江海直達(dá)船舶的舵效分析

葉江波 喻露

摘要：江海直達(dá)船舶在內(nèi)河水域航行時(shí)，由于內(nèi)河船舶密度高和碼頭水域狹窄，因此避讓及調(diào)頭作業(yè)是最為常見的工況，要求江海直達(dá)船舶具有良好的變向操縱性能。船舶的回轉(zhuǎn)性是反映變向操縱性能的重要指標(biāo)，針對(duì)江海直達(dá)船的尺度要素和舵參數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其回轉(zhuǎn)直徑進(jìn)行計(jì)算分析，提出了江海直達(dá)船舶的舵面積系數(shù)建議，并針對(duì)不同水域環(huán)境條件提出了增加其舵效的有效建議。

Abstract： When sailing in the inland waters， due to the high density of ships and the narrow wharf waters， avoidance and head-turning are to be the most common working conditions， which require the river-to-sea ships to have a good steering performance. As turning ability is an important index to steering performance， turning diameter is calculated and analyzed by empirical formula for the scale factor and rudder parameters of the river-to-sea ships， to propose the suggestions on rudder area coefficient. Meanwhile， according to the different water environment conditions， proposing the effective suggestions to increase the rudder effect.

關(guān)鍵詞：江海直達(dá)船舶；操縱性；回轉(zhuǎn)直徑；舵效；舵面積系數(shù)

Key words： river-to-sea ships；maneuverability；turning diameter；rudder effect；rudder area coefficient

中圖分類號(hào)：U661.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0178-02

0 引言

2014年4月，交通運(yùn)輸部在發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)特定航線江海直達(dá)運(yùn)輸發(fā)展的意見》中，提出到2020年基本形成長(zhǎng)江和長(zhǎng)三角地區(qū)至寧波—舟山港和上海港洋山港區(qū)江海直達(dá)運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，為江海直達(dá)船舶的發(fā)展提供了政策保障。長(zhǎng)江通航環(huán)境復(fù)雜，水深和水勢(shì)流態(tài)隨季節(jié)性變化，存在眾多的橋區(qū)和港區(qū)，通航船舶密度較大，因此，為了保證江海直達(dá)船舶的航行安全，需要對(duì)其操縱性進(jìn)行研究，為江海直達(dá)船舶的發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 船舶操縱運(yùn)動(dòng)分析

船舶的操縱性主要包括穩(wěn)向能力（直線運(yùn)動(dòng)）和變向能力（曲線運(yùn)動(dòng)），船舶航行時(shí)的穩(wěn)向主要是利用車舵組合克服斜流、紊流的作用，使船舶航行在預(yù)期的航路上；船舶航行時(shí)的變向主要依靠船舶的舵裝置提供側(cè)向力，保證船舶在限制水域內(nèi)有效地避讓、掉頭、回轉(zhuǎn)。從長(zhǎng)江通航環(huán)境來(lái)看，如果船舶具有足夠的功率航速克服水流作用，使船舶不過(guò)度偏航或打橫，較小的舵面積就能夠保證穩(wěn)向，而江海直達(dá)船舶考慮海上波浪失速，一般功率航速較內(nèi)河船舶大，故其穩(wěn)向能力優(yōu)于江船，因此，江海直達(dá)船的變向能力是考量江海直達(dá)船舶操縱性最為重要的指標(biāo)。

分析船舶作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可知：

v為船舶的瞬時(shí)航速；

R為船舶的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑；

β為船舶的瞬時(shí)漂角。

從上述公式中可以看出：船舶作曲線運(yùn)動(dòng)的能力反映在角速度、航速、回轉(zhuǎn)半徑、以及漂角變化四個(gè)特征參數(shù)上，各特征參數(shù)均與船型和舵參數(shù)有關(guān)；在船舶作曲線運(yùn)動(dòng)的初期，漂角隨時(shí)間的變化較小，此時(shí)，等式右邊部分的第二項(xiàng)比第一項(xiàng)小得多；當(dāng)船舶作定?；剞D(zhuǎn)時(shí)，漂角隨時(shí)間的變化為零，此時(shí)，船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓周，即ω=v/R。

由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最后階段是定常運(yùn)動(dòng)，且目前對(duì)回轉(zhuǎn)直徑研究已形成了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)估算方法，便于進(jìn)行定量分析，因此，以下通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中下游大型船舶舵面積系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定其舵面積系數(shù)范圍，然后研究船舶的回轉(zhuǎn)性能，及與操縱性衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性。

2 江海直達(dá)船舶回轉(zhuǎn)性分析

2.1 現(xiàn)有船舶尺度要素及舵參數(shù)

由表1、表2可以看出，長(zhǎng)江中下游大型船舶舵面積系數(shù)的變化區(qū)間基本在2.8～3.5%之間，其展弦比均接近1.5，因此，在以下計(jì)算分析時(shí)，按舵面積系數(shù)為3.0和3.5%、展弦比按1.5來(lái)計(jì)算分析江海直達(dá)船回轉(zhuǎn)直徑。

2.2 操縱性衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 江海直達(dá)船的回轉(zhuǎn)性計(jì)算

按《河船操縱性指南》推薦的方法，對(duì)初步擬定的江海直達(dá)船的回轉(zhuǎn)直徑進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表4～表7。

①計(jì)算公式：

②計(jì)算結(jié)果，見表4～表7。

3 結(jié)論與建議

①計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)舵面積系數(shù)達(dá)到3%時(shí)，船舶的回轉(zhuǎn)直徑可以滿足《河船操縱性指南》衡準(zhǔn)要求。②對(duì)于淺水航道（如蕪湖以上河段），如采用單舵時(shí)，舵展弦可能比較小，會(huì)導(dǎo)致舵效變差，舵機(jī)功率變大，建議采用雙舵予以改善。③襟翼舵比流線型舵能獲得更大的升力，襟翼舵的最大升力系數(shù)Cymax和普通流線型舵相比，可以提高60%以上。因此，如采用單舵，且展弦比難以達(dá)到1.5時(shí)，可選擇采用襟翼舵提高舵效。④舵葉端板對(duì)普通流線型舵和襟翼舵同樣有效，當(dāng)？琢=20時(shí)，Cy可提高6%，因此建議在舵葉上下增設(shè)端板，以減小繞流提高舵效。⑤對(duì)于船舶密度較大的港區(qū)，為提高船舶低速靠離港的操縱性，建議采用首側(cè)推裝置。

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