编 | 者 | 按 |
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3个方面对高性能舵的发展和技术现状进行综述，分析4种高效能技术、3种高效率技术、3种效能与效率综合优化技术以及3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。
www.ship-research.com
《中国舰船研究》
2020年第15卷第3期
全文阅读地址
高性能舵的发展及技术现状
黎峰，胡红斌，李邦华，蒋曙晖
2020，15（3）：61-74
0 引言
高性能舵又被称为“高效舵”。“高效”一词的内涵包括 2个方面：一是“效能”（effectiveness），即舵产生升力的能力；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。
高性能舵的发展经历了 2个历史阶段。第 1阶段是 20 世纪 50 年代~70 年代。这一阶段以提高舵的升力性能为主要目标，其标志性技术特征是襟翼舵和鱼尾舵的发明和应用。第 2阶段始自20世纪70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年，德国Becker Marine Systems（BMS）公司推出的全悬挂导边扭曲舵（TLKSR）作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设计技术 King Support Rudder（KSR）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、效率以及空泡性能这 3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、高效率、效能与效率综合优化及抗空化这 4 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）的代表是德国汉堡水池发布的 HSVA MP71 和 HSVA MP73 这 2 种翼型。其中，HSVA MP73翼型（图 1（a））的最大厚度位于距导边30%弦长位置，与NACA 00翼型一致，因此常被用作 NACA 00 翼型的替代翼型。与等展弦比、等厚度比的 NACA 00 翼型相比，HSVAMP73 翼型的最大升力系数约可提高 5%~8%，阻力系数也存在一定幅度的增加，升阻比略低于NACA 00翼型，但由于采用 HSVA MP73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和IFS62系列翼型。以展弦比为 1.0、厚度比为 0.15的 IFS58 TR15翼型（图 1（b））为例，与等展弦比、等厚度比的 NACA 00 翼型相比，在达到失速临界攻角之前（≤34°），相同攻角下前者的升力系数比后者大7.7%~14.2%，前者的最大升力系数比后者大 12.4%［3］ 。Liu等 ［4］ 通过计算流体力学（CFD）分析和模型操纵性试验，对比了NACA系列、鱼尾和 IFS系列 9种翼型的水动力性能，认为 IFS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1 HSVA MP73和IFS58 TR15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世纪 60年代初，Thieme［3］ 对翼型舵和平板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，其翼型剖面前部与 IFS剖面类似，最大厚度靠前，位于距导边 25%弦长处，具有圆钝导边，后部收细，尾部具有一个宽度为 0.086倍弦长的鱼尾。圆钝导边有利于增大舵的失速临界攻角，鱼尾有利于增大两面的压力差，如图 2 所示。西林舵的可用舵角可达75°［5］ ，这对船舶的港内操纵或狭水道低速操纵很有好处。
图 2 Becker公司的西林舵翼型剖面［6］
