關(guān)于某科考船改善舵效的論證

殷憲峰

摘 要：文章根據(jù)船東需求，結(jié)合本船主要參數(shù)，就作業(yè)航速舵效要求，高速航行安全性兩方面，對原單舵，普通雙流線型平衡舵與雙襟翼舵選型對比，舵面積選定展開論證，考慮其它案例、重量、造價、阻力因素，得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：科考船 低速調(diào)查作業(yè) 高速航行 舵效論證

1.舵效要求

“海洋四號”船是一艘首航中太平洋、遠(yuǎn)航過南極、先后執(zhí)行十個航次大洋科考任務(wù)的“科考英雄船”，為拓展該船的地質(zhì)調(diào)查手段，提升野外采集的科技含量，并適應(yīng)水下調(diào)查設(shè)備向機(jī)電液一體化、多功能化、智能化方向發(fā)展，需配置光電復(fù)合纜拖曳絞車用于水下拖曳，要求作業(yè)航速3-4節(jié)以下時航向偏差不超過30米，此船無法滿足航向要求。

據(jù)實(shí)船調(diào)查，本船為鋼質(zhì)、雙層連續(xù)甲板，具有傾斜首柱、梨型球首、方型船尾，機(jī)艙位于舯部，動力裝置為二臺6K45GF增壓低速柴油機(jī)、雙可調(diào)螺矩槳、單舵，舵處于船中呆木后方，不在螺旋槳尾流中，所以在海洋調(diào)查作業(yè)航速時的舵效很差。如果遇到風(fēng)浪大時，則轉(zhuǎn)向更加困難，增加了船舶航行的危險性。因此，為了提高海洋調(diào)查作業(yè)的工作效率和測繪作業(yè)質(zhì)量，保證船舶回轉(zhuǎn)安全性，考慮合理、可行的增強(qiáng)舵效改造方案勢在必行。

2.原舵系的核算

2 . 1原單舵面積校核

查閱原船資料，為雙機(jī)雙槳單舵，舵舵，舵機(jī)采用液為流線型平衡壓舵機(jī)，參數(shù)如下表2-1所示，根據(jù)規(guī)范對舵面積進(jìn)行校核。

根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊》，GL《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》關(guān)于舵面積規(guī)定，為達(dá)到足夠操縱性能，建議可動舵面積A（m2）應(yīng)不小于由下式計(jì)算所得值：

式中 A —舵葉面積（m2）；

Vd ——設(shè)計(jì)航速（Kn），按本條 2）款計(jì)算；

K1—系數(shù)，按本條 3）款計(jì)算；

K2—系數(shù)，見表 2-2；

K3—系數(shù)，對位于螺旋槳尾流之外的舵取0.8；對位于固定螺旋槳導(dǎo)流管之后的舵取1.15，其他情況取1.0。

2）舵設(shè)計(jì)航速Vd按夏季載重吃水時船舶的最大營運(yùn)航速V確定，最大營運(yùn)航速通常是指主機(jī)按發(fā)出最大連續(xù)功率的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時的航速，Vd按下列各式確定：

正車，當(dāng)V ﹥ 10Kn 時， Vd = V

正車，當(dāng)V ﹤ 10Kn 時， Vd =（V+20）/3 （2-03）

倒車時，Vd應(yīng)為最大倒車速度，但取值應(yīng)不小于0.5V。

3）系數(shù)按下式計(jì)算：

K1=（λ+2）/3 （2-04）

λ= hm2/At （2-05）

式中 λ—展弦比，取值不必大于2；

hm —舵葉平均高度（m），

At —舵面積（m2），對于無舵柱的舵，為舵面積A，對于設(shè)有舵柱或掛舵臂的船舶，At為在舵葉平均高度hm范圍內(nèi)，舵葉面積A與舵柱或掛舵臂面積之和。

