Chinese Journal of Ship Research
高性能舵的发展及技术现状
3 模型试验
FT2-WUTMB4针对数值模拟选出的 船型，在17武汉理工大学进行了拖曳水池试验。图 所示25 kn 18为实船航速 时的模型试验情况，图 所示为模型试验数据换算到实船的阻力曲线。3由表 可 以 看 出 ，数 值 模 拟 的 光 体（FT2-WUTMB4 447 kN ）阻 力 为 ，全 附 体（FT2-WUTMB4-APP）阻力为611 kN，模型试验的446.1 kN，全附体阻力为609.9 kN，之光体阻力为 0.2%，且模型试验与数值模拟的艏间的误差约为部流线具有一定的相似性，艏部上浪水层较薄，对船舶阻力影响不大，因此艏部线型能够满足工程需要。
船型的方式。
参考文献：
［吴晓光，徐青，吴宏敏，等 国外水面舰船 年， ，
摘 要：舵的性能与船舶性能密切相关，高性能舵的应用对提升船舶操纵性和快速性有着重要意义。从效能、效率及空泡性能这 个方面对高性能舵的发展和技术现状进行综述，分析效能与效率综合优化技术以及 种抗空化技术的作用机理及其性能优缺点，提出针对不同船型特点的高性能舵
设计方案。通过综述揭示：舵的效能和效率是相互制约的两个方面；对舵的效能和效率进行综合优化，已逐渐成为舵设计技术发展的重要方向；高航速船舶应关注压力分布、端部分离和间隙流动对舵空泡性能的影响。基
于研究现状提出了高性能舵未来发展的技术趋势。对高性能舵技术的分析和展望可为未来高性能舵的开发设
计提供思路和参考。关键词：高性能舵；舵效能；推进效率；抗空化；组合舵；综述
1 201203上海船舶研究设计院，上海2 430084武汉船用机械有限责任公司，湖北 武汉
0引言
高性能舵又被称为“高效舵”。“高效”一词的2个方面：一是“效能”（effectiveness），即内涵包括舵产生升力的能力；二是“效率”（efficiency），传统意义上衡量舵效率的指标是升阻比［1］，随着舵节能技术的发展，舵效率的概念已拓展至舵对船舶推进效率的影响。“效能”立足于船舶的操纵性，舵的效能越高，意味着在同样条件下，舵能提供更大的升力。“效率”面向船舶的快速性，舵的效率越高，说明舵具有更高的升阻比或使船舶具有更高的推进效率。这两个方面相辅相成，构成了高性能舵技术发展的两个基本方向。除此以外，空泡性能也是舵性能的重要方面。2 1高性能舵的发展经历了 个历史阶段。第20 50 ~70阶段是 世纪 年代 年代。这一阶段以提高舵的升力性能为主要目标，其标志性技术特征2是襟翼舵和鱼尾舵的发明和应用。第 阶段始自20 70世纪 年代，石油危机促使日本和德国等造船大国积极探索船舶节能技术，舵被置于船-桨-舵一体化的理念之下进行整体的节能设计，舵对推进效率的有利影响得到了充分发掘。这一阶段的标志性技术特征是反应舵、舵球舵等节能舵型的研究和应用。2003 Becker Marine Systems年，德国（BMS）公 舵（TLKSR）作司推出的全悬挂导边扭曲为代表性的节能型高性能舵产品，在业界产生了巨大影响。2007年，随着该公司的高性能舵结构King Support Rudder（KSR设计技术 ）专利到期，高性能舵市场开始走向多极化，大型高性能舵进入飞速发展期。近年来，舵设计技术日益重视舵性能的平衡，一批对效能和效率进行综合优化、兼顾船舶操纵性和快速性的新舵型开始崭露头角，并受到市场的认可，这一趋势有可能将高性能舵带入新的发展阶段。本文将基于国内外研究及应用成果，从效能、3效率以及空泡性能这 个方面对高性能舵的发展和技术现状展开论述，揭示影响舵性能的因素以及舵对船舶性能的影响。分别针对高效能、高效4率、效能与效率综合优化及抗空化这 个技术方向，介绍各种新技术及新舵型的设计理念与主要技术特点，总结技术发展脉络和未来趋势，用以为高性能舵的开发设计提供借鉴与参考。
