舵裝置的優(yōu)化設(shè)計

王 平，田 野，李安鈺，劉睿偉

(渤海船舶重工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

船舶操縱性是船舶的重要性能之一,與航行的安全性和經(jīng)濟性有著密切關(guān)系。從使用者的觀點來看,船舶操縱所包含的內(nèi)容復(fù)雜：靠離碼頭、系帶浮筒、在狹窄水道內(nèi)航行、風浪中操縱、緊急避碰、拖帶船舶及海上救助等[1]。

在船舶設(shè)計過程中,應(yīng)采取必要的措施使船舶滿足一定的操縱性要求。長期以來,船體的主尺度和船型主要參數(shù)都是由穩(wěn)性、排水量、快速性、總布置及橫搖周期的要求決定的,幾乎沒有操縱性方面的考慮。操縱性主要通過設(shè)計合適的舵裝置來保證。對一般的船舶,舵的設(shè)計已能夠使其具有良好的操縱性；另一方面,限于操縱性研究發(fā)展的水平,缺乏精確預(yù)報操縱性的方法和評價操縱性的標準[2]。

近年來，隨著航運市場的導(dǎo)向需求，船型變得越來越肥大，方形系數(shù)不斷增加,單憑舵的常規(guī)設(shè)計經(jīng)常無法保證船舶具有足夠的操縱性能。這就需要在初步設(shè)計階段對各方案進行操縱性能的計算預(yù)報及衡準核算,實現(xiàn)船型的快速性、操縱性甚至耐波性的綜合權(quán)衡設(shè)計。

1 舵葉面積計算選取

在舵的設(shè)計過程中應(yīng)考慮以下兩點:

(1) 不同類型的船舶對操縱性的要求不同,設(shè)計時也應(yīng)有不同的側(cè)重。遠洋船一般以航向保持性為主,對回轉(zhuǎn)性要求不高。沿海船和進出港頻繁的港作船對回轉(zhuǎn)性有較高的要求。內(nèi)河船受航道的限制應(yīng)注意轉(zhuǎn)艏性,同時需滿足回轉(zhuǎn)性的特殊要求。船體線型對直線穩(wěn)定性與回轉(zhuǎn)性的影響是矛盾的,為改善穩(wěn)定性和跟從性,在回轉(zhuǎn)性和轉(zhuǎn)艏性方面往往需有所側(cè)重。

(2) 舵與船體、螺旋槳組成有機的整體,須考慮其相互作用,盡可能達到降低航行阻力、提高推進效率的目的。

舵裝置設(shè)計的重要內(nèi)容是對舵的幾何要素及形狀的正確選擇,其是使船舶具有優(yōu)良操縱性的保證。

舵裝置面積的正確選定是舵設(shè)計的重要內(nèi)容。舵葉面積增大對提高船的回轉(zhuǎn)性和直線穩(wěn)定性有益,因此其是使操縱性得到全面改善的主要因素。但是，舵葉面積過大將增加舵機功率、舵設(shè)備質(zhì)量和所占空間,船舶航行阻力也有所增加,且舵高受船尾空間限制, 當舵葉面積大到一定程度時,會由于需要保證足夠的強度而使展弦比下降,反而使舵效率降低。船模試驗表明,當舵葉面積大到一定程度后,對回轉(zhuǎn)性的影響就不再顯著。再者，舵的寬度也不宜伸出船體掩蔽范圍。因此，選取合適的舵葉面積既可滿足最基本的規(guī)范要求和船舶所有人的通用要求，也可使船廠節(jié)省建造成本，是需要研究解決的問題。

在查閱規(guī)范、設(shè)計手冊和相關(guān)參考資料后，總結(jié)主要的舵葉面積計算選取方法共有7種，如表1所示。

表1 舵葉面積計算選取方法

在確定船型主要參數(shù)后，根據(jù)上述7種方法，以“渤船”第五代蘇伊士型油船為例，計算其舵葉面積。

1.1 母型船法

母型船設(shè)計經(jīng)驗及其與試驗結(jié)果的對比是開發(fā)新項目的重要參考信息和設(shè)計基礎(chǔ)。課題研究項目的開發(fā)設(shè)計參考渤船重工建造的第四代蘇伊士原油船(BH517)和韓國某船廠15.2萬 t油船。對渤船重工已建造的大型船舶的舵葉面積選取及航海試驗操縱性試驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，這些船舶的回轉(zhuǎn)半徑大多處于2.3～3.0倍船長。以BH517油船為例，船長為273.7 m，航海試驗測試回轉(zhuǎn)戰(zhàn)術(shù)半徑657.76 m(左)/692.07 m(右)，為船長的2.40/2.53倍(航海試驗報告結(jié)果見圖1)。這些試驗表明，這些船型的舵葉面積均存在優(yōu)化的空間。

圖1 第四代蘇伊士原油船(BH517)航海試驗實測數(shù)據(jù)(回轉(zhuǎn)試驗)