4）原單舵3.5節(jié)航速時舵力核算：

根據(jù)公式（2-04），K1=（1.083+2）÷3=1.027；

根據(jù)公式（2-03），3.5節(jié)航速時，Vd=（3.5+20）÷3=7.83 Kn ，

根據(jù)公式（2-02），F(xiàn) =132 K1 K2 K3 AVd2

原單舵在3.5節(jié)航速時舵力：

F1 = 132×1.027×1.1×0.8×9.765×7.832 = 71420N；

原單舵19節(jié)航速時舵力：

F2 = 132×1.027×1.1×0.8×9.765×192 = 420539 N。

3.單舵改雙舵的三種方案

由于本次改造采取尾部#29肋位以后結(jié)構(gòu)部位切除、線形更新，船體水下安裝一套新的淺地層剖面儀，經(jīng)過初步計(jì)算，改造設(shè)計(jì)后最大航速在17節(jié)左右，為確保調(diào)查作業(yè)安全和效果，本次改裝擬將原單舵改為雙舵，雙舵建議從普通雙流線型平衡舵和雙襟翼舵中選型。其中雙襟翼舵，取單舵面積6.5m2與5.5m2兩種，相應(yīng)舵機(jī)也要更換。3 . 1普通雙流線型舵方案根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊》對于雙流線型舵校核如下：根據(jù)公式（2-01）A= C1 C2 C3 C4求最小舵面積：

A2 = 1.0×0.8×1.0×1.0×1.75×104.81×4.95÷100=7.26m2。

以上校核的是規(guī)范要求的最小面積，一般設(shè)計(jì)時取值應(yīng)大于該值，根據(jù)母船或舵面積比以及船艉部框架空間來最終確定舵面積。根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊》推薦，機(jī)動性較高的船舶舵面積比一般在2%～4%，同時根據(jù)本船改造后船舶艉部框架，以及本船螺旋槳直徑（約為3.2m），螺旋槳端部與舵桿中心線距離較遠(yuǎn)約2.9m，考慮到充分利用尾流，舵葉高度選取約3.2m，舵葉寬度選取約2.34m，每個舵約7.5m2（具體面積待詳細(xì)設(shè)計(jì)時確定）。

舵面積選擇中經(jīng)常采用的參數(shù)為舵面積比X：

X = 100% （2-06）

式中，L-船長（m）；

T-夏季載重線的吃水（m）；

A-舵面積（m2）。

根據(jù)公式（2-06），X=×100%=（7.5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.89%。

根據(jù)公式（2-05），λ= hm2/At=3.22÷7.5=1.365

6.5 m2雙襟翼舵17節(jié)航速時舵力：

F6=132×1.19×1.7×1.0×（6.5×2）×172 = 1003254 N。

3 . 3雙襟翼舵系方案之二（取單舵面積約5.5 m2計(jì)算）

根據(jù)雙舵時，每個舵面積可以減少到80%，舵葉高度可選取3.0m，舵葉寬度選取1.83m，每個舵面積可取5.5m2左右。因?yàn)?.5m2為雙襟翼舵計(jì)算出最小舵面積A3（6.36 m2）的86% ，所以滿足要求。endprint

根據(jù)公式（2 - 0 6），X=×1 0 0 % =（5 . 5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.12%；

根據(jù)公式（2-05）λ= hm2/At=3.02÷5.5=1.636；根據(jù)公式（2-04），K1=（λ+2）/3=（1.636+2）÷3=1.21；根據(jù)公式（2-03），3.5節(jié)航速時，Vd=（3.5+20）÷3=7.83Kn；

根據(jù)公式（2-02），F(xiàn)=132 K1 K2 K3 AVd2 ；

5.5m2雙襟翼舵3.5節(jié)航速時舵力：

F7 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×7.832 =183115N；

5.5m2雙襟翼舵17節(jié)航速時舵力：

F8 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×172 = 863175N。

4.單舵、雙舵舵效比較

因本船論證不做船模試驗(yàn)，僅做公式計(jì)算比較，現(xiàn)將上述各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行量化對比，可以作為改造前后的基本判斷。

5.重量、造價與阻力因素比較

由上表可知，造價及重量相差不大，選雙襟翼舵（2×5.5m2）性價比較為適宜。從阻力角度考慮，單舵改雙舵后，輔體阻力增加較大，因此，應(yīng)控制舵面積的增加幅度，采取較小舵面積對保證最大航速有利。

