轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)性能的影響

陳　放1，胡曉芳2，金迎村21海軍裝備部，北京1008412中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)性能的影響

陳放1，胡曉芳2，金迎村2
1海軍裝備部，北京100841
2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

在忽略操舵引起速降的假設(shè)前提下，利用操舵響應(yīng)方程對不同轉(zhuǎn)舵速度下船舶的回轉(zhuǎn)性能進行理論分析，獲得定?；剞D(zhuǎn)直徑、縱距、橫距、戰(zhàn)術(shù)直徑等參數(shù)與轉(zhuǎn)舵時間之間的近似關(guān)系。進而利用計及速降的非線性操縱性運動方程進行同一艦船不同轉(zhuǎn)舵速度下的回轉(zhuǎn)運動仿真，以及操縱性能和航速相同而船長不同的各船在不同轉(zhuǎn)舵速度下的回轉(zhuǎn)運動仿真。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，均表明定?；剞D(zhuǎn)直徑不受轉(zhuǎn)舵速度的影響，縱距、橫距、戰(zhàn)術(shù)直徑均隨著轉(zhuǎn)舵速度的提高而減小，且轉(zhuǎn)舵速度對船長較短的艦船影響較大。

轉(zhuǎn)舵速度；回轉(zhuǎn)性；縱距；橫距；戰(zhàn)術(shù)直徑

0　引言

回轉(zhuǎn)性是艦船一項重要的總體性能，在主要總體性能參數(shù)一定的情況下，主要受舵的面積、外形及翼型剖面等參數(shù)的限制。一般情況下，增大舵面積是改善艦船回轉(zhuǎn)性能的重要手段。然而，為避免舵靈敏度過高，設(shè)計時對舵面積的選取應(yīng)有所限制，不能為實現(xiàn)較高的回轉(zhuǎn)性能而盲目增大舵面積［1］；舵面積過大會造成船舶回轉(zhuǎn)時的橫傾超過允許范圍［2］。因此，如何在有限舵面積的前提下改善艦船的回轉(zhuǎn)性能成為當(dāng)前一項重要的課題。有研究［3-5］表明，提高轉(zhuǎn)舵速度對減小船舶的縱距、迅速改變航向有較大影響，使得船舶能在較小的海域內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向規(guī)避等操作，具有較高的實際使用價值。

在轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)性能的影響方面，國內(nèi)外雖未進行系統(tǒng)研究，但都從某些方面反映了轉(zhuǎn)舵速度對艦船航行性能的影響。例如，Cimen［6］以190 000 t油輪為例，采用精細(xì)化的轉(zhuǎn)舵運動方程對該輪的操縱運動進行了仿真計算，并與傳統(tǒng)階躍操舵的仿真結(jié)果進行了比較分析；黃波［7］利用實船試驗測試了轉(zhuǎn)舵速度對回轉(zhuǎn)性諸要素的影響，試驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)舵速度僅影響應(yīng)舵性，對回轉(zhuǎn)直徑、速降、回轉(zhuǎn)橫傾角等諸參數(shù)無明顯影響；王令蓉［8］和黃利華等［9］從減小操舵時機械噪聲的角度討論了低舵速操舵對潛艇縱傾角曲線和深度曲線的影響，認(rèn)為當(dāng)舵速高于一定限值時，各舵速下的深度修正控制性能相當(dāng)。本文擬從艦船實際使用出發(fā)，就不同轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)運動中定?；剞D(zhuǎn)直徑、縱距、橫距、戰(zhàn)術(shù)直徑等參數(shù)的影響進行理論分析和仿真計算，為分析研究轉(zhuǎn)舵速度對改善艦船回轉(zhuǎn)性的作用、選取最佳適用艦船等提供參考。

1　理論分析

當(dāng)艦船以速度V直線航行時，將舵轉(zhuǎn)至某一舵角并保持此舵角，艦船將在水平面內(nèi)做曲線運動，稱為回轉(zhuǎn)運動。艦船重心的運動軌跡稱為回轉(zhuǎn)圈，如圖1所示。

圖1　艦船回轉(zhuǎn)運動示意圖Fig.1 Turningmotion ofa ship

由圖示易見，直航期間艦船不轉(zhuǎn)舵，進入穩(wěn)定回轉(zhuǎn)之前當(dāng)舵角達到35°時停止轉(zhuǎn)舵，實際轉(zhuǎn)舵時間為艦船進入穩(wěn)定回轉(zhuǎn)前的一小段時間。

