極地航行船舶舵系設(shè)計研究

丁 標(biāo) 傅鑫建 黃 娟

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

隨著全球氣候變暖，海水融化，航運里程的縮短和航運成本的降低，資源和航道從潛在利益變成了現(xiàn)實利益。這使得北極通航成為國際海事的熱點之一，極地航行船舶引起了更多關(guān)注。

航行于開闊水域的船舶舵系主要承受舵葉在一定的舵角下相對于水流的水動力載荷，而航行于冰區(qū)船舶舵系需要額外考慮冰層擠壓載荷。因此，如何確定舵系的形式，對舵系冰載荷受力進行分析，設(shè)置合理的保護措施使舵系免受冰載荷的破壞，成為冰區(qū)舵系設(shè)計的關(guān)鍵點。本文結(jié)合上海船舶研究設(shè)計院承擔(dān)詳細設(shè)計的極地重載甲板運輸船的舵系設(shè)計，總結(jié)極地航行船舶舵系布置特點，介紹極地舵系強度校核方法。該船取得挪威船級社（DNV）PC3冰級符號并滿足俄羅斯船級社（RMRS）Arc7的要求。

極地重載甲板運輸船舵系主要參數(shù)如下：

1 極地航行船舶舵系布置特點

1.1 極地航行船舶舵系支撐布置

極地航行船舶舵系在冰載荷作用下，舵銷的支撐力較常規(guī)船舶舵系大得多。如果采用懸掛舵或者半懸掛舵的布置方式，舵桿將承受巨大的彎曲和扭矩，舵桿的尺寸將會增大到難以布置和安裝。對于高冰級船舶的舵系，舵葉宜采用多舵銷的支撐方式，以降低單個舵銷的支撐載荷。這種布置方式能將舵葉上的冰載荷更均勻地傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。表1是RMRS規(guī)范［1］對冰區(qū)航行船舶舵銷數(shù)量的規(guī)定。但是對于Arc7冰級船舶，經(jīng)過船級社同意，舵銷可減至2只，因此極地重載甲板運輸船舵系設(shè)置2只舵銷，舵系布置如圖1所示。當(dāng)冰帶作用于舵葉時，就會形成多點支撐舵葉的力學(xué)模型，冰載荷通過舵銷傳遞到掛舵臂，舵桿只承受轉(zhuǎn)舵時的扭矩，不承受彎矩，大大降低了舵桿直徑。

表1 RMRS規(guī)范對冰區(qū)航行船舶舵系支撐的要求

圖1 極地重載甲板運輸船舵系布置

1.2 極地航行船舶舵系冰刀布置

當(dāng)船舶處于倒車工況時，舵葉后緣會直接與冰帶接觸，導(dǎo)致舵葉上載荷急劇增加。為避免倒車工況冰載荷對舵葉的破壞，在舵葉后緣設(shè)置冰刀以吸收倒車工況下大載荷。冰刀應(yīng)與船體強結(jié)構(gòu)形成有效連接，冰刀的尺寸與冰層等級有關(guān)，冰刀應(yīng)延伸至船舶最低冰載水線以下一定的深度。根據(jù)DNV規(guī)范［2］的要求，冰刀的深度應(yīng)不小于 0.8 hice（hice為名義層冰厚度），見表2。以極地重載甲板運輸船為例，與PC3冰級相當(dāng)?shù)腎CE-15冰級冰厚為1.5 m，則冰刀從最小冰載水線以下的深度應(yīng)不小于1.2 m，冰刀的實際深度為1.3 m。冰刀布置如圖2所示。

表2 DNV冰級基本參數(shù)

圖2 極地重載甲板運輸船冰刀布置

1.3 極地航行船舶轉(zhuǎn)舵機構(gòu)保護措施

極地航行船舶的操縱性能比常規(guī)船舶要求高，因此舵系的轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的有效扭矩要比常規(guī)船舶大。為避免嚴重冰況下引起的舵桿過載扭矩對轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的破壞，轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的有效扭矩也不能無限制地增大，而且轉(zhuǎn)舵機構(gòu)液壓系統(tǒng)需要設(shè)置壓力釋放閥。當(dāng)系統(tǒng)壓力超出設(shè)定壓力時，系統(tǒng)自動卸荷。IMO的POLAR CODE并未對極地航行船舶的轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的有效扭矩及壓力釋放閥的泄放能力做出具體的規(guī)定。但DNV規(guī)范則按照其冰級符號給出了具體的要求，詳見表3和表4。

1.4 極地航行船舶舵葉機械限位

為了防止舵葉在過載冰載荷情況下，舵扭矩超過轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的有效扭矩而發(fā)生過度轉(zhuǎn)動，需要在最大轉(zhuǎn)舵角位置設(shè)置舵葉的機械限位，通過機械限位吸收過載冰載荷并傳遞到掛舵臂或者船體上。極地重載甲板運輸船采用將限位塊與舵葉上舵銷承座做成一體的型式（如圖3所示）。當(dāng)舵葉轉(zhuǎn)到最大舵角時限位塊與掛舵臂貼合，防止舵葉繼續(xù)轉(zhuǎn)動。另外也可以將限位塊設(shè)置在船體上［3］，如圖4所示。

