民用船舶常規(guī)舵系設(shè)計(jì)的比較及分析

謝超

摘 要： 隨我國(guó)造船工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)民用船舶舵系設(shè)計(jì)提出更高的要求。然而需注意的是，因船級(jí)、船型等設(shè)計(jì)規(guī)范不同，且有周期限制問(wèn)題，可能導(dǎo)致船舵系設(shè)計(jì)出現(xiàn)一定不足，無(wú)法滿足堅(jiān)固、可靠與耐用要求，需注意從外形尺寸、質(zhì)量等多方面采取有效的設(shè)計(jì)完善策略。本次研究將對(duì)民用船舶常規(guī)舵系做簡(jiǎn)單介紹，并從船舶舵參數(shù)選擇、裝置可靠性設(shè)計(jì)以及空泡剝蝕問(wèn)題控制等多角度，提出舵系設(shè)計(jì)的思路。

關(guān)鍵詞： 民用船舶；舵系設(shè)計(jì)；空泡剝蝕控制

前言：作為評(píng)價(jià)船舶性能的內(nèi)容之一，操縱性是否良好直接影響航運(yùn)安全，而操縱性能的保證又需依托相關(guān)的操縱設(shè)備實(shí)現(xiàn)，即舵，要求做到保持航向、操縱靈活等。值得注意的是，如何保證舵設(shè)計(jì)的合理性，成為設(shè)計(jì)中需考慮的主要問(wèn)題，要求在參數(shù)選取上合理，且針對(duì)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題采取有效的規(guī)避處理措施。因此，本文對(duì)民用船舶常規(guī)舵系設(shè)計(jì)的比較研究，具有十分重要的意義。

1民用船舶常規(guī)舵系相關(guān)概述

關(guān)于民用船舶常規(guī)舵，其作用主要表現(xiàn)在船舶轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的控制、推進(jìn)效率改善等方面，若從普通舵角度出發(fā)，舵型的選擇需以船尾線性、螺旋槳直徑、傳達(dá)小等為依據(jù)控制。如中小型船舶通常選懸掛式平衡舵。而大型運(yùn)輸船，一般選擇雙支承平衡舵。若由舵的結(jié)構(gòu)看，包括舵桿、舵葉、舵承、止跳裝置與控制系統(tǒng)等。各部分結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中，均按照規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，角度合理方可保證舵運(yùn)行有效。從當(dāng)前大多研究資料看，對(duì)于民用船舶舵系設(shè)計(jì)，面臨較多限制性問(wèn)題，如周期限制、船級(jí)社規(guī)范要求等，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理。對(duì)此，要求實(shí)際設(shè)計(jì)中從多方面著手，包括參數(shù)選取、可靠性設(shè)計(jì)以及空蝕問(wèn)題控制[1]。

2民用船舶舵相關(guān)參數(shù)選擇

關(guān)于民用船舶舵參數(shù)，涉及的內(nèi)容較多，如舵面積選取、舵外形確定、展弦比控制、平衡系數(shù)控制等。其中在舵面積選取方面，應(yīng)注意到并非舵面積增大便能使傳播方向性改善，其很可能引起舵裝置功率增加，且舵面積增大，致使穩(wěn)舵面臨較大難題，所以在舵面積參數(shù)控制中，應(yīng)以船營(yíng)運(yùn)、主尺度、船型等為依據(jù)，并結(jié)合舵型式，做參數(shù)的控制?，F(xiàn)有的研究資料中，對(duì)舵面積并無(wú)具體計(jì)算公式，大多選擇相似或參考船型進(jìn)行設(shè)計(jì)。再如舵外形設(shè)計(jì)，實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮到如何使其與其他各部分保持良好配合，設(shè)計(jì)要求表現(xiàn)為舵下緣需高于基線，但不能超出螺旋槳盤面最低點(diǎn)，確保充分借助螺旋槳尾流，而上緣部分需與船底接近，確保舵桿彎矩降低，可提高舵效。此外，在平衡系數(shù)方面，平衡系數(shù)選取原則主要體現(xiàn)在小舵角負(fù)扭矩、大舵角正扭矩、倒航扭矩三者差值控制在最小，可達(dá)到平衡目的[2]。

3民用船舶舵裝置可靠性設(shè)計(jì)