在艦船狀態(tài)已經(jīng)確定的情況下，由于定?；剞D(zhuǎn)直徑D只與操舵角有關(guān)，在艦船進入定常回轉(zhuǎn)之前已經(jīng)完成轉(zhuǎn)舵操作，因此不受轉(zhuǎn)舵速度的影響；戰(zhàn)術(shù)直徑DT是從轉(zhuǎn)舵開始時刻計算至艏向角變化180°的時刻，縱距Ad、橫距Tr等參數(shù)是從轉(zhuǎn)舵開始時刻計算至艏向角變化90°的時刻，均包含了轉(zhuǎn)舵的過程，因此都將受到轉(zhuǎn)舵速度的影響。

有限操舵速度時的艏向角Ψ可用式（1）表示。

式中：K為回轉(zhuǎn)性指數(shù)，s-1；T為直線穩(wěn)定性指數(shù)，s；δ0為舵角，（°）；t為時間，s；t1為從0°舵角轉(zhuǎn)到35°舵角所需的時間，s。

忽略操舵所引起的速降，可得到有限操舵速度時的縱距Ad，如式（2）所示。

式中，V為艦船縱向航行速度，m/s。

對于以指定航速做35°舵角回轉(zhuǎn)的特定艦船而言，V，δ0，K，T都是定值，因此縱距只與轉(zhuǎn)舵時間t1相關(guān)，即t1越?。ɑ蛘哒f轉(zhuǎn)舵速度越快），縱距越小。

基于上述假設(shè)，可分別得到有限操舵速度時的橫距Tr和戰(zhàn)術(shù)直徑DT，如式（3）和式（4）所示。

由此可見，橫距和戰(zhàn)術(shù)直徑亦受轉(zhuǎn)舵速度的影響，且t1越小（即轉(zhuǎn)舵速度越快），橫距越小，同時戰(zhàn)術(shù)直徑也越小。其中，戰(zhàn)術(shù)直徑受轉(zhuǎn)舵速度的影響相對較小。

從艦船的實際設(shè)計出發(fā)，由于各類艦船的最大設(shè)計航速相當(dāng)，而船長L有較為顯著的差異，因此在無因次回轉(zhuǎn)直徑D/L（式（5））相同的情況下，各艦船的實際K，T值（式（6）和式（7））將有所差異，使得轉(zhuǎn)舵速度對各艦船回轉(zhuǎn)性影響的表現(xiàn)有所不同。

式中：K′為無因次K指數(shù)；T′為無因次T指數(shù)。

為分析轉(zhuǎn)舵速度對不同船長艦船回轉(zhuǎn)性的影響，將式（6）、式（7）代入式（2），得

將其轉(zhuǎn)化為無因次量，得

同理，可得到無因次橫距、戰(zhàn)術(shù)直徑與船長及轉(zhuǎn)舵速度的關(guān)系，如式（10）和式（11）所示。

對用無因次量值來表征操縱性的艦船而言，操縱性能相同即為K′，T′指數(shù)相同，同時航速V、操舵角δ0、轉(zhuǎn)舵時間t1均相同。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)舵時間不同時，艦船的相對縱距隨船長的增加而減小，減小的幅度隨著船長的增加而減?。幌鄬M距、無因次戰(zhàn)術(shù)直徑隨著船長的增加而增加，增加的幅度隨著船長的增加而增加，表明對于航速、操縱性能相同的艦船，船長越長，受轉(zhuǎn)舵速度的影響越小。

2　算例

為真實反映轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)性能的影響，采用目前廣泛使用的計及速降影響的MMG操縱性數(shù)學(xué)模型進行艦船回轉(zhuǎn)過程的仿真計算，具體建模過程參見文獻［10］。

根據(jù)目前各國規(guī)范對轉(zhuǎn)舵速度的要求，從便于分析比較轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)性的影響出發(fā)，設(shè)置各計算轉(zhuǎn)舵速度，如表1所示。其余計算參數(shù)按照典型艦船參數(shù)選取。

表1　算例計算參數(shù)Tab.1 Param etersof an exam p le

2.1不同轉(zhuǎn)舵速度的計算比較

取船長為100 m，對各轉(zhuǎn)舵速度下的艦船運動進行仿真計算，計算結(jié)果如圖2和表2所示。

圖2　不同轉(zhuǎn)舵速度下的艦船回轉(zhuǎn)運動（L=100m）Fig.2 Turning tracksofa ship with different steering speed（L=100m）

表2　不同轉(zhuǎn)舵速度下的艦船回轉(zhuǎn)運動計算結(jié)果Tab.2 Turning per form ancesof a ship w ith different steering speed

仿真結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)舵速度的提高，同一艦船的戰(zhàn)術(shù)直徑、縱距、橫距均有所減小，其中縱距的減小幅度最大，橫距次之，戰(zhàn)術(shù)直徑最小。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

