全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)科考船航向穩(wěn)定性分析

張士中，張志平，陳 銳，王玉成

（1. 自然資源部第一海洋研究所，山東青島 266061；2. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

0 引言

目標(biāo)船是一條2000 噸級的無限航區(qū)綜合科學(xué)考察船，總長86.4 m，垂線間長77.8 m，型寬12.5 m，型深6.4 m，吃水4.3 m，總噸2 184 t，采用全電力系統(tǒng)雙舵槳推進(jìn)器方式推進(jìn)。在船舶海試的航向穩(wěn)定性試驗中發(fā)現(xiàn)：順?biāo)?80 s 艏向角偏轉(zhuǎn)232°（航速約15.4 kn），逆水180 s 艏向角偏轉(zhuǎn)273°（航速約14.3 kn）。試航結(jié)果表明，目標(biāo)船在舵角0 位不變且不干預(yù)的前提下航向穩(wěn)定性直航偏轉(zhuǎn)角度明顯超過同類船舶，這對船舶操縱性帶來不利影響。

1 偏航原因分析

航向偏離是由于力的不平衡導(dǎo)致的。從偏航實(shí)際情況來看，初始的狀態(tài)相對穩(wěn)定，此后偏航的角速度開始迅速加大。風(fēng)流影響將對目標(biāo)船產(chǎn)生更大的偏航力，此時偏航已難以逆轉(zhuǎn)。因此，問題的關(guān)鍵是分析在此過程中起到?jīng)Q定性作用的不平衡擾動力。解決問題的關(guān)鍵是采取相應(yīng)措施減小不平衡擾動力的影響，避免船舶進(jìn)入回轉(zhuǎn)狀態(tài)

船體除受到風(fēng)、浪、流等外界不平衡力因素外，船舶自身可能產(chǎn)生的不平衡力主要來自于船型、舵角精度和舵槳推力不平衡等幾個方面，下面逐一進(jìn)行分析。

表1 穩(wěn)定性偏轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)速度對比

1.1 船型影響產(chǎn)生的不平衡力

本船船型瘦長，長寬比大、方形系數(shù)小，且在尾部設(shè)有呆木。通常這類船型具有較好的航向穩(wěn)定性條件，在高航速狀態(tài)穩(wěn)定性會更好。船體自身受到渦流的影響會產(chǎn)生不平衡力。這種渦流通常在水流通過橋墩、海洋平臺的支柱等類似圓形或方形截面的結(jié)構(gòu)物附近時較為顯著，而在通過流線型物體時產(chǎn)生的渦流較小。采用Fine Marine 軟件對本船的渦流影響進(jìn)行了仿真分析，仿真計算模型如圖1 所示。

圖1 渦流仿真計算模型

渦流引起的偏航力矩計算結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出因為渦流的存在產(chǎn)生了一個變化的偏航力矩。因渦流產(chǎn)生的偏航力矩約11.76 kN?m，這個力矩相當(dāng)于在船尾作用30 kg 的舵力。這樣的偏航力矩不足以使船舶發(fā)生快速偏航，表明船體本身的航向穩(wěn)定性是良好的。

1.2 舵角的誤差產(chǎn)生的不平衡力

舵槳裝置本身特點(diǎn)決定其無法保證舵角回到絕對“0 位”的精度，根據(jù)廠家對于舵槳角度的工藝精度要求，“0 位”誤差（控制命令死區(qū)）為0.3°，操舵誤差（從命令給定到反饋顯示）為1°?？紤]舵槳精度誤差的現(xiàn)實(shí)條件，較為極端的情況是雙舵槳同方向誤差1°舵角，如圖2 和圖3 所示。產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩計算如下。

舵槳偏離1°產(chǎn)生的橫向舵力為

雙舵槳同向偏離1°產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩為

式中：T 為槳的推力，kN?m；α 為舵槳偏離的角度，(°)；L1為舵槳作用點(diǎn)到船舶中心點(diǎn)的距離，m。

1.3 舵槳推力不平衡的影響

因左右槳的功率差異也將導(dǎo)致產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩，實(shí)際試航時發(fā)現(xiàn)兩槳同轉(zhuǎn)速下功率相差7%～10%。按推力相差10%估算這時產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩為

