专利名称：恒平衡舵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种恒平衡舵，属于船舶、飞机的转向操纵设备。
现有的“平衡舵”(包括平板舵和流线型舵在内)的典型结构特点是舵叶的外表面均为连续、平整的平面。这种平衡舵，当流体流经舵叶时，流体将在舵叶表面及其附近、特别是在舵叶的长度方向上形成速度梯度，使流体对平衡舵舵叶表面的压强不均匀，从而导致舵叶上流体压力中心随着舵角的变化而在舵叶的长度方向上前后移动。
由此可知，平衡舵的流体压力中心是一个动点，而舵轴都是一根固定轴，只有当流体压力中心在移动中经过舵轴时，才有短暂的重合。一般情况舵轴轴线很难与流体压力中心重合。它们不重合时，流体对舵叶的作用使舵受到一个舵压力，它将推动舵绕舵轴转动，这舵压力就是推动舵转动的扭力，只要舵上有这个扭力存在，舵就处于不平衡态。
为保证用舵，就必须克服平衡舵转动的扭矩。这样，使用平衡舵的舵系统都必须按舵上最大扭矩配置推舵装置和舵机装置，这就使使用现有平衡舵的舵系统体积大，耗能多，造价高。
本发明提供一种不用外力支持的恒平衡舵，它能使流体流经舵叶时所形成的速度梯度不影响舵的平衡，实现舵的流体压力中心固定，并在舵轴轴线上，确保该舵始终处于恒平衡态。
本发明的目的可以通过以下措施来达到由舵轴、舵叶、导边和随边经焊接或其他适当方法连接成恒平衡舵装置，其特征在于舵叶为两块以上宽度相等的栅板竖直、平行地排列成栅栏状结构。
任意一块栅板迎流面上所受的流体压力与该块栅板迎流面到舵轴轴线之距离的乘积，为该块栅板的流体压力对舵轴的扭矩。舵轴设在舵叶长度方向上的位置是能使流体压力对舵轴之前所有栅板的扭矩之和，与流体压力对舵轴之后所有栅板的扭矩之和大小相等，方向相反，合扭矩为零的那个舵轴轴线位置，正是该舵的流体压力中心所在之处，实现了流体压力中心在舵轴轴线上。
由于舵叶的栅栏状结构，使流经其舵叶的流体在舵叶的长度方向上形成的速度梯度是周期性的，且对舵轴轴线是对称分布;由于栅板的宽度相等，当舵在舵角不为零且转动时，全部栅板迎流面实际上接受流体的作用是近似等压强的。虽然流量在变化，但这个变化在栅板之间是等比例变化。所以，流体压力对舵轴轴线之前的栅板的扭矩之和与流体压力对舵轴轴线之后的栅板的扭矩之和仍然是大小相等，方向相反，合扭矩为零，因此确保了舵的恒平衡。
流体对舵的作用情况当舵角不为零或舵在转动时，舵叶的栅栏状结构使冲击到恒平衡舵的流体只能均匀地穿进舵叶，并冲压舵叶中的全部栅板迎流面，流体作用力也同样均匀地分散作用到每一块栅板的迎流面上，从而使全部栅板均匀地产生了舵的升力和阻力。舵升力推动舵相对于流体运动方向作横向运动，导致使用本舵的运输工具改变运动方向。舵阻力则使舵的前进速度降低，使使用本舵的运输工具减速。根据力的合效应，以上力可视为作用在舵的压力中心上。由于流体压力中心在舵轴轴线上，所以，此时本舵没有自行转动的趋势，舵上也就没有由舵压力形成的扭矩，只有与现有平衡舵相同的对支撑轴承的正压力。
当舵角为零即为正舵时，流体只能对舵的导边施压，进而在支撑轴承上形成正压力，但不会在舵上形成扭矩，也就不能使本舵有自行转动的趋势。
综上所述，由于本发明恒平衡舵的舵叶是栅栏状结构，使流体流经舵叶时所形成的速度梯度，不影响该舵的平衡性，同时使流体压力中心固定在舵轴轴线上，确保了舵的恒平衡态。
又因舵上没有扭矩，只有与现有平衡舵相同的对支撑轴承的正压力，故推动本舵不需要大推力舵装置及大功率舵机装置，可使用本舵的舵系统体积小、耗能少、造价低。
恒平衡可参照如下附图
图1为本发明恒平衡舵的结构示意图。