我国武汉理工大学研发的 WZF 鱼尾翼型（图 3（a））与西林舵类似。水动力试验结果 ［7］ 表明，在常用的舵设计几何条件下（展弦比为1.5，厚度比为0.18），WZF鱼尾翼型舵的法向力系数可达NACA 00翼型的 1.43倍。朱文蔚等［7］ 针对西林舵和 WZF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，开发了最大厚度位于距导边30%弦长处、中段为凹形、尾部带小鱼尾的 JDYW翼型（图 3（b）），其在与 WZF翼型舵相同的设计几何条件下，舵法向力系数达到了NACA 00 翼型的 1.45 倍。
周轶美等 ［8］ 结合 JDYW翼型和 WZF翼型优点开发的新型高效翼型剖面，其升力性能较JDYW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。
图 3 WZF翼型和JDYW翼型
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，鱼尾舵的阻力系数较大，Liu 等 ［4］ 的研究表明，鱼尾舵的升阻比大幅低于 NACA 翼型舵和 IFS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，同时使舵的升力相对于常规半悬挂舵提升了约10%。
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。
陶尧森等 ［15］ 在不同展弦比 NACA 00 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，制流板显著提升了舵的升力系数，提升幅度超过20%，相当于增加了舵的有效展弦比。欧礼坚等［16］ 针对具体舵设计方案的实尺度 CFD分析也表明，制流板对最大升力系数的有利影响达到了 7%左右。制流板的另一优势在于它在提高舵升力的同时不会引起舵杆扭矩的增加，这意味着无需额外增加舵机的能力［15］ 。杨建民 ［9］ 对带制流板的鱼尾舵的水动力计算结果表明，算例中的制流板对升力系数的贡献超过了鱼尾本身。
制流板是简单经济的高效化技术措施，通常与其他高效化技术措施组合使用，以达到最佳效果。如西林舵、WZF翼型舵、JDYW 翼型舵（图 4）通常都配有制流板。如果已建好的船舶出现舵效不佳的情况，加装制流板也是简易可行的补救方案。由于制流板增大了舵叶的湿表面积，引起舵摩擦阻力增加，若制流板与尾流方向存在夹角，还可能产生分离阻力；因此，出于控制舵阻力的考虑，设计制流板时应注意确定适当的尺寸。
图 4 带制流板的JDYW翼型鱼尾舵
1.4
襟翼舵
船用襟翼舵起源于 20世纪中叶，在 50年代~70年代成为了高性能舵研究的热点。Olson［17］ 和Kerwin 等 ［18］ 分别基于 NACA 00 翼型和 NACA 66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的影响。我国也于 20世纪 80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。
襟翼舵的最大升力系数可达 NACA 00 翼型舵的 1.5~1.7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。
襟翼的作用使襟翼舵的水动力中心相比常规翼型舵靠后。为了降低转舵的力臂，使转舵中心尽可能与水动力中心接近，并且为便于舵杆布置，襟翼舵常采用最大厚度距导边 40%~50%弦长位置的 NACA 64，66，67系列翼型［21］（图 5）。绝大部分襟翼舵采用导杆传动形式，当主舵转动时，通过导杆实现襟翼联动。图 6所示为襟翼舵的襟翼传动原理。图中：a 为舵杆中心至传动定位轴中心的距离；b为舵叶弦长；c为传动定位轴中心至襟翼销轴中心的距离；b s 为襟翼弦长。这4个参数在转舵过程中的几何关系决定了襟翼相对于主舵的转角θ与主舵角α之比（即转角比），以及襟翼面积与全舵面积之比（即襟翼比）这 2个襟翼舵设计的核心参数。
Olson［17］ 指出，襟翼舵的升力系数随转角比或襟翼比的增大而增大。Kerwin等［18］ 通过计算得出，当襟翼比从20%增加至50%时，对最大升力系数的影响不大，但会造成阻力系数激增，因此选择适当小的襟翼比，可以使舵具有更大的升阻比。在工程实践中，襟翼舵的转角比一般取为1~2之间，襟翼比取为 0.2~0.3之间。朱锋等 ［24］ 以舵效最优为目标，以厚度比、转角比和襟翼比为设计变量，对一型远洋渔船的襟翼舵进行了参数优化设计，最终设计方案在20°舵角以内的升力系数较母型舵提高了15%~36%。