1.4 其他外界因素的干擾影響

試驗應(yīng)在風(fēng)力不大于3 級，海況不大于2 級，潮流平緩的情況進(jìn)行。試驗中出現(xiàn)正在偏轉(zhuǎn)的船在風(fēng)浪的作用下頂住航向停止偏轉(zhuǎn)。說明外界的干擾力應(yīng)該也大到足以使船發(fā)生航向的快速偏轉(zhuǎn)。然而 外界因素的影響十分復(fù)雜，難以進(jìn)行量化評估。只能使試驗盡可能在標(biāo)準(zhǔn)海況下進(jìn)行，以降低外界因素的干擾影響。

圖2 船型偏航力矩計算結(jié)果

圖3 舵角偏離產(chǎn)生的力矩影響

1.5 小結(jié)

將船型、舵角誤差、舵槳推力不平衡等因素可能產(chǎn)生的偏航力計算結(jié)果對比如表2 所示。

表2 各種因素產(chǎn)生的偏航力對比

從以上對比結(jié)果可以看出，各種因素可能產(chǎn)生的偏航力矩大小關(guān)系為：舵角誤差＞＞舵槳推力不平衡＞船型。因此航向偏離的原因主要來自于舵角誤差產(chǎn)生的舵力，其他因素的影響均起到次要作用。

2 改善航向穩(wěn)定性的措施論證

2.1 校準(zhǔn)舵槳“0 位”

從航行試驗的現(xiàn)象分析，舵槳的電氣“0 位”與實(shí)際“0 位”不完全一致，分析如下：

1）調(diào)整舵角前船舶向右偏航，調(diào)整舵角后船舶向左偏航。

2）調(diào)整舵角后，驗證通過壓單個舵槳舵角?3°～?5°才能避免向左偏航。

3）進(jìn)塢時，操縱桿電氣“0 位”與舵槳機(jī)械“0位”誤差3.5°。

校準(zhǔn)舵槳“0 位”的方法有：

1）通過“0 位”指示燈核對

舵槳“0 位”指示燈精度為“±0.3°”，通過調(diào)整廠家認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到此精度。由于舵槳自身沒有指示實(shí)際角度的機(jī)械指針，因此無法通過其自身驗證。

2）采用航行試驗驗證

通過螺線試驗、雙舵槳航向穩(wěn)定性試驗、單舵航向穩(wěn)定性試驗驗證可以證實(shí)舵角“0 位”是否準(zhǔn)確，再通過八字舵角航向穩(wěn)定性試驗找到水動力“0位”后，可以進(jìn)一步改善航向穩(wěn)定性。但試驗條件和過程要求高，恐難以通過試驗驗證“0 位”并準(zhǔn)確找到水動力“0 位”。

3）進(jìn)塢檢查舵角

進(jìn)塢檢查舵角的實(shí)際誤差是最為直觀的辦法。結(jié)合進(jìn)塢對舵槳的舵角誤差進(jìn)行檢查確認(rèn)，是最為簡便可行的方案。保證舵角“0”位的誤差在廠家工藝要求的±0.3°范圍內(nèi)，是后續(xù)實(shí)施改善航向穩(wěn)定性工作的基礎(chǔ)。

2.2 增加穩(wěn)定鰭

從全回轉(zhuǎn)舵槳本身的特性來看，由于其推力方向可以360°旋轉(zhuǎn)，因此該型船相比常規(guī)船舶具有更好的機(jī)動性和操縱性，在獲得良好的機(jī)動性同時，其航向穩(wěn)定性會受到一定的影響，這是由回轉(zhuǎn)的控制誤差引起的，屬于全回轉(zhuǎn)舵槳的固有特性。

要降低全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)控制精度對航向穩(wěn)定性帶來的不利影響，需要采用一些其它措施提高航向的穩(wěn)定性。以往的實(shí)例證明了鰭的作用不單是增穩(wěn)且能改善運(yùn)動品質(zhì)[1]。

操縱性控制方程見式（1）。

式中：r 為回轉(zhuǎn)角速度，rad/s；δ 為舵角，(°)；K 為回轉(zhuǎn)性指數(shù)，K 越大表明回轉(zhuǎn)性越好；T 為應(yīng)舵指數(shù)，T 越小表示船舶的穩(wěn)定性和跟從性越好。K 和T的具體表達(dá)式如下所示。

