7 800 t瀝青船操縱性能優(yōu)化研究

黃光兵，孫海曉，劉慧霞，楊素琴

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203)

0 引言

船舶操縱性是關(guān)系到船舶航行安全的重要指標(biāo)之一。根據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)MSC.137(76)相關(guān)法規(guī)要求：在船舶設(shè)計(jì)階段，可使用船模試驗(yàn)或者數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)船舶的操縱性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，表明船舶操縱性能滿足法規(guī)要求。在這種情況下，不論實(shí)船試航測(cè)試結(jié)果如何，該船都應(yīng)該被認(rèn)定為符合法規(guī)要求，除非主管機(jī)關(guān)認(rèn)定預(yù)報(bào)方法不合理，或者認(rèn)定實(shí)船測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重背離法規(guī)要求。

7 800 t瀝青船是新開發(fā)船型，沒有母型船操縱性數(shù)據(jù)可供參考。為保證該船型偏航糾正和航向穩(wěn)定性滿足法規(guī)要求，在設(shè)計(jì)階段，借助自由船模試驗(yàn)的方法對(duì)船舶Z字操縱性能進(jìn)行研究及優(yōu)化。

1 操縱性能預(yù)報(bào)方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法是基于經(jīng)驗(yàn)和已有數(shù)據(jù)對(duì)新設(shè)計(jì)船型的操縱性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，即假定新船型操縱性指標(biāo)和已有相似船型的指標(biāo)接近，不滿足法規(guī)要求的可能性極小，可直接在船舶建造完成后通過實(shí)船試航對(duì)操縱性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)法

船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)法是通過同比縮小的船模尺度的水池試驗(yàn)對(duì)船舶操縱性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，分為自由船模試驗(yàn)和約束船模試驗(yàn)2種。

1.2.1 自由船模試驗(yàn)

自由船模試驗(yàn)使用同比縮小的船模在傅汝德數(shù)相似條件下，在試驗(yàn)水池或者湖泊中(在不受約束的條件下)完全模擬船舶的各種操縱性能試驗(yàn)，用試驗(yàn)結(jié)果直接評(píng)估船舶的操縱性能。盡管該方法受尺度效應(yīng)、轉(zhuǎn)舵時(shí)間等因素的影響，模擬結(jié)果與實(shí)船結(jié)果有差別，但目前仍是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最直接可靠的預(yù)報(bào)方法。

1.2.2 約束船模試驗(yàn)

約束船模試驗(yàn)方法使用同比縮小的船模在水池中進(jìn)行約束船模試驗(yàn)，通過對(duì)大量試驗(yàn)的分析獲得需要的各項(xiàng)水動(dòng)力參數(shù)，再結(jié)合特定的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法來(lái)預(yù)報(bào)在不同工況下的船舶操縱性能。該方法精度不如自由船模試驗(yàn)，但對(duì)于操縱性能的預(yù)報(bào)更完備，對(duì)縮尺比的要求低于自由船模試驗(yàn)。

1.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算法

數(shù)學(xué)模型計(jì)算法一般是指用方程組來(lái)描述船舶操縱水動(dòng)力特性，通過計(jì)算機(jī)對(duì)方程組進(jìn)行求解，以評(píng)估船舶的操縱性能?，F(xiàn)有的船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型分為2類：一類被稱為“響應(yīng)模型”，它表達(dá)了作為控制的輸入條件和作為其操縱性能的輸出之間的關(guān)系；另一類模型被稱為“水動(dòng)力模型”，它是基于包含相互干擾的水動(dòng)力，通過改變組成水動(dòng)力模型的相關(guān)力導(dǎo)數(shù)和干涉系數(shù)，來(lái)估算船舶操縱性能隨船舶形狀或者裝載狀態(tài)的變化而變化的情況。

綜上，自由船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)法精度更高，其預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)船試航測(cè)試更為接近。因此，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行操縱性預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)盡可能采取模型試驗(yàn)法。

2 船型綜述和法規(guī)要求

7 800 t瀝青船為小型液貨船，其主尺度及船舶操縱性相關(guān)的參數(shù)如下：垂線間長(zhǎng)112.00 m，型寬20.40 m，艏、艉吃水各6.70 m，方形系數(shù)0.78，型排水體積11 940.60 m。

國(guó)際海事組織關(guān)于船舶操縱性的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為決議MSC.137(76)，其相關(guān)要求主要有：

(1)回轉(zhuǎn)能力：