图5 襟翼舵的常用翼型
图6 襟翼传动原理
襟翼舵是目前效能最高的常用舵型。与鱼尾舵相比，襟翼舵在零舵角时能保持相对完整流畅的翼型剖面，因而在船舶直航时，襟翼舵的阻力系数以及对推进效率的不利影响要低于同尺寸的鱼尾舵。但是，襟翼舵的升力巨大，翼型剖面必须设计为具有较大的厚度比才能保证舵系的抗弯强度，而舵的厚度比越大，对推进效率越不利。因此，从节能的角度出发，襟翼舵的设计常常需要适当控制展弦比、拉大顶部弦长或采用变厚度比等方式来限制翼型剖面的厚度比。
2 高效率技术
舵的效率通常从舵本身的升阻比以及舵对推进效率的影响 2个方面进行衡量。这两者分别从阻力和推进两个方面与船舶快速性相关联。从升阻比越大效率越高而论，常用的舵翼型中效率最高的是 NACA 翼型，之后依次是 HSVA 翼型、IFS翼型和鱼尾翼型。这一排序与 4种翼型升力性能的排序正好相反。随着船舶节能设计的日益精细化，深入挖掘舵对推进效率的有利影响成为高性能舵研究的侧重点。
舵对推进效率的影响主要由翼型剖面和厚度比这 2 个因素决定。Reichel［10］ 的研究表明，鱼尾舵对推进效率存在负面影响，这是由于向外扩张的随边降低了舵面附近尾流的轴向速度分量所致。翼型剖面的最大厚度位置也是影响推进效率的重要因素，最大厚度位置相对靠后的翼型具有更尖瘦的导边和更长的顺压段，这对推进效率有利，因此最大厚度位于距导边 40%弦长位置的NACA 64 翼型舵和 HSVA MP71 翼型舵在推进效率方面要分别优于最大厚度位于距导边30%弦长位置的 NACA 00 翼型舵和 HSVA MP73 翼型舵。Van Beek［25］ 研究了舵厚度比对推进效率的影响，结果表明，在常用的舵厚度比范围内，尽可能小的厚度比可使推进效率提高 1%~3%。出于充分节能的考虑，常规舵的设计应在强度条件允许的情况下，选用最小的厚度比。此外，导边扭曲、舵球、推力鳍等一些新的技术措施也被用于以提高推进效率为目的的舵设计。
2.1
导边扭曲舵
导边扭曲舵的设计理论始自20世纪50年代，之后一直是高性能舵研究的热点。它的原理是通过扭曲导边适应来流方向，对尾流进行整流，抑制尾流的旋转，增大螺旋桨的轴向诱导速度，产生附加推力，这相当于回收了尾流的旋转动能，从而提高了推进效率。因此导边扭曲舵又被称为“反应舵”。国内外学者的研究［2，26-29］ 表明，导边扭曲舵的节能效果可达1%~5%。对于大中型船舶，即使是1%的节能效果，长期来看也是十分可观的收益。
本世纪以来，国外设计的导边扭曲舵（图 7）逐渐在大中型船舶上走向实用，特别是航速快、燃油消耗大的大型集装箱船已普遍将导边扭曲舵作为主要的节能措施［29］ 。目前，我国自主研发的导边扭曲舵即将迈入产业化阶段［30］。
图 7 BMS公司的导边扭曲舵
导边扭曲舵的优点在于它对推进效率的贡献，但值得注意的是：杨建民等［31］ 的研究指出，导边扭曲舵对船舶操纵性的影响很小；还有相关研究认为，导边扭曲舵在某些情况下可能对操纵性产生不利的影响，这是因为适应尾流方向的扭曲导边使舵的有效攻角有所减小，降低了舵的升力 ［28］ ，这一特性应在评估舵效能和计算舵强度时予以特别考虑。此外，ITTC 的一份报告 ［32］ 指出，舵叶导边在螺旋桨轴中线处的不连续可能加剧螺旋桨毂涡，导致空泡剥蚀。目前，单纯的导边扭曲舵已日趋少见，越来越多的项目选择了导边扭曲舵与舵球等毂涡抑制措施相结合的组合设计。
2.2
舵 球
舵球的作用是消除螺旋桨毂涡。从能量的角度看，榖涡的旋转消耗了一部分螺旋桨的能量；从力的角度看，榖涡在毂帽后方形成低压区，一定程度上降低了螺旋桨的推力。因此榖涡是影响推进效率的不利因素之一。舵球的原理较直观，即通过占据毂帽后方的空间，对桨叶根部的尾流进行整流，从而抑制毂涡的发生。
1952年，翼型回转体舵球Costa-Bulb问世，获得了平均 1%的节能效果［33］。另一种常见的舵球形式是钝头回转体形。日本三井造船公司开发的MIPB 舵球是这类舵球的典型代表。它的特点是与毂帽外形综合设计，形成完整的流线体，进一步填充了二者之间的空隙，使节能效果提高到 2%~4%［34］ 。图8所示为上述两种典型的舵球形式。
