99m敞口集散兩用船的舵設(shè)計

1、99m敞口集散兩用船的舵設(shè)計航行于內(nèi)河A、B級航區(qū)的敞口集散兩用船的舵設(shè)計對敞口集散兩用船舵設(shè)備的受力進行了探討用力學理論確定舵設(shè)備的主要要素。1概述99m敞口集散兩用船為鋼質(zhì)、縱橫混合骨架式結(jié)構(gòu),普通前傾式船首、方尾、雙尾船型。中部貨艙區(qū)域為單甲板、雙底雙舷。其主甲板下設(shè)置縱向抗扭箱,主甲板、抗扭箱、雙層底為縱骨架式,舷側(cè)為橫骨架式,首尾部船底為縱骨架式,其它區(qū)域為單底、單舷、橫骨架式。首尾設(shè)有升高甲板,機艙、起居室及駕駛室均設(shè)置在船尾,雙機、雙槳、雙舵。本船為柴油機驅(qū)動的敞口集散兩用船,主要航行于內(nèi)河A、B級航區(qū),續(xù)航力100h?？沙羞\煤炭、砂石等散裝貨物,亦可裝載6. 1m標準集裝箱22

2、0只。2主要量度總長 99. 20m設(shè)計水線長 96. 60m船長 94. 30m型寬 16. 00m型深 7. 00m設(shè)計吃水 5. 20m總排水量 7 260t方形系數(shù) 0. 90設(shè)計航速 18. 5km/h3舵參數(shù)選擇舵是實現(xiàn)船舶操縱的主要設(shè)備,轉(zhuǎn)動舵時,舵上產(chǎn)生的水動力在垂直于船體中心線方向上的分力相對于船體舯剖面形成轉(zhuǎn)船力矩,起回轉(zhuǎn)船舶的作用,置于零舵位時起穩(wěn)定航向的作用。性能優(yōu)良的舵設(shè)備能滿足船舶對操縱性的要求,能使舵裝置與操舵裝置的重量輕、成本低、功率消耗小,工作安全可靠,便于制造和維修。根據(jù)本船船體尾部形狀,以及本船主要航行于內(nèi)河航區(qū),對船舶操縱性的要求較高,所以設(shè)計時選用雙槳

3、、雙舵,采用流線型雙支承平衡舵,舵位于螺旋槳的正后方。3. 1舵面積確定舵面積是影響船舶操縱性的主要因素之一?？紤]到本船尾部線型,應(yīng)盡量增大舵面積,以減小大舵角時的回轉(zhuǎn)直徑,提高船舶的機動性。本船船型和主要量度接近母型船,且已投入營運的母型船操縱性能較好,故取母型船的舵面積比0=3. 85%為舵面積比。=0=2A / L·d×100% =3. 85%式中:L船長,L=94. 30md設(shè)計吃水,d=5. 20mA單舵舵面積,m2故A=9. 45m2考慮本船尾部線型和吃水,實取舵高h=3. 50m,舵寬b=2. 70m。3. 2展弦比本舵為矩形舵,其展弦比=h / b=3. 5

4、0m / 2. 70m=1. 2963. 3舵葉剖面形狀和厚度比由于NACA剖面的升力較大,阻力較小,適宜于正對螺旋槳尾流的舵葉。故本船舵葉選取NACA0015對稱機翼剖面,即型厚比為0. 15。3. 4舵平衡比根據(jù)統(tǒng)計資料,該類型貨船的舵平衡比k宜在0. 250. 28之間,本舵為矩形舵,實取舵桿中心線至導邊的距離為a=0. 73m,則舵平衡比 k=a / b=0. 73m / 2. 70m=0. 273. 5轉(zhuǎn)舵速度與最大舵角按鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范(2002)的規(guī)定,舵葉自一舷35°至另一舷30°所需時間不超過20s,轉(zhuǎn)舵角度應(yīng)以船舶左右舷各35°為宜。

5、舵的外形尺寸如圖1所示。4舵水壓力及扭矩計算本船主要有正航、倒航2種工況,考慮到倒航工況不常使用,且倒航時舵上水流速度最大只取正航時的50%,因此僅計算正航時的最大水壓力和扭矩,作為選配舵機和舵桿直徑的依據(jù)。4. 1舵上水流速度由于本船舵位于螺旋槳正后方,其來流速度V按經(jīng)驗公式可取航速VS的1. 25倍,即V=1.25VS=1. 25×18. 50 km/h=23. 1km/h=6. 425m/s4. 2舵水動力計算本船舵水壓力及扭矩計算采用模型舵法,選用NACA0015的水動力系數(shù)作為計算依據(jù)。據(jù)NACA0015翼型水動力特性曲線圖譜,查得展弦比0=1時舵在失舉角時的各水動力系數(shù)如