1 高效能技术
舵的流体力学本质是低速小展弦比机翼，翼型剖面的选择对舵的性能至关重要。NACA 00翼
型以其较低的阻力、较高的升阻比和优良的可加工性能，成为常规翼型舵的首选翼型。但是，在舵的常用攻角范围（±35°）内，NACA 00等常用翼型的升力性能并不突出，而船舶大型化趋势和某些特殊的航行环境要求船舶具有更高的舵效能，这就推动了对升力系数更高的新翼型或其他高升力技术措施的研究。
1.1 高升力翼型
高升力对称翼型着眼于提高翼型的速度环量，常用的高升力对称翼型主要包括微凹翼型和凹翼型。微凹翼型（又称混合翼型）的代表是德国汉堡HSVA MP71 HSVA MP73 2水池发布的 和 这 种翼型。其中，HSVA MP73 1（a））的最大厚度翼型（图30%弦长位置，与NACA 00位于距导边 翼型一致， NACA 00因此常被用作 翼型的替代翼型。与等NACA 00 HSVA展弦比、等厚度比的 翼型相比， MP73 5%~8%翼型的最大升力系数约可提高 ，阻力系数也存在一定幅度的增加，升阻比略低于NACA 00 HSVA MP73翼型，但由于采用 翼型进行舵设计可以减小舵面积，这对降低船舶油耗是有利的［2］。凹翼型（又称中空翼型）去流段的凹陷程度比微凹翼型更大，升力系数也略高于微凹翼型。凹翼型的代表是德国汉堡大学造船学院开发的IFS58，IFS61 IFS62 1.0、和 系列翼型。以展弦比为0.15 IFS58 TR15 1（b））为例，厚度比为 的 翼型（图NACA 00与等展弦比、等厚度比的 翼型相比，在达到失速临界攻角之前（≤34°），相同攻角下前者7.7%~14.2%，前者的最大升的升力系数比后者大12.4%［3］。Liu等［4］通过计算流体力系数比后者大力学（CFD）分析和模型操纵性试验，对比了NACA IFS 9系列、鱼尾和 系列 种翼型的水动力性能，认IFS为 翼型在提升舵效能的同时实现了效能和效率的平衡。但是，IFS系列翼型的去流段宽度收窄剧烈，限制了舵系构件尺寸，这对舵系布置和强度不利。图
和
翼型
总体而言，高升力翼型在一定程度上能提升舵的效能，对舵效率的不利影响较小，适用于大多数常规舵的设计。但其对舵效能的提升幅度有限，如需获得更大的升力系数，还需进一步采用其他的高升力技术措施。
1.2 鱼尾舵
20 60年代初，Thieme［3］对翼型舵和平板世纪舵加形如鱼尾的楔形尾进行了系统的水动力试验，发现楔形尾可以明显提高舵效能。西林舵（Schilling rudder）是目前应用较广泛的鱼尾舵，其IFS翼型剖面前部与 剖面类似，最大厚度靠前，位25%弦长处，具有圆钝导边，后部收细，于距导边 0.086尾部具有一个宽度为 倍弦长的鱼尾。圆钝导边有利于增大舵的失速临界攻角，鱼尾有利于2增大两面的压力差，如图 所示。西林舵的可用75°［5］，这对船舶的港内操纵或狭水道低舵角可达速操纵很有好处。