图 8 两种典型的舵球形式
近年来，日本著名的推进器制造商中岛公司开发了一种名为“Ultimate Rudder”的新型舵球（图 9）。CFD 分析及模型试验表明，该舵球的节能效果十分可观，达到了 4.9%~5.4%［35］ 。Wärtsilä和 Rolls-Royce 等国际知名船舶推进系统提供商也推出了类似的高效舵球设计方案（图10）。
图 9 中岛公司的“Ultimate Rudder”［31］
图 10 Rolls-Royce公司的舵球设计方案［36］
舵球前端距毂帽后端的空隙、舵球最大直径与桨叶直径的比值是舵球设计的关键因素。前者在不影响舵布置和螺旋桨拆装的前提下应尽可能小；后者需根据船体、舵、桨的匹配设计来确定，陈雷强等［37］ 的研究认为 0.18~0.2是比较合理的取值区间。
根据汉堡水池的试验统计数据，目前比较公认的舵球节能效果在 2%左右 ［2］ 。舵球既可以与常规舵组合设计，也可以与其他高性能舵组合设计，特别是带舵球的导边扭曲舵（图 11）已成为应用十分广泛的高效率组合舵型。根据文献［2］公布的数据，BMS公司的带舵球的导边扭曲舵产品经模型试验验证获得了 4%的节能效果。但舵球的不利因素在于它紧挨螺旋桨毂帽，对螺旋桨拆卸会造成阻碍，安装有舵球的船舶通常配置可转舵至60°以上的舵机或采用可拆式舵球结构，以避免直接将舵球割除。
图 11 带舵球的导边扭曲舵
2.3
舵附推力鳍
舵附推力鳍是安装在舵叶左、右侧的两片“机翼”，如图 12所示，其安装高度与螺旋桨轴线高度一致。当尾流以一定的攻角流经推力鳍时，鳍面可产生向前的附加推力，相当于增加了推进系统的总推力。从能量的角度看，舵附推力鳍的节能原理与导边扭曲舵类似，也是一种回收尾流旋转动能的技术措施。
图 12 一种典型的舵附推力鳍［38］
推力鳍通常与其他舵节能措施组合使用，常用的组合方式有：推力鳍与舵球组合（即“舵球鳍”）、推力鳍与导边扭曲舵组合、推力鳍与带舵球的导边扭曲舵组合等。推力鳍与导边扭曲舵的组合使舵具有更好的尾流旋转能量回收能力，加入舵球后，还可以使榖涡能量得到有效回收。根据设备厂商公开的数据［33］ ，韩国大宇造船公司建造的一艘装有舵球鳍的大型集装箱船实现了 3%的平均节能效果。韩国现代重工设计的一型舵附推力鳍的节能效果达 4%［2］ 。另外两项针对具体设计方案的研究指出：一种安装了推力鳍的导边扭曲舵使一型金枪鱼渔船的推进效率提高了 2%~3%［39］ ；另一种推力鳍与带舵球的导边扭曲舵的组合方案使一型大型集装箱船的推进效率提高了2.95%［28］ 。
为了得到更大的附加推力，舵附推力鳍一般采用不对称剖面翼型。鳍面拱度方向和安装角度视两侧来流的不同方向而定。由于舵附推力鳍翼展较大，容易钩挂异物，有可能带来额外的维护成本，这是限制其广泛应用的不利因素。
3 效能与效率综合优化技术
从上文的介绍可以看到，高升力的技术措施或多或少地伴随着舵效率的牺牲，而舵效率的提升一般无益于提高舵的升力。过于偏重舵性能的某一方面都可能带来船舶性能的损失。陈伟民等［40］针对操纵性在船舶设计中的应有位置进行了分析论证，认为将操纵性放在过高或过低的位置均不确切。Ahn 等 ［41］ 对导边扭曲舵的研究表明，随着导边扭曲角度的增加，舵的法向力将会降低，对操纵性产生不利影响。常规舵的设计通过加大舵叶展弦比和降低舵叶厚度比，可以在一定程度上同时优化舵的效能和效率，但这种做法的优化空间较有限，而且可能导致舵的失速临界攻角提前。
不过，对于绝大部分船舶而言，极端优秀的操纵性不是必须的，快速性也并非唯一看重的性能指标。因此，在舵的效能与效率之间进行折中或使二者相互补偿，可能是更现实和更具吸引力的解决方案。在常用的舵翼型中，HSVA 翼型堪称效能和效率折中优化的典范，它以较小的效率代价换取了可观的效能收益，在空泡、布置方面也达到了较好的平衡。其他的一些新技术措施也可以达到相近的甚至更好的效果。
3.1
直尾舵
大部分舵翼型的尾端线型是以一定的锐角收缩至随边，鱼尾舵的尾端线型则是先收缩至接近随边处，然后再向外扩张至随边。直尾舵的几何是二者之间的一种过渡类型，它的尾端线型是先收缩到一个较窄的宽度，而后平直延伸至随边，如图13所示。从性能来看，直尾舵可以视为常规翼型舵和鱼尾舵的折中。相比于常规翼型舵，直尾设计增大了对来流的偏折，在一定程度上提升了舵的升力性能。相对于鱼尾舵，直尾舵对来流的偏折幅度虽然略低，但避免了鱼尾外扩对阻力和推进效率的不利影响。欧礼坚等［42］ 的研究表明，直尾舵的升力性能优于常规翼型舵，低于鱼尾舵；效率高于鱼尾舵，低于常规翼型舵。