式中：M 為舵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)；N 為船舶回轉(zhuǎn)中的阻尼力矩系數(shù)；I 為船舶回轉(zhuǎn)中的慣性力矩系數(shù)。

分析以上操縱性方程和操縱性指數(shù)，可以得到：

1）改變N 值可以同時影響操縱性指數(shù)K 值和T 值。比如增加回轉(zhuǎn)阻尼可以使N 值增加，進(jìn)而使T 減小即穩(wěn)定性變好，但同時這也會使K 減小即回轉(zhuǎn)性變差。即無法通過改變N 值同時提升回轉(zhuǎn)性和穩(wěn)定性。

2）增加舵面積可以同時增加M 和N 值，但是M 增加快于N 的增加，因此回轉(zhuǎn)性和穩(wěn)定性可以同時得到改善。

船舶航行過程中舵的作用至關(guān)重要,除了能保證最基本的航向穩(wěn)定性和操縱性外,還可以在船舶快速性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行優(yōu)化[2]。ABB 的Azipod、川崎重工的PODPELLER和法國的DCN PODSTER都選擇在全回轉(zhuǎn)舵槳底部增加了垂向穩(wěn)定鰭裝置。穩(wěn)定鰭可以抵消部分橫向力，改善航向穩(wěn)定性，同時還能改善螺旋槳后部的流場。典型的穩(wěn)定鰭的型式如圖4 所示。

“考古01”號采用了肖特爾的雙槳式舵槳系統(tǒng)，在吊艙外面左右兩側(cè)有尾翼狀的翼片，可以起到改善螺旋槳尾部流場的作用（圖5）。川崎重工的PODPELLER 推進(jìn)裝置同時具有橫向和垂向的尾鰭，這可以消除側(cè)向力并改善螺旋槳尾部流場。目標(biāo)船采用的舵槳推進(jìn)裝置，沒有安裝可改善航向穩(wěn)定性和螺旋槳尾部流場的尾鰭裝置，因此其自身可能產(chǎn)生的橫向力無法通過自身加以消除（圖6）。

在此情況下，可以考慮在船尾底部增加穩(wěn)定鰭的方案來改善航向穩(wěn)定性。在綜合考慮雙側(cè)舵角同向偏差1°和槳的負(fù)荷相差10%產(chǎn)生的影響，產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩為：船型誤差產(chǎn)生的偏航力和舵角誤差產(chǎn) 生的偏航力之和146.26 kN?m。

4 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的穩(wěn)定鰭

圖5 考古01 的穩(wěn)定鰭

圖6 目標(biāo)船的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置

在尾部增加穩(wěn)定鰭的方案，鰭的面積約6 m2。經(jīng)計算其攻角1°產(chǎn)生的升力為493 kg?？僧a(chǎn)生的平衡力矩為：178.8 kN?m。

計算表明，穩(wěn)定鰭產(chǎn)生的升力與舵角偏差1°和槳的負(fù)荷相差10%產(chǎn)生的偏航力矩相當(dāng)。因此航向穩(wěn)定性得到有效的改善應(yīng)該是可期的。

穩(wěn)定鰭的安裝位置示意圖見圖7。

增加穩(wěn)定鰭的方案優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

圖7 穩(wěn)定鰭位置示意圖

圖8 穩(wěn)定鰭采用流線型剖面

1）穩(wěn)定鰭位于中線面位置并采用流線型，同樣面積的情況下正常航行時產(chǎn)生的阻力較小，在航向偏離時產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩較大。該方案使用較小的代價帶來更好的改善效果，是一個較優(yōu)的方案。

2）穩(wěn)定鰭安裝位置避開了尾部的壓載水艙，施工不會破壞壓載艙涂層。也盡可能避開了原來的呆木位置，尾部較為平坦的底面容易保證施工工藝要求。

3）穩(wěn)定鰭安裝后可能導(dǎo)致船舶掛漁網(wǎng)。

增加穩(wěn)定鰭后對其他總體性能參數(shù)造成的影響包括：

1）增加穩(wěn)定鰭后，阻力增加，初步估算航速將降低0.3 kn。

2）增加穩(wěn)定鰭后，阻尼增大，全速回轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定航速降低，最大橫傾角將減小。Z 形操舵時船舶橫傾較大的情況也可得到改善。