6、下：失舉角0=34°,法向力系數(shù)Cn0=1. 153,升力系數(shù)Cy0=1. 052,力矩系數(shù)Cm0=0. 141。則有阻力系數(shù)Cx0=（Cn0-Cy0·cos0） / sin0= 0. 502壓力中心系數(shù)Cp0=Cm0 / Cn0 + 0. 25 = 0. 372 3本舵展舷比=1. 296,根據(jù)普蘭特公式進行換算。=0 + 57.3Cy0 / · (1 / -1 / 0) = 29. 62°Cx=Cx0+Cy0 / · (1 / -1 / 0) = 0. 425Cy=Cy0=1. 052Cp=Cp0=0. 372 3水動力合力系數(shù)C和法向力系

7、數(shù)Cn為C=(C2y+C2x)0.5=1. 135Cn=Cy·cos+Cx·sin=1. 125求得舵壓力P、法向水壓力Pn及扭矩Mn分別為P = 221 382. 83NPn = 219 432. 32NMn = Pn · (Cp · b - a) = 60 389. 97N·m5舵桿強度計算及舵桿直徑本船主舵桿設(shè)上、下舵承,舵葉下端設(shè)舵托。舵桿直徑在上舵承處為DA=0. 18m、下舵承處為DB=0. 22m、舵托處為DC=0. 16m。舵桿的受力情況可以簡化成如圖2所示的3支點梁。5. 1各支點反力經(jīng)計算,各支點反力分別為RB=150 09

8、7. 56NRC=112 462. 48NRA=41 177. 21N5. 2舵桿軸承摩擦扭矩Mf=f·Ri·ri式中:f摩擦系數(shù),f=0. 15ri各支點處的舵桿半徑,rA = 0. 09m,rB = 0. 11m,rC = 0. 08m故Mf = f·(rA·RA+rB·RB+rC·RC) = 4 382. 05N·m5. 3舵桿上所受總扭矩MNMN=Mn+Mf=64 772. 02N·m因此,本船選用100kN·m的電動液壓舵機能滿足要求。5. 4舵桿上所受最大彎矩MW MW=112 351. 79

9、N·m5. 5下舵承處最大彎矩和舵桿直徑按莫爾強度理論,下舵承處合成彎矩MT為MT=0.35MW+ 0.65M2W+M2N=123 618. 7 N·m本舵舵桿采用35號鋼,其抗拉強度b=530MPa,安全系數(shù)n取3. 6,則許用應(yīng)力=b / n = 147. 22MPa,所以下舵承處舵桿直徑Db為Db=332MT·=332×123 618. 7N3. 14×147. 22MPa=0. 205m本船舵桿直徑下舵承處實為0. 22m,滿足要求。5. 6舵柄處舵桿直徑在舵柄處,按扭矩校核強度。取=0.6=88. 33MPa。舵柄處舵桿直徑D1=31

10、6Mn·=316×60 389. 97N3. 14×88. 33MPa=0. 152m舵柄處舵桿直徑實為0. 18m,滿足要求。6舵機功率估算舵機功率N按下式計算。N=2·MN··k360°·式中:MN舵桿總扭矩,MN=64 772. 02N·m從左滿舵到右滿舵的舵角,=65°從左滿舵到右滿舵所需的時間,=20sk考慮舵機效率等因素的功率儲備系數(shù),本船選用電動液壓舵機,可取k=1. 5故N=5 508. 32W本船實際選取Y132M-4H-B3船用三相異步電動機,其功率為7. 5kW,電壓380

11、V,電流15. 4A,轉(zhuǎn)速1 440r/min。7舵設(shè)備其它結(jié)構(gòu)本船舵設(shè)備其它結(jié)構(gòu)按鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范(2002)的要求核定。舵葉板和隔板厚度的規(guī)范計算值為7. 08mm,實取為10mm。舵銷直徑的規(guī)范計算值為130. 13mm,實取為160mm。舵葉與下舵桿連接水平法蘭螺栓直徑的規(guī)范計算值為50. 56mm,實取為56mm,水平法蘭的厚度實取t=58mm。舵桿上舵承軸承套高度的規(guī)范計算值為7. 77cm,實取為18cm,下舵承軸承套高度的規(guī)范計算值為6. 35cm,實取為31. 8cm。舵柄在距離舵桿中心1. 5D處的剖面對其垂直軸的剖面模數(shù)規(guī)范計算值為367. 94cm3,本船實取剖面尺寸為200mm×150mm,其剖