BH517油船經(jīng)過航海試驗驗證，報告結(jié)果顯示其操縱特性良好，滿足規(guī)范及船舶所有人的使用要求。另韓國某船廠建造的15.2萬 t油船也為成熟船型，在國際市場上頗受好評，也具有良好的操縱性能。

使用母型船法進行舵葉面積換算公式為

(1)

式中：A為目標船的舵葉面積；L和d分別為目標船的船長和吃水；A0為母型船的舵葉面積；L0和d0分別為母型船的船長和吃水。

將數(shù)據(jù)代入式(1)得到計算結(jié)果如表2所示。

表2 母型船法的舵葉面積計算結(jié)果

1.2 IACS對散貨船的推薦

為使船舶具有可靠的操縱性，IACS發(fā)布建議，對于船長為90 m或以上的無限航區(qū)單舷側(cè)和雙舷側(cè)散貨船，其可移動舵葉面積不小于式(2)的計算結(jié)果：

(2)

式中：Ar為推薦舵葉面積，m2；C1為系數(shù)，取0.9；C2為類型系數(shù)，取0.9；C3為形狀系數(shù)，取1.0；C4為布置系數(shù)，取1.0；L為船長，取263.5 m；T為吃水，取17.15 m。

將各數(shù)值代入式(2)，計算結(jié)果為64.06 m2。

1.3 DNV推薦

DNV發(fā)布的《船舶入級規(guī)范》關(guān)于舵葉面積的推薦為直接作用在推進器后的舵總面積應(yīng)不小于式(3)的計算結(jié)果：

(3)

式中：CB為方形系數(shù)，取0.814 4；L為船長，取263.5 m；B為船寬，取48 m；T為吃水，取17.15 m。

將各數(shù)值代入式(3)，計算結(jié)果為94.92 m2。其中，對于布置在螺旋槳后的舵裝置，可將掛舵臂側(cè)面積的一半計入舵葉面積。

1.4 圖譜法1

船舶設(shè)計實用手冊(舾裝分冊)[3]是舵裝置設(shè)計的主要參考依據(jù)，在設(shè)計時可按照圖譜確定舵葉面積。為滿足IMO A.751(18)決議《船舶操縱性臨時標準》要求，可按圖2確定舵葉面積。

圖2 圖譜法1

船長L取263.5 m，船寬B取48 m，吃水d取17.15 m，方形系數(shù)CB取0.814 4，則可得圖譜橫坐標CB·B/L= 0.148 3，將該數(shù)據(jù)代入圖譜可得縱坐標L·d/Ar=51.63，則Ar為 87.53 m2。

1.5 圖譜法2

日本船舶設(shè)計手冊推薦可以按照村橋、山田圖譜選擇舵葉面積，其圖譜(見圖3)以k=2·d/L為參數(shù)，以p=CB·B/d為橫坐標。對此圖譜分析可得：當p≤2.2時,曲線較平坦,所確定的舵葉面積可滿足船舶前進3倍船長后艏向改變60°的轉(zhuǎn)艏性要求；當p>2.2時,曲線急劇上升,此時按穩(wěn)定性要求,即無因次的穩(wěn)定性條件決定舵面積。

各參數(shù)的取值與圖譜1相同，得到k為0.13、橫坐標為2.28，查圖譜得縱坐標Ar/(L·d)=0.016，則Ar=72.3 m2。

圖3 圖譜法2

1.6 圖譜法3

在日本船舶設(shè)計手冊[3]中，從確保船舶航行穩(wěn)定性角度出發(fā)，舵葉面積可按如圖4所示的圖譜確定。

各參數(shù)的取值與圖譜1相同，得到橫坐標為2.80，縱坐標CB·B/L=0.148，查圖譜得Ar/(L·d)=0.017 5，則Ar=79.1 m2。

1.7 圖譜法4

在日本船舶設(shè)計手冊[3]中，從確保船舶具有良好的回轉(zhuǎn)特性角度出發(fā)，舵葉面積可按如圖5所示的圖譜確定。

各參數(shù)的取值與圖譜1相同，得到k為0.13、橫坐標為2.28，查圖譜得縱坐標Ar/(L·d)=0.014 95，則Ar=67.56 m2。

圖4 圖譜法3

圖5 圖譜法4

1.8 舵葉面積選擇

按照計算公式和圖譜得到的舵葉面積如表3所示。

表3 舵葉面積計算對比

對比發(fā)現(xiàn)，出發(fā)點不同，得到的計算結(jié)果差異較大。這就需要綜合各種要求選擇適用于本項目的數(shù)據(jù)。

此次研究項目為“渤船”第五代蘇伊士船型，因此與第四代設(shè)計方案(舵葉面積)進行優(yōu)化。對比發(fā)現(xiàn)，本項目的主尺度等各主要參數(shù)與韓國某船廠建造15.2萬 t油船非常接近，因此選擇韓國某船廠建造15.2萬t油船的舵葉尺寸作為開發(fā)設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該型船為韓國船廠近些年來建造的成熟船型之一，操縱性可滿足國際船舶所有人的通用要求和慣例。