2.2不同船長的計算比較

分別取船長為50，100和150 m，其余參數(shù)相同，對4.64（°）/s轉(zhuǎn)舵速度和階躍操舵情況下的艦船運動進行仿真計算，船長為100，50和150m的計算結(jié)果如圖2～圖4所示，各船長不同轉(zhuǎn)舵速度下的操縱性仿真計算的結(jié)果對比見表3。

仿真結(jié)果表明，隨著船長的增加，相對縱距有所減小，減小的幅度隨著船長的增加而減?。浑S著船長的增加，無因次戰(zhàn)術(shù)直徑和相對橫距有所增加，增加的幅度隨著船長的增加而增加。受轉(zhuǎn)舵速度影響的各項參數(shù)中，相對縱距受船長的影響最為明顯。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

圖3　不同轉(zhuǎn)舵速度下艦船的回轉(zhuǎn)運動（L=50m）Fig.3 Turning tracks ofa ship with different steering speed（L=50m）

圖4　不同轉(zhuǎn)舵速度下艦船的回轉(zhuǎn)運動（L=150 m）Fig.4 Turning tracks of a ship with different steering speed（L=150m）

表3　不同轉(zhuǎn)舵速度下艦船回轉(zhuǎn)運動計算結(jié)果對比Tab.3 Com parison of turning per form ances for shipsw ith different steering speed and different length

3　結(jié)論

本文就不同轉(zhuǎn)舵速度對艦船回轉(zhuǎn)運動中定?；剞D(zhuǎn)直徑、縱距、橫距、戰(zhàn)術(shù)直徑等參數(shù)的影響進行了理論分析和仿真計算，主要結(jié)論如下：

1）定常回轉(zhuǎn)直徑不因轉(zhuǎn)舵速度的變化而變化，表明轉(zhuǎn)舵速度不影響艦船的固有回轉(zhuǎn)性能。

2）對于同一艦船，戰(zhàn)術(shù)直徑、縱距、橫距均隨轉(zhuǎn)舵速度的提高而減小，表明提高轉(zhuǎn)舵速度對艦船實際使用情況下的回轉(zhuǎn)性能有改善作用。

3）對于同一艦船，提高轉(zhuǎn)舵速度后，縱距的減小幅度最大，橫距次之，戰(zhàn)術(shù)直徑最小，表明轉(zhuǎn)舵速度對縱距的影響最為明顯。

4）對于回轉(zhuǎn)性能相同而船長不同的艦船，提高轉(zhuǎn)舵速度后，相對縱距隨著船長的增加而減小，無因次戰(zhàn)術(shù)直徑和相對橫距隨著船長的增加而增加，表明不同船長的船受轉(zhuǎn)舵速度影響的程度有所不同。

5）對于回轉(zhuǎn)性能相同而船長不同的艦船，提高轉(zhuǎn)舵速度后，相對縱距的變化幅度最大，表明轉(zhuǎn)舵速度對縱距影響最顯著的現(xiàn)象適用于各船長。

6）對于回轉(zhuǎn)性能相同而船長不同的艦船，提高轉(zhuǎn)舵速度后，相對縱距的變化幅度隨著船長的增加而減小，表明轉(zhuǎn)舵速度對船長較短的艦船影響較大。

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［責(zé)任編輯：易基圣］

Effects of steering speed on the turning performances of ships

CHEN Fang1，HU Xiaofang2，JIN Yingcun2
1 Naval ArmamentDepartment of PLAN，Beijing 100841，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

By assuming that steering would not cause the drop in ship velocity，this paper applies K-T formula to analyze the turning performances of ships under different steering speeds，and finally reveals the relationships between the diameter，advance，transfer，tactical diameter and steering time.Using non-linear maneuvering equation，numerical simulations of turning motion with different steering speed are firstconducted for a cert ain ship，and the counterpart for ship swith the same turning performances and velocity but different length are then presented.The results from theoretical solution and numerical simulation both indicate that the diameter does not change with steering speed，but advance，transfer，tactical diameter all decrease with the increase of steering speed；moreover，the shorter the ship is，the more notable the effect willbe.

steering speed；turning performance；advance；transfer；tactical diameter

U661.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.008

2014-11-12網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-7-28 17:25:28

陳放，男，1963年生，博士，高級工程師。研究方向：艦船建造胡曉芳（通信作者），女，1979年生，工程師。研究方向：船舶裝置與舾裝設(shè)計。E-mail：5795808@qq.com金迎村，女，1970年生，高級工程師。研究方向：船舶裝置與舾裝設(shè)計。E-mail：mickey_cl@163.com