WZF我国武汉理工大学研发的 鱼尾翼型3（a （图 ））与西林舵类似。水动力试验结果［ 7］表1.5，厚明，在常用的舵设计几何条件下（展弦比为0.18），WZF度比为 鱼尾翼型舵的法向力系数可达NACA 00 1.43倍。朱文蔚等［7］针对西林舵翼型的WZF和 翼型最大厚度过于靠前不利于舵系布置、后部过窄不利于强度和加工的缺点，开发了最大30%弦长处、中段为凹形、尾部带厚度位于距导边JDYW 3（b）），其 WZF小鱼尾的 翼型（图 在与 翼型舵相同的设计几何条件下，舵法向力系数达到了NACA 00 1.45 JDYW翼型的 倍。周轶美等［8］结合WZF翼型和 翼型优点开发的新型高效翼型剖面， JDYW其升力性能较 翼型又有一定程度的提高。鱼尾舵的增升机理是利用楔形尾或鱼尾提高翼型剖面的速度环量。常规的升力线理论或升力面理论难以精确计算鱼尾舵的精确水动力性能。
为此，杨建民［9］运用简易螺旋桨理论和面元法提出了一种计算带制流板的鱼尾舵在螺旋桨尾流中水动力性能的方法，通过算例表明，带制流板的鱼尾舵可显著改善船舶的操纵性。总体而言，鱼尾舵具有优秀的舵效能，但效率偏低，对快速性不利。一方面，鱼尾舵的阻力系数Liu较大， 等［4］的研究表明，鱼尾舵的升阻比大幅NACA IFS低于 翼型舵和 翼型舵；另一方面，根据Reichel 10 ［ ］的研究，鱼尾舵对推进效率也存在较大的负面影响。不过，Nagarajan［11］和Hasegawa等［12］通过对超大型油船和大型汽车滚装船在强风中航行性能的研究，得出了恶劣天气条件下西林舵比常规舵更加节能的结论。原因是装有西林舵的船舶具有更强的航向保持能力和偏航纠正能力，节省了因航向不稳定而造成的燃油消耗。Suzuki等［13］对恶劣天气、螺旋桨重载情况下的高升力舵性能进行了研究，认为高升力舵对减小船舶所需的最小推进功率有利。这些更贴近实际航行环境的观点揭示了一个值得注意的新方向。基于类似的观点，日本造船界新近推出了一种装有新型鱼尾舵的超大型油船设计方案［14］，这种鱼尾舵在设计上尽可能控制了舵的阻力增加，同时使舵的升力相10%。对于常规半悬挂舵提升了约
1.3 制流板
端部横向绕流是小展弦比机翼的重要流动特性。舵上、下端的横向绕流增加了舵的诱导阻力，降低了舵弦长方向的有效速度环量，对舵的升力和效率都存在不利影响。在舵的端部增加制流板，是抑制横向绕流的有效措施。NACA 00陶尧森等［15］在不同展弦比 翼型舵的基础上进行了安装不同尺寸制流板的水动力试验。试验结果表明：在模型尺度下，制流板显著提20%，相当于增升了舵的升力系数，提升幅度超过加了舵的有效展弦比。欧礼坚等［16］针对具体舵设CFD计方案的实尺度 分析也表明，制流板对最大7%左右。制流板的升力系数的有利影响达到了
1.4 襟翼舵
20 50年代~船用襟翼舵起源于 世纪中叶，在70 Olson［17］和年代成为了高性能舵研究的热点。Kerwin NACA 00 NACA 66等［18 ］分别基于 翼型和翼型对不同转角比和襟翼比的襟翼舵进行了研究，指出了转角比和襟翼比对襟翼舵水动力性能20 80的影响。我国也于 世纪 年代对襟翼舵的水动力性能和设计技术进行了系统的研究［19-21］。黄胜等［22］通过基于升力面理论的计算方法得出了贝克型襟翼舵的性能图谱，为设计选型提供了参考。姚震球等［23］提出了一种三叶型的多功能特殊贝克舵，效能较常规的两叶型贝克舵有进一步的提升。NACA 00襟翼舵的最大升力系数可达 翼型1.5~1.7舵的 倍，对舵效的提升作用超过了其他常用的高升力技术措施。特别是襟翼舵在低速、小舵角操纵所表现出的高升力特性，可以大幅度提升船舶进出港和狭水道航行的机动性。这一优越性能使其被大量应用于各类对操纵性要求高的船舶上，如支线运输船、公务船、科考船、油船等。