6.選型與面積選定

由表4-1、4-2中數(shù)據(jù)可知：

滿足最小舵面積計(jì)算的雙流線型舵的單舵面積最小需要7.5m2。但與5.5m2-6.5m2的雙襟翼舵相比，舵效仍然存在不小的差距：

雙流線型舵與5.5m2的雙襟翼舵相比，舵效為：81.6%；

雙流線型舵與6.5m2的雙襟翼舵相比，舵效為：70.2%。

如果采用雙流線型舵，即便要達(dá)到5.5m2的雙襟翼舵的舵效（3.5節(jié)時183.1KN；最大航速時863.2KN），單舵面積則仍需要增加到約9.2m2。

一般情況下，襟翼舵的升力系數(shù)比普通流線型舵增大約1.5倍。如果僅改為普通雙流線型舵，要改變低速舵效就必須通過提高舵面積，如果改為雙襟翼舵，高速時則應(yīng)該控制大舵角急轉(zhuǎn)，兩者勻有利弊。

參考近年設(shè)計(jì)的海洋工程船多選擇襟翼舵，如：

12纜物探船設(shè)計(jì)航速14節(jié)，采用雙襟翼舵，舵面積比3.45%；

萬噸海監(jiān)船設(shè)計(jì)航速25節(jié)，采用雙襟翼舵，舵面積比3.08%；

向陽紅某某號設(shè)計(jì)航速15節(jié)，原雙舵改為雙襟翼舵，舵面積比2.61%。

因此，本船雙襟翼舵選擇舵面積比在2%～4%之間，應(yīng)屬可行范圍。

通過計(jì)算對比可知：

如雙襟翼舵面積取為約5.5m2-6.5m2范圍時，在3.5節(jié)時的舵力將增加約2.56倍至2.98倍，應(yīng)可滿足進(jìn)行低速航行調(diào)查作業(yè)的需求。而對應(yīng)最大航速（改造后考慮為17節(jié)）時的舵力增加為2.05倍至2.39倍。大航速舵力增加明顯小于3.5節(jié)航速時的倍數(shù)，但高速時則應(yīng)該控制大舵角急轉(zhuǎn)，防止產(chǎn)生大傾角力矩。

經(jīng)過以上對比，基于資金、航行安全、作業(yè)需求等多方因素，舵改方案優(yōu)先推薦考慮用小面積雙襟翼舵（2×5.5m2）。為充分利用螺旋槳尾流以提高舵效，考慮在現(xiàn)螺旋槳位置和槳軸長度不變的前提下，將舵桿中心線位置前移0.9m，并且與現(xiàn)螺旋槳中心點(diǎn)前后對齊。原船的自動舵是控制單舵型舵機(jī)的，現(xiàn)已無法適應(yīng)新舵機(jī)的控制要求，需更換為適應(yīng)雙舵機(jī)控制的自動舵。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮崇謙.船用襟翼舵.國防科技出版社 1989（9）.

[2]楊建民.襟翼舵水動力性能研究.上海交通大學(xué)學(xué)報1997（11）.

[3]梅琴生.船用舵的一般計(jì)算.人民交通出版社.1957.

[4]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范.人民交通出版社.2012.

[5]陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊.中國交通科技出版社.2007.endprint

根據(jù)公式（2 - 0 6），X=×1 0 0 % =（5 . 5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.12%；

根據(jù)公式（2-05）λ= hm2/At=3.02÷5.5=1.636；根據(jù)公式（2-04），K1=（λ+2）/3=（1.636+2）÷3=1.21；根據(jù)公式（2-03），3.5節(jié)航速時，Vd=（3.5+20）÷3=7.83Kn；

根據(jù)公式（2-02），F(xiàn)=132 K1 K2 K3 AVd2 ；

5.5m2雙襟翼舵3.5節(jié)航速時舵力：

F7 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×7.832 =183115N；

5.5m2雙襟翼舵17節(jié)航速時舵力：

F8 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×172 = 863175N。

4.單舵、雙舵舵效比較

因本船論證不做船模試驗(yàn)，僅做公式計(jì)算比較，現(xiàn)將上述各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行量化對比，可以作為改造前后的基本判斷。