图2为本发明恒平衡舵舵角为θ时的受力关系示意俯视图。
下面将结合附图作进一步详述本发明恒平衡舵由舵轴〔1〕、舵叶〔2〕、导边〔4〕和随边〔8〕用常规方法焊接而成。舵轴〔1〕通过舵的流体压力中心定于舵叶〔2〕的长度方向。舵的转舵动力从舵轴〔1〕上输入。
栅栏状舵叶〔2〕是由两块以上形状、尺寸相同的栅板〔3〕竖直平行等距排列，经焊接而成。舵叶〔2〕侧投影的外形轮廓为四边形，可以是矩形，也可以是非矩形。栅板〔3〕间距以实现当舵在最大舵角时，流体恰好不能直接穿过舵叶〔2〕为宜。
为了增加恒平衡舵的整体强度，在舵叶〔2〕的栅板〔3〕之间设置了水平的加强筋板〔10〕。上盖板〔9〕和下盖板〔5〕主要对栅板起定位作用，同时也对舵叶〔2〕的整体增加强度。加强复板〔7〕是为增加舵叶〔2〕与舵轴〔1〕的连接强度。
图2是本发明恒平衡舵舵角为θ时的受力关系示意俯视图，由于舵叶为栅栏状结构，使冲击到该舵的流体不能在舵叶表面滑行，只能均匀地穿进舵叶，冲压舵叶中的全部栅板迎流面〔11〕。根据力的合力效应，可将流体作用在每一块栅板迎流面〔11〕上的力看成是F作用在流体压力中心〔12〕上。
几种力的关系是f＝Fcosθfy＝fsinθ＝Fsinθcosθfx＝fcosθ＝Fcos2θ其中舵的升力fy将推动舵相对于流体运动方向作横向运动，使使用该舵的运输工具改变运动方向，舵阻力fx则使舵的前进速度降低，使使用本舵的运输工具减速。由于fy和fx都是作用在流体压力中心〔12〕上，而流体压力中心〔12〕是在该舵轴上，所以，本舵没有自行转动的趋势。
为了减少正舵时的舵阻力，本发明恒平衡舵设置了单独的导边〔4〕和随边〔8〕。它们的水平截面形状为流线形，流体对导边和随边的阻力应尽可能设计为相等。导边的水平截面上的最宽处等于舵叶厚度，导边〔4〕最前一块栅板的距离与栅板间距相同。
随边〔8〕可与最末一块栅板连接为一个整体。
本发明恒平衡舵舵面积的取值方法，可按现有平衡舵舵面积取值方法确定。确定了舵面积的值后，便可令全部栅板迎流面〔11〕面积之和，可以等于或稍大于取定的舵面积值。此时栅板宽度即为本舵的舵叶厚度。
本发明恒平衡舵的所有构件可以为金属制件。
权利要求
1.一种平衡舵，由舵轴[1]、舵叶[2]、导边[4]和随边[8]组成，其特征在于舵叶[2]为栅栏状结构，舵的流体压力中心[12]在舵轴[1]轴线上。
2.根据权利要求1所述的平衡舵，其特征在于舵叶〔2〕由两块以上宽度相等的栅板〔3〕竖直平行排列构成。
3.根据权利要求1或2所述的平衡舵，其特征在于栅板〔3〕间距，以实现当舵在最大舵角时，流体恰好不能直接穿过舵叶〔2〕为宜。
4.根据权利要求1或2所述的平衡舵，其特征在于该舵的全部栅板迎流面〔11〕面积之和，可以等于或稍大于取定的舵面积值。
5.根据权利要求1所述的平衡舵，其特征在于导边〔4〕和随边〔8〕均为流线形。
6.根据权利要求4所述的平衡舵，其特征在于随边〔8〕可与最末一块栅板连接为一整体。
全文摘要
本发明是一种恒平衡舵，属于船舶、飞机的转向操纵设备。由舵轴、舵叶、导边和随边组成。其特征是舵叶为两块以上宽度相等的栅板间隔均匀地竖直平行排列成栅栏状结构，实现舵的流体压力中心固定在舵轴轴线上，确保了该舵处于恒平衡态。本舵有制造简单，重量轻和造价低等优点。使用本舵不需要大推力推舵装置及大功率舵机装置，可使使用本舵的舵系统体积小、耗能少、造价低。
文档编号B64C9/00GK1060269SQ9110994
公开日1992年4月15日 申请日期1991年10月24日 优先权日1991年10月24日
发明者刘华友 申请人:刘华友