將此舵葉數(shù)據(jù)提供給水池方，經(jīng)過模擬計算后發(fā)現(xiàn)，該方案可滿足本項目的開發(fā)使用要求。但是，水池方提出一個新的理念：考慮(半)平衡舵，將15°舵角工況(水池方認為船舶在實際營運過程中最多的操舵工況)下，舵機負荷(扭矩)盡可能降至最低。水池方給出優(yōu)化方案：增加舵葉在舵桿軸線前部分(平衡)面積，將圖6中舵葉底部艉垂線前部的尺寸(BD1)由原來的2 000 mm增加至2 050 mm。優(yōu)化后的方案在15°舵角工況下，舵機負荷(扭矩)降至0.76 t·m。具體數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 舵葉面積優(yōu)化前后舵機扭矩對比

綜上所述，最終舵系布置及舵葉尺寸選定如圖6和圖7所示。

圖6 優(yōu)化后舵系布置

圖7 優(yōu)化后舵葉尺寸

2 舵系受力計算

(1) 船舶主要參數(shù)如表5所示。

表5 船舶主要參數(shù)

(2) 舵系參數(shù)。舵型式為半懸掛平衡舵/ NACA-00 系列。

舵葉面積(包括掛舵臂100%)為

At=AR+100%Ah=93.7 m2

(4)

舵葉面積(包括掛舵臂50%)為

At50=AR+50%Ah=86.0 m2

(5)

式(4)和式(5)中：AR為舵葉面積(不包括掛舵臂)，取78.3 m2；Ah為掛舵臂面積，取15.38 m2。

舵葉面積比(包括掛舵臂)為

Rt=At/(L·T)= 2.07%

(6)

舵葉面積比(不包括掛舵臂)為

R=AR/(L·T)= 1.73%

(7)

舵平衡比為

R=(A1f+A2f)/AR=26.24%

(8)

(3) 舵系按照相關(guān)規(guī)范計算[4-7]。

① 受力計算：

正車時舵葉受力為

(9)

倒車時舵葉受力為

(10)

代入數(shù)據(jù)得正車時舵葉受力為3 657 655 N，倒車時舵葉受力為665 028 N。

② 扭矩計算：

正車時舵葉扭矩為

MT=M1+M2=PL1·xp1+PL2·xp2

(11)

缺口下部分受力為

PL1=PL·A1/AR

(12)

缺口上部分受力為

PL2=PL·A2/AR

(13)

缺口下部分受力臂距為

xp1=bR1(α1-k1)

(14)

缺口上部分受力臂距為

xp2=bR2(α2-k2)

(15)

式(14)和式(15)中：bR1為缺口下部分平均寬度，bR1=A1/h1=7.330 m；bR2為缺口上部分平均寬度，bR1=A1/h1=5.309 m；k1為缺口下部分平衡系數(shù)，k1=A1f/A1=0.345 1；k2為缺口上部分平衡系數(shù)，k2=A2f/A2=0.123 3；正車時α1為0.25、α2為0.33，倒車時α1為0.55、α2為0.66。

代入數(shù)據(jù)得正車時舵葉扭矩為-102 629 N·m，倒車時舵葉扭矩為1 332 893 N·m。

規(guī)范要求舵受到的最小扭矩MTmin為

MTmin=0.1PL(bR1·A1+bR2·A2)/AR

(16)

代入數(shù)據(jù)得正車時最小扭矩為2 405 426 N·m，倒車時最小扭矩為437 350 N·m。綜合各工況計算結(jié)果，將扭矩MT=2 405 426 N·m作為舵機選型的基礎(chǔ)依據(jù)。

在保證船舶操縱性能的情況下，“渤船”第五代蘇伊士船型舵裝置優(yōu)化設(shè)計結(jié)果(舵葉受力和扭矩)對比如表6所示。由表6可知，優(yōu)化后舵葉受力降低2.4%，舵葉扭矩降低5.2%。

表6 舵葉優(yōu)化前后結(jié)果對比

3 分析和總結(jié)

從船舶操縱性對舵葉面積的要求出發(fā)，對多個舵選型公式進行研究和對比，優(yōu)化舵葉面積的計算和選取，減小舵葉面積，從而達到降低舵機、舵桿等設(shè)備選型的要求，并總結(jié)適合船型研發(fā)階段舵系的設(shè)計流程：在參考同類型先進船型信息的同時，結(jié)合規(guī)范要求和水池方意見，最終確定舵裝置設(shè)計參數(shù)。如果該船型在某些操縱性方面具有特殊要求，則參考相關(guān)設(shè)計要求。該設(shè)計流程可在較大程度上提高工作效率和質(zhì)量，提高船舶建造的經(jīng)濟性和船型的市場競爭力，為快速研發(fā)新船型提供支持。