5.重量、造價與阻力因素比較

由上表可知，造價及重量相差不大，選雙襟翼舵（2×5.5m2）性價比較為適宜。從阻力角度考慮，單舵改雙舵后，輔體阻力增加較大，因此，應(yīng)控制舵面積的增加幅度，采取較小舵面積對保證最大航速有利。

6.選型與面積選定

由表4-1、4-2中數(shù)據(jù)可知：

滿足最小舵面積計(jì)算的雙流線型舵的單舵面積最小需要7.5m2。但與5.5m2-6.5m2的雙襟翼舵相比，舵效仍然存在不小的差距：

雙流線型舵與5.5m2的雙襟翼舵相比，舵效為：81.6%；

雙流線型舵與6.5m2的雙襟翼舵相比，舵效為：70.2%。

如果采用雙流線型舵，即便要達(dá)到5.5m2的雙襟翼舵的舵效（3.5節(jié)時183.1KN；最大航速時863.2KN），單舵面積則仍需要增加到約9.2m2。

一般情況下，襟翼舵的升力系數(shù)比普通流線型舵增大約1.5倍。如果僅改為普通雙流線型舵，要改變低速舵效就必須通過提高舵面積，如果改為雙襟翼舵，高速時則應(yīng)該控制大舵角急轉(zhuǎn)，兩者勻有利弊。

參考近年設(shè)計(jì)的海洋工程船多選擇襟翼舵，如：

12纜物探船設(shè)計(jì)航速14節(jié)，采用雙襟翼舵，舵面積比3.45%；

萬噸海監(jiān)船設(shè)計(jì)航速25節(jié)，采用雙襟翼舵，舵面積比3.08%；

向陽紅某某號設(shè)計(jì)航速15節(jié)，原雙舵改為雙襟翼舵，舵面積比2.61%。

因此，本船雙襟翼舵選擇舵面積比在2%～4%之間，應(yīng)屬可行范圍。

通過計(jì)算對比可知：

如雙襟翼舵面積取為約5.5m2-6.5m2范圍時，在3.5節(jié)時的舵力將增加約2.56倍至2.98倍，應(yīng)可滿足進(jìn)行低速航行調(diào)查作業(yè)的需求。而對應(yīng)最大航速（改造后考慮為17節(jié)）時的舵力增加為2.05倍至2.39倍。大航速舵力增加明顯小于3.5節(jié)航速時的倍數(shù)，但高速時則應(yīng)該控制大舵角急轉(zhuǎn)，防止產(chǎn)生大傾角力矩。

經(jīng)過以上對比，基于資金、航行安全、作業(yè)需求等多方因素，舵改方案優(yōu)先推薦考慮用小面積雙襟翼舵（2×5.5m2）。為充分利用螺旋槳尾流以提高舵效，考慮在現(xiàn)螺旋槳位置和槳軸長度不變的前提下，將舵桿中心線位置前移0.9m，并且與現(xiàn)螺旋槳中心點(diǎn)前后對齊。原船的自動舵是控制單舵型舵機(jī)的，現(xiàn)已無法適應(yīng)新舵機(jī)的控制要求，需更換為適應(yīng)雙舵機(jī)控制的自動舵。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮崇謙.船用襟翼舵.國防科技出版社 1989（9）.

[2]楊建民.襟翼舵水動力性能研究.上海交通大學(xué)學(xué)報1997（11）.

[3]梅琴生.船用舵的一般計(jì)算.人民交通出版社.1957.

[4]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范.人民交通出版社.2012.