3）由于目標(biāo)船在中國沿海作業(yè)任務(wù)較多，掛漁網(wǎng)為大概率事件，因此對此方案持謹(jǐn)慎態(tài)度。

2.3 增加附加附體

在采用在尾部增加附體的方案時，考慮在尾部附加附體的面積為6 m2～8 m2。尾部增加附加附體后面積與同類型船的情況對比如表3 所示。

表3 增加附體面積與同類型船對比

附加附體的位置示意如圖9 所示。

圖9 附加附體位置示意圖

增加附加附體后對其他總體性能參數(shù)造成的影響包括：

1）增加附體后，阻力增加，初步估算航速將降低0.3 kn～0.5 kn。

2）增加附體后，橫向阻尼增大，全速回轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定航速將降低，最大橫傾角將減小。Z 形操舵時船舶橫傾較大的情況也可得到改善。

所增加附體在保證同樣面積的情況下，考慮了2 種不同的結(jié)構(gòu)形式。

方案一：下窄上寬的附加附體

具體結(jié)構(gòu)型式見下圖。其中底部寬度為200 mm，頂部最寬處600 m m。這種結(jié)構(gòu)型式主要目的和優(yōu)點(diǎn)是：

1）附體根部較寬，受力情況較好。

2）附體焊接的焊縫面積更大。

此方案的不足之處在于：

1）此處原設(shè)計有呆木線型，會導(dǎo)致局部尖狹處施工不便（圖10）。

圖10 局部尖狹不便施工

2）此處平板龍骨原設(shè)計底部無板縫，實(shí)際施工時因考慮到底部折角角度較大兩側(cè)折角均改為焊接板。從工藝要求來說在板縫處再次施焊不利于保證施工工藝。

方案二：等寬的附加附體

考慮到方案一在施工工藝方面存在的困難，提出了上下等寬的施工方案。整個附體的寬度為200 mm。避開現(xiàn)有的板縫至少50 mm。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是可以解決方案一的施工工藝問題，缺點(diǎn)是受到寬度限制后附體與船體之間的焊縫面積較小，為此我們對此方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了重新校核。經(jīng)過計算，本附加附體應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

表4 增加附體應(yīng)力計算結(jié)果

考慮到結(jié)構(gòu)施工工藝問題，采用了方案二的上下等寬的結(jié)構(gòu)型式。因結(jié)構(gòu)寬度較小，經(jīng)計算和CCS 認(rèn)可尾部最多增加附加8 m2的附體，可使整個附體的面積達(dá)到同類型船7%～8%的水平，能夠有效改善航向穩(wěn)定性。

3 改善效果評估

3.1 仿真計算

仿真計算基于如下條件：

1）按1∶15 的比例建立船舶模型。

2）在靜水條件下計算，不考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件的影響。

3）舵槳0 位偏差為1°。

4）增加尾部附體的面積分別為4 m2、6 m2和8 m2。

船模的三維模型是采用Maxsurf 軟件根據(jù)各個橫剖面上的具體型值建模形成，并在三維軟件Ranioceros 中將模型轉(zhuǎn)換成Hexpress 能夠讀取的實(shí)體模型。考慮到在計算過程中的計算資源與船體尺度之間的矛盾，在建模過程中對船模進(jìn)行15 倍的縮小。

圖11 4 m2附加附體計算網(wǎng)格

圖12 6 m2附加附體計算網(wǎng)格

圖13 8 m2附加附體計算網(wǎng)格

3.2 仿真計算結(jié)果

1）增加4 m2附加附體

假定船體始終受到146.26 kN?m 的偏轉(zhuǎn)力矩作用，在尾部增加4 m2附加附體的情況進(jìn)行仿真計算。圖14 顯示的情況可以看出，增加4 m2附加附體無法平衡偏轉(zhuǎn)力矩的作用，偏轉(zhuǎn)角度將持續(xù)快速增大。

2）增加6 m2附加附體

假定船體始終受到146.26 kN?m 的偏轉(zhuǎn)力矩作用，在尾部增加6 m2附加附體的情況進(jìn)行仿真計算。圖15 顯示的情況可以看出，增加6 m2附加附體基本可以平衡偏轉(zhuǎn)力矩的作用，偏轉(zhuǎn)角度在經(jīng)歷開始的快速增加后逐漸趨緩。增加此附體，在保持舵角不變的情況下，3分鐘偏航角減少了30%～35%。