舵裝置可靠性設(shè)計(jì)是保證船舶安全、可靠航行的關(guān)鍵。實(shí)際設(shè)計(jì)中，若采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，一般將船級(jí)社規(guī)范作為參考，結(jié)合安全系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式等，使裝置設(shè)計(jì)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。而可靠性設(shè)計(jì)中，需引入統(tǒng)計(jì)分析方法、概率分析方法，在此基礎(chǔ)上選取可靠性指標(biāo)，達(dá)到可靠性設(shè)計(jì)要求。另外，由邏輯關(guān)系角度出發(fā)，對(duì)舵裝置設(shè)計(jì)分析，其屬于串聯(lián)系統(tǒng)，所以其中的串聯(lián)單元可靠度與數(shù)量，均會(huì)對(duì)裝置可靠性產(chǎn)生影響。若其中各單元可靠度降低、而單元數(shù)量呈增加趨勢(shì)，各段元串聯(lián)關(guān)系削弱，可靠度明顯降低。這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中，做好各單元可靠度控制，保證系統(tǒng)整體可靠度。

4民用船舶舵空泡剝蝕問(wèn)題控制

受高速水流區(qū)域水爆發(fā)式汽化影響，空泡出現(xiàn)可能性較大，特別因水流加速致使部分區(qū)域壓力下降，水溫不足100℃，有明顯汽化表現(xiàn)，逐漸發(fā)展為氣泡，而在氣泡不斷聚增下，將導(dǎo)致高速噴射流產(chǎn)生，維持150m/sec速度，噴射流沖擊下可保持為1500bar壓強(qiáng)，物體表面因此被腐蝕。假定以一般舵葉剖面運(yùn)動(dòng)下所產(chǎn)生的氣泡為例，若利用V0表示水流速，P0為壓力，取舵葉背面一點(diǎn)B，流速與壓力分別為Vb、Pb，可做減壓系數(shù)計(jì)算，為PO-Pb/（1/2·pV02）=（Vb/V0）2-1。由此可發(fā)現(xiàn)，葉剖面的點(diǎn)減壓系數(shù)受流速所影響，當(dāng)速度超出極限值，將有空蝕問(wèn)題發(fā)生，特別在船舶高速運(yùn)動(dòng)下，空蝕的可能性更高。針對(duì)這種問(wèn)題，實(shí)際設(shè)計(jì)中需采取有效的控制空蝕方法，具體設(shè)計(jì)思路：①在剖面翼型上合理選擇，以9000TEU舵葉剖面類型選擇為例，若選用MACA00XX，剖面最大厚度向前，操作中有明顯的云霧狀空泡產(chǎn)生。而選擇NACA64A，剖面厚度呈后移趨勢(shì)，有較長(zhǎng)的低壓區(qū)，壓力與恒量接近，這樣在小舵角中出現(xiàn)邊界層脫離剖面與空蝕的可能性較小，所以在高速來(lái)流下選用NACA64A剖面更加適宜；②舵系間隙的減小，由于邊界層分離、二維分流，掛舵臂、舵葉間間隙出現(xiàn)空蝕的可能性較大，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意做垂直間隙、水平間隙的控制，如原有間隙保持50-60mm，在保證舵系安全制造基礎(chǔ)上，縮小為40mm間隙；③梢渦影響控制，如舵葉底板倒圓位置、掛舵臂上方內(nèi)外側(cè)易出現(xiàn)空蝕情況，對(duì)此，設(shè)計(jì)中考慮在梢渦強(qiáng)度上控制，如在梢渦、掛舵臂之間包復(fù)不銹鋼板，或者在倒圓、底板間設(shè)置較大弧度進(jìn)行過(guò)渡，通過(guò)距離增大減輕梢渦空蝕影響。除此之外，設(shè)計(jì)過(guò)程中，也可考慮引入抗剝蝕材料，如舵葉水平布置不銹鋼條，或直接在剝蝕易出現(xiàn)位置利用不銹鋼片包裹，對(duì)掛舵臂、舵葉均可起到明顯的保護(hù)作用。

結(jié)論：船舶操縱性是否良好直接對(duì)航運(yùn)整體安全性、經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生明顯影響。為提高船舶操作性，需在舵的設(shè)計(jì)工作上不斷加強(qiáng)，本次研究中從舵的參數(shù)、可靠性設(shè)計(jì)以及空蝕問(wèn)題處理等角度提出具體的設(shè)計(jì)意見，如舵的參數(shù)應(yīng)包括舵面積、展弦比與平衡系數(shù)控制等，而空蝕問(wèn)題處理則需通過(guò)舵系間隙減少、梢渦問(wèn)題控制、剖面翼型合理選擇以及抗剝蝕材料的運(yùn)用等實(shí)現(xiàn)，提高舵的整體性能，為航運(yùn)安全提供堅(jiān)實(shí)的保障。

參考文獻(xiàn)

[1]朱靈，高金軍，衡霖.小型船舶舵承不鏜孔安裝實(shí)例[J].中國(guó)修船，2018，31（01）：4-5.

[2]王世凱，金鴻章.非線性非最小相位船舶舵減搖系統(tǒng)的滑?？刂芠J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2018，54（09）：207-212.