[5]陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊.中國交通科技出版社.2007.endprint

根據(jù)公式（2 - 0 6），X=×1 0 0 % =（5 . 5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.12%；

根據(jù)公式（2-05）λ= hm2/At=3.02÷5.5=1.636；根據(jù)公式（2-04），K1=（λ+2）/3=（1.636+2）÷3=1.21；根據(jù)公式（2-03），3.5節(jié)航速時，Vd=（3.5+20）÷3=7.83Kn；

根據(jù)公式（2-02），F(xiàn)=132 K1 K2 K3 AVd2 ；

5.5m2雙襟翼舵3.5節(jié)航速時舵力：

F7 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×7.832 =183115N；

5.5m2雙襟翼舵17節(jié)航速時舵力：

F8 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×172 = 863175N。

4.單舵、雙舵舵效比較

因本船論證不做船模試驗(yàn)，僅做公式計(jì)算比較，現(xiàn)將上述各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行量化對比，可以作為改造前后的基本判斷。

5.重量、造價與阻力因素比較

由上表可知，造價及重量相差不大，選雙襟翼舵（2×5.5m2）性價比較為適宜。從阻力角度考慮，單舵改雙舵后，輔體阻力增加較大，因此，應(yīng)控制舵面積的增加幅度，采取較小舵面積對保證最大航速有利。

6.選型與面積選定

由表4-1、4-2中數(shù)據(jù)可知：

滿足最小舵面積計(jì)算的雙流線型舵的單舵面積最小需要7.5m2。但與5.5m2-6.5m2的雙襟翼舵相比，舵效仍然存在不小的差距：

雙流線型舵與5.5m2的雙襟翼舵相比，舵效為：81.6%；

雙流線型舵與6.5m2的雙襟翼舵相比，舵效為：70.2%。

如果采用雙流線型舵，即便要達(dá)到5.5m2的雙襟翼舵的舵效（3.5節(jié)時183.1KN；最大航速時863.2KN），單舵面積則仍需要增加到約9.2m2。

一般情況下，襟翼舵的升力系數(shù)比普通流線型舵增大約1.5倍。如果僅改為普通雙流線型舵，要改變低速舵效就必須通過提高舵面積，如果改為雙襟翼舵，高速時則應(yīng)該控制大舵角急轉(zhuǎn)，兩者勻有利弊。

參考近年設(shè)計(jì)的海洋工程船多選擇襟翼舵，如：

12纜物探船設(shè)計(jì)航速14節(jié)，采用雙襟翼舵，舵面積比3.45%；

萬噸海監(jiān)船設(shè)計(jì)航速25節(jié)，采用雙襟翼舵，舵面積比3.08%；

向陽紅某某號設(shè)計(jì)航速15節(jié)，原雙舵改為雙襟翼舵，舵面積比2.61%。

因此，本船雙襟翼舵選擇舵面積比在2%～4%之間，應(yīng)屬可行范圍。

通過計(jì)算對比可知：

如雙襟翼舵面積取為約5.5m2-6.5m2范圍時，在3.5節(jié)時的舵力將增加約2.56倍至2.98倍，應(yīng)可滿足進(jìn)行低速航行調(diào)查作業(yè)的需求。而對應(yīng)最大航速（改造后考慮為17節(jié)）時的舵力增加為2.05倍至2.39倍。大航速舵力增加明顯小于3.5節(jié)航速時的倍數(shù)，但高速時則應(yīng)該控制大舵角急轉(zhuǎn)，防止產(chǎn)生大傾角力矩。

經(jīng)過以上對比，基于資金、航行安全、作業(yè)需求等多方因素，舵改方案優(yōu)先推薦考慮用小面積雙襟翼舵（2×5.5m2）。為充分利用螺旋槳尾流以提高舵效，考慮在現(xiàn)螺旋槳位置和槳軸長度不變的前提下，將舵桿中心線位置前移0.9m，并且與現(xiàn)螺旋槳中心點(diǎn)前后對齊。原船的自動舵是控制單舵型舵機(jī)的，現(xiàn)已無法適應(yīng)新舵機(jī)的控制要求，需更換為適應(yīng)雙舵機(jī)控制的自動舵。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮崇謙.船用襟翼舵.國防科技出版社 1989（9）.

[2]楊建民.襟翼舵水動力性能研究.上海交通大學(xué)學(xué)報1997（11）.

[3]梅琴生.船用舵的一般計(jì)算.人民交通出版社.1957.

[4]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范.人民交通出版社.2012.

[5]陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊.中國交通科技出版社.2007.endprint