由于直尾部分的宽度狭窄，加工制造较困难，随边区域常需采用非常规的结构连接形式。此外，随边区域的局部强度也是需要特别注意的问题。
图13 一种直尾舵翼型剖面
3.2
随边扭曲舵
随边扭曲舵是德国 BMS 公司推出的一种较新的折中性质的舵型 ［6］ 。扭曲的随边将舵分为上、下两个部分，扭曲方向视螺旋桨旋向而定。对于与右旋桨配合的随边扭曲舵，舵上部的随边向右扭曲，舵下部的随边向左扭曲。随边向右扭曲的翼型剖面右半边为鱼尾翼型，而左半边则为正常翼型，如图14所示。
图 14 BMS公司的随边扭曲舵［6］
随边扭曲舵的主要设计理念是：
1）舵上部和下部各只有半边鱼尾，阻力相对于鱼尾舵可以显著降低；
2）螺旋桨的周向诱导作用使尾流旋转，将正常翼型的一侧迎向旋转来流方向，鱼尾翼型的一侧背向旋转来流方向，推进效率相对于鱼尾舵可以得到改善。
图 15 随边扭曲舵的扭曲方向
图15所示为随边扭曲舵的扭曲方向示意图。尽管只有半边鱼尾，随边扭曲舵仍具有较好的升力性能，其最大升力系数比 NACA 00 翼型舵高出约 10%，如端部安装一定尺寸的制流板，其最大升力系数可达到 NACA 00 翼型舵的1.15 倍以上。随边扭曲舵较大程度地保留了鱼尾舵在航向保持能力和低速操纵能力方面的优势，而半边鱼尾则使得其效率较鱼尾舵有可观的提高，常被认为是舵效能和效率取得最佳平衡的舵型，目前在集装箱船、多用途船、液货船上已经有了一些应用。
3.3
新型组合舵
新型组合舵的目的是利用不同技术措施的优缺点，使之在性能上相互补偿，达到舵效能和效率的综合平衡。
目前常见的组合方式有：带舵球的襟翼舵、带舵球的导边扭曲襟翼舵（图 16）、带舵球的随边扭曲舵等。带舵球的襟翼舵一方面通过襟翼获得高升力，另一方面通过舵球回收毂涡能量，以弥补一部分因襟翼舵大厚度比舵叶损失的推进效率。张大有等［43］ 对襟翼舵加装舵球的特殊性、节能效果和设计技术进行了研究，所给出的设计方案使螺旋桨敞水效率提高了 3.3%。带舵球的导边扭曲襟翼舵除了回收毂涡能量外，还能沿整个导边回收一部分尾流旋转动能，进一步提高推进效率。带舵球的随边扭曲舵则是用舵球的节能收益来补偿扭曲随边造成的阻力增加。
以一型采用带舵球的随边扭曲舵的集装箱船为例，模型试验显示，随边扭曲舵对船舶快速性产生了1.8%的不利影响，但加装专门设计的舵球后，船舶的推进效率提升了 2.0% ［44］ 。这意味着无需付出额外的能量损失就获得了优良的操纵性，这对用户来说无疑是非常具有吸引力的。可以预见，新型组合舵仍将是未来高性能舵发展的重点领域。目前，国际上主要的高性能舵提供商都开发了新型组合舵产品系列。图 17所示为 Wärtsilä公司的 Energopac 型带舵球的襟翼舵和 Propac 型高效组合舵。后者是一种带大型固定式舵球结构的高效襟翼舵，根据文献［2］公布的试验数据，其整体节能效果可达 6%。固定式舵球的优势在于转舵时仍能保持效用且不会造成舵阻力的增加。
图 16 BMS公司的带舵球导边扭曲襟翼舵［6］
图 17 Wärtsilä公司的Energopac和Propac型组合舵［38，45］
组合舵的性能与船体、螺旋桨密切相关。其设计特点是需要根据具体的船舶特征，综合考虑船体、螺旋桨、舵在船尾流场中的相互作用，运用CFD方法或试验方法，与船体、螺旋桨进行匹配设计，得出最优方案。
3.4
舵设计方案的选择
在船舶总体设计过程中，舵的选型和设计应根据具体船舶的总体性能要求，采用具有针对性的设计方案，实现舵效能和效率的有机统一。
对于采用常规舵型的船舶，合理选用高性能的舵翼型，可以在操纵性或快速性方面获得可观的收益或良好的平衡。例如：IFS系列翼型舵以其高升力和大失速角特性可有效提升低航速船舶的操纵性；HSVA MP73 翼型在效能、效率和加工性能方面实现了较好的均衡，适合作为大量低航速或中等航速船舶的舵设计；HSVA MP71翼型具有尖瘦导边，最大厚度位置偏后，其作为中、高航速船 舶 的 舵 翼 型 ，对 提 高 推 进 效 率 有 利 。Rolls-Royce 公司的 CB，CM，CS 系列翼型分别与上述 IFS，HSVA MP73，HSVA MP71翼型具有相近的水动力性能和船型适用性［36］ ，图 18反映了这 3种翼型舵对船舶性能的综合影响及适用性，可以作为总体设计阶段舵设计方案选择的参考。