圖14 4 m2附加附體計算結(jié)果

圖16 8 m2附加附體計算結(jié)果

3）增加8 m2附加附體

假定船體始終受到146.26 kN?m 的偏轉(zhuǎn)力矩作用，在尾部增加8 m2附加附體的情況下進(jìn)行仿真計算。從圖16 顯示的情況可以看出，增加8 m2附加附體可以平衡偏轉(zhuǎn)力矩的作用，偏轉(zhuǎn)角度在經(jīng)歷開始的快速增加后逐漸趨緩。增加此附體，在保持舵角不變的情況下，3 分鐘偏航角減少了40%～45%。

4 改善措施實(shí)施及效果驗證

4.1 改善措施實(shí)施

1）在塢內(nèi)對舵槳機(jī)械“0 位”偏差進(jìn)行了測量。測量結(jié)果表明，舵槳機(jī)械“0 位”誤差為0.13°，在系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)。

2）操縱系統(tǒng)廠家對電氣“0 位”誤差3.5°的情況進(jìn)行了分析，并在塢內(nèi)對電氣“0 位”進(jìn)行了校準(zhǔn)。

3）安裝附加附體。按照2.3 中的方案二在塢內(nèi)完成了8 m2附加附體的安裝。

4.2 改善效果驗證

完成以上工作后，重新開展了航向穩(wěn)定性試驗。

1）試驗條件

氣象條件：風(fēng)力3 級，海況2 級，潮流速度約2 kn，滿足試驗條件要求。

船舶裝載：本次試驗船舶實(shí)際首尾吃水分別為3.9 m 和4.2 m，橫傾角0.1°。滿足試驗條件要求。

2）改善效果

在全速不操舵的情況下，3 分鐘偏航角平均值從253°減小到138°，減小效果達(dá)到46%。在10 kn航速，不操舵的情況下，3 分鐘偏航角為78.9°，達(dá)到同類船型的相當(dāng)水平。由于目標(biāo)船全速航行的時間較少，正常巡航航速約10 kn～12 kn，因此這一航速下的航向穩(wěn)定性情況更有參考意義。

5 結(jié)論

隨著人們對海洋資源的不斷開發(fā)，海洋工程船舶的要求不斷提高，大功率，使用高效率的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已成為主流均勢[3]。但CCS 和IMO 規(guī)范均沒有對船舶航向穩(wěn)定性和直航不操舵偏航角度的指標(biāo)提出具體要求。1993 年IMO 提出船舶操縱性暫行衡準(zhǔn)，并在1994年提出了相關(guān)指導(dǎo)性意見[4]，2002年通過了《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》[5]分別對船舶操縱性衡準(zhǔn)和指導(dǎo)性細(xì)則進(jìn)行了修訂。但I(xiàn)MO 條款只對回轉(zhuǎn)、停船和Z 形試驗等有要求，沒有航向穩(wěn)定性和直航不操舵偏航角度的指標(biāo)要求。此外，IMO 的相關(guān)要求只適用于采用常規(guī)螺旋槳軸推進(jìn)和有舵機(jī)的船舶，即化學(xué)品和天然氣運(yùn)輸船（不限船長）和船長在100 m 以上的船舶，而不適用于目標(biāo)船型。

針對目標(biāo)船在試航中出現(xiàn)偏航角比同類船偏大的問題，文章對主推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械“0 位”和電氣“0 位”不一致的情況進(jìn)行了調(diào)整，并采用了增加附加附體的方案提高航向穩(wěn)定性。

試航結(jié)果表明，目標(biāo)船的航向穩(wěn)定性達(dá)到同類船舶相當(dāng)水平；保持直航的平均每分鐘操舵次數(shù)由1.67 次減少到1.37 次。船舶在轉(zhuǎn)彎的過程中，會產(chǎn)生較大的橫搖，過大的橫搖會降低船舶的安全性[6]。本次改善后，全速回轉(zhuǎn)時最大橫傾角從10°～11°減小到7°～8°，減小約30%，同時保證最大航速仍能滿足不小于15 kn 的設(shè)計要求。因此，目標(biāo)船的總體綜合航行性能得到了改善，進(jìn)一步保障了航行安全性。