表3 DNV冰級對轉(zhuǎn)舵機構(gòu)有效扭矩的要求

表4 DNV冰級對轉(zhuǎn)舵機構(gòu)壓力釋放閥泄放能力的要求

圖3 極地重載甲板運輸船舵葉機械限位

圖4 安裝在船體結(jié)構(gòu)上的舵葉機械限位

2 極地航行船舶舵系強度計算

2.1 極地航行船舶舵系載荷情況

航行于冰區(qū)的船舶，轉(zhuǎn)舵時舵系除了承受常規(guī)的水動力作用外，還要承受來自層冰擠壓產(chǎn)生的冰載荷。IMO POLAR CODE規(guī)范中僅給出了船舶舵系等船體附件的強度要求，即應(yīng)能承受與其連接的船體結(jié)構(gòu)部位或其所處船體區(qū)域內(nèi)位置上的作用力，但并未給出具體的計算方法；而RMRS和DNV則給出了較為詳細的冰區(qū)舵系載荷計算方法。

RMRS規(guī)范主要是通過定義相應(yīng)冰級符號的載荷因子來計算不同冰級下的舵力F3，計算相對簡單明了，見式（1）：

式中：k3——舵力載荷因子，見表5；

基層培育體系建設(shè)是新型職業(yè)農(nóng)民培育工作的根本保證，因此針對培育體系中的一些問題要采取針對性的措施，進一步完善基層體系建設(shè)。

A——舵葉面積，m2

表5 RMRS冰級舵力載荷因子

DNV規(guī)范則認為冰載荷是以等效于層冰的有效高度的冰帶的方式作用于舵葉，因此冰載荷的大小與層冰的等級密切相關(guān)。舵力FR計算見式（2）：

式中：h——有效冰載荷高度，m，等于0.4 hice，hice見表2；

lr——舵葉剖面長度，m；

k——冰帶的高度因子，計算詳見DNV規(guī)范［2］；

FA——區(qū)域修正因子，對于尾部區(qū)域取0.6；

σice——名義層冰強度，N/m2，見表2

以極地重載甲板運輸船為例，該船取得PC3冰級符號并滿足Arc7冰級要求。按照RMRS Arc7冰級計算所得舵力為1490 kN。由于POLAR CODE中沒有給出詳細的舵力計算方法，而PC3冰級與DNV的ICE-15冰級相當(dāng)，以ICE-15冰級計算所得的舵力為2497 kN，比RMRS Arc7冰級要高很多。該船入級DNV，因此該船的舵系主要按照DNV ICE-15冰級要求進行強度校核。

2.2 極地航行船舶舵系計算模型

舵葉上的舵力產(chǎn)生的舵桿扭矩和彎矩、舵銷支撐力以及掛舵臂彎矩的大小，與舵系的布置形式以及冰帶作用在舵葉上的位置有關(guān)。根據(jù)DNV規(guī)范的要求，應(yīng)采用直接計算方法獲得上述支撐力和彎矩，并且冰帶的作用位置應(yīng)考慮對上述支撐力和彎矩最不利的影響。以極地重載甲板運輸船為例，分6個工況對舵系進行直接計算，前5個工況為冰載荷工況，冰帶作用在舵系的5個不同的位置，第6個工況為開敞水域下舵系載荷工況。冰載荷工況如圖5所示。

圖5 極地重載甲板運輸船舵系計算模型

采用2D平面梁系對舵系進行直接計算。舵桿和舵銷采用圓柱實體單元模擬，舵葉和掛舵臂采用箱梁單元模擬，單元剖面模數(shù)分別與舵葉和掛舵臂有效剖面模數(shù)一致。在舵機處對舵桿施加簡支加扭轉(zhuǎn)約束，在掛舵臂與船體連接處施加固定約束，在上下舵銷與掛舵臂連接處做鉸接處理。

經(jīng)計算得到6個工況下對應(yīng)的上下舵銷處的支反力，如表6所示。從表6中可以看出，在LC2工況時上舵銷支反力最大，LC5工況時下舵銷支反最大；而且冰載荷下舵銷的支反力遠遠大于開敞水域載荷下舵銷的支反力。

表6 極地重載甲板運輸船舵銷支反力

極地航行船舶舵系中舵銷、舵桿等組件尺寸的確定與常規(guī)船舶的計算方法一致，只要將相應(yīng)冰載荷工況下計算得出的支反力代入規(guī)范中的公式即可。

2.3 極地航行船舶舵葉計算方法

按照規(guī)范要求，舵葉板厚應(yīng)按照所處船體部位對應(yīng)的冰載荷進行計算。極地重載甲板運輸船按照PC3冰級船尾冰帶和尾部下部區(qū)域的冰壓計算舵葉板厚，要求的最小板厚treq見式（3）：

式中：tnet——抗冰載荷要求的板厚，mm；

ts——規(guī)范要求的腐蝕和磨耗增量，PC3級船尾部區(qū)域取值為2 mm

關(guān)于抗冰載荷要求的板厚，DNV規(guī)范［2］中有詳細的計算說明，此處不再展開討論。采用DNV Nauticus Hull軟件進行計算，計算結(jié)果如表7所示。

表7 極地重載甲板運輸船舵葉板厚計算

3 結(jié)語

通過對冰載荷和開敞水域舵系載荷的計算和結(jié)果分析可以看出，冰區(qū)航行船舶舵系承受的載荷遠遠大于開闊水域的載荷，冰區(qū)船舶舵系設(shè)計的關(guān)鍵點在于保證舵系部件的強度能夠承受上述較大載荷，并設(shè)置一定的保護措施使舵系免受破壞。另外，冰區(qū)舵系部件的材料性能以及相關(guān)密封件應(yīng)滿足低溫環(huán)境下的要求。

關(guān)于極地航行船舶舵系強度計算方法，POLAR CODE沒有給出具體的計算方法，而各船級社規(guī)范給出的計算方法的原理不同，且計算的結(jié)果也相差較大。希望將來在POLAR CODE中統(tǒng)一舵系強度的計算方法。