图 18 Rolls-Royce公司的CB，CM和CS翼型舵的性能和适用性［36］
对于采用高性能舵设计的船舶，可以根据航行需求选择不同的组合舵设计方案。例如：方形系数大、应舵迟缓的大型运输船舶可选取鱼尾舵和随边扭曲舵作为基础舵型，以此提高舵效能，同时通过舵-桨匹配设计，设置合理尺寸的舵球，获取更高的推进效率；对海上机动性要求高或频繁进出狭窄水道的中、小型船舶，可将高效能的襟翼舵作为基础舵型，同时采用导边扭曲、舵球等高效率技术措施；而对于大、中型集装箱船等方形系数小、航速高的船型，效率因素应优先于效能因素，可采用导边扭曲、舵球、舵附推力鳍等高效率技术措施进行全面的节能设计。
4 抗空化技术
舵空泡对舵的水动力性能、振动和结构安全都存在不利影响。舵空泡发生与否，主要取决于来流速度、舵的浸深和舵的空泡性能。来流速度越大、舵的浸深越小的船舶，越容易产生空泡。因此，航速较高的集装箱船、客船、滚装船以及军用舰船尤其需要关注舵的空泡剥蚀问题。随着部分船型向大型化和高速化的方向发展，舵的空泡性能已成为舵性能的重要组成部分。
5 结 论
本文从效能、效率和空泡性能这 3 个方面对高性能舵的发展及技术现状进行了综述，得出如下主要结论：
1）舵的性能与船舶性能密切相关，根据船舶性能的实际需求，应用高效能或高效率技术措施进行舵设计，可有效提升船舶的操纵性或快速性；
2）舵的效能和效率是相互制约、相辅相成的两个方面，过于偏重某一方面都可能带来另一方面的损失；
3）对舵的效能和效率进行综合优化，兼顾船舶的操纵性和快速性，已逐渐成为舵设计技术发展的重要方向；
4）集装箱船、客船、滚装船以及军舰等航速较高的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。
高性能舵的未来发展呈现出如下技术趋势：
1）舵对船舶操纵性和快速性的综合影响将受到更大的重视，以航行需求为导向，追求效能和效率的有机统一将是舵设计的主要目标，而各种形式的组合舵有望成为高性能舵技术和市场发展的重点领域。
2）舵设计将更多地纳入到针对每个具体项目的船-桨-舵一体化设计的范畴之中，舵的效能和效率将得到更加精细化地挖掘， “单独的”和“标准的”舵设计模式或将逐步成为历史，取而代之的是“综合的”和“定制化的”舵设计模式。
3）航行环境对船舶性能的更高要求将成为高性能舵设计的重要考量，即在常规考虑静水条件下的船舶性能之外，风浪条件下舵对船舶操纵性和快速性的综合作用机制将受到越来越多的关注，这也正是在面向实际航行环境的船舶性能研究及船型开发渐成学界和业界共识的背景之下的一个重要侧面。
[1]黎峰, 胡红斌, 李邦华, 蒋曙晖. 高性能舵的发展及技术现状[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(3): 61-74.
LI Feng, HU Hongbin, LI Banghua, JIANG Shuhui. Current development and technology status of high performance rudders. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(3): 61-74.
[2]周轶美, 张书谊, 卢溦, 何汉保. 高效翼型舵在潜艇上的应用[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 71-77.
ZHOU Yimei, ZHANG Shuyi, LU Wei, HE Hanbao. High-efficiency airfoil rudders applied to submarines. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 71-77.
摘要及PDF下载地址
http://journal16.magtechjournal.com/jwk_zgjcyj/CN/Y2020/V15/I3/61
联系客服
