵所适配桨的半径加一个h值，h取值可以在0.1%d至100%d之间取值，其中d为桨的直径，h值的取值考虑因素主要有船型及设计航速，实施时可以通过模型实验加以确定。帽舵第二实施例参见图4，本例与帽舵第一实施例的区别是增加了肋板33，肋板33由第一肋板331和第二肋板332构成。第一肋板331垂直地安装在顶面311上，且其一端连接舵轴31，另一端延伸至前端面313，第二肋板332垂直地安装在顶面311上，且其一端连接舵轴31，另一端延伸至后端面314。肋板33一方面可以提供舵板的有效面积，另一方面可以提供固定帽板31的强度。参见图5，本例在操舵时，能够产生舵效的舵面积等于2倍的帽板31纵向投影面积加上第一肋板331及第二肋板332的面积。帽舵第三实施例可以理解的是，根据本实用新型帽板在横向的曲率是可以取值为零的，参见图6及图7，本例帽舵的特点是帽板31的纵横向曲率均为零，是一块平板，本例在操舵时，能够产生舵效的舵面积是第一肋板331及第二肋板332，而帽板31产生的舵效可以忽略，帽板31主要的作用是整流，即在纵向看，使桨前及桨后的水流被帽板31规整，以提高推进效率，另一作用和前两例一样，在船发生纵向摇摆时提供减摇力矩。帽舵第四实施例参见图8和图9，本例的特点是在帽舵第二实施例的基础上增加了第一辅助舵叶341和第二辅助舵叶342，从中纵剖面上看，即从图8看，第一辅助舵叶341和第二辅助舵叶342都是自帽板31的底面312垂直向下延伸的，且底边位于桨叶2的轴线之上，从图9可以看出，还位于中纵剖面上。另一方面，桨叶2是位于第一辅助舵叶341和第二辅助舵叶342之间的。此外，第一辅助舵叶341远离桨叶的一端，即图8示的左端可以向左伸出帽板31，见图8左部的虚线部分，第二辅助舵叶342远离桨叶的一端，即图8示的右端可以向右伸出帽板31，以提高舵效，见图8右部的虚线部分。帽舵的其他实施方式根据本实用新型帽板的横向曲率可以按图10示的方式进行设计，帽板31的底面312的曲率半径R可以取的值是变化的，只要底面312与桨梢之间的最小间距h值满足要求即可，图10中R0＜R1＜R2，当R趋于无穷大是即为帽舵第三实施例的情形。参见图11，从纵向看，帽板31的长度为L，高度为H，在纵向的投影面积S1＝HL，且长度L可分为叶前段b1、叶段b0、叶后段b2，b1的取值范围为(0～2)d；b2的取值范围为(0～10)d。帽板31把经桨推动后向四周发散的高速流动水流被帽板31罩住的那部分，导向与轴线平行的方向，使罩内的水流量增加，致使该部分的水流速增加，导致增加了推力F1，因而增加了航速，同时，帽板31罩住部分向上的水流向上的分力使船获得一个向上的升力F2，相当于抵减了船的重力，使吃水减少，航速增加。图11中F为水流对帽板的作用合力。此外，前述帽舵的三个实施例中，帽板31的顶面311与舵轴32的轴线之间的夹角都是90度的，还可以根据设计航速时船的纵倾状态设计该夹角，以使装载不适当船产生纵倾时帽板31参与纵倾调整。显然，根据本实用新型还可以设计成帽板31相对舵轴32的上述夹角是可以微调的，航行时通过该夹角的调整进行纵倾浮态的调整。还有，上述各实施例中帽板31在横剖面上都是关于舵轴左右对称设置的，本领域技术人员应当知晓，对于双机双桨船，由于配备本实用新型的帽舵必然也是双舵，这种情形下帽板31在横剖面上可以不关于舵轴左右对称设置。多机多桨船也可视具体情况设置成帽板31在横剖面上不关于舵轴左右对称。另外，在帽舵第四实施例中，第一辅助舵叶与第二辅助舵叶都是位于中纵剖面上的，也可以设置成二块以上的第一辅助舵叶及二块以上的第二辅助舵叶，只要多块第一辅助舵叶及多块第二辅助舵叶都在横剖面上关于舵轴左右对称即可。最后，帽板31的纵剖面线型还可以是如图14所示的NACA非对称剖面，或其他NACA剖面。上述各种变化设计同样都能实现本实用新型的目的并取得相应的有益效果。为检验单板舵与本实用新型的帽舵之间的航速及舵效两个方面的数据对比，申请人对天池5号船进行了对比试验，实验船天池5号主要参数如下：总长21.8米，船长20.20米，型宽4.2米，型深1.25米，吃水0.75米。马力135千瓦，实测转速1800转/分钟。液压手动舵机，桨径600毫米。该船原采用板叶舵的结构参见图12，该板叶舵为单板舵，舵长L1＝500毫米，舵高S1＝650毫米中部横设三道加强筋。其他所有参数不变的条件下，对该船的舵叶拆除，换上本实用新型帽舵的结构参见图12，帽板为等厚板，即没采用NACA剖面，并在后端加装了辅助舵叶，舵长L2＝1300毫米，舵高S2＝355毫米，辅助舵叶长800毫米，高120毫米。于2018年7月分别在珠海市马骝洲水道进行了航行试验，水深5米，风力1级，海面状况轻风。均采用主机70%、85%、100%负荷下分别三次往返采集数据，算出顺流、逆流最大平均航速，及转舵时间和转舵半径。数据对比如下：舵型航速（节）转舵时间转舵半径板叶舵6.651分44秒2.5倍船长帽舵7.601分27秒2.0倍船长由上表可见，采用帽舵后，航速提高了14.3%，转舵时间减少了17秒，转舵半径减少了0.5倍船长。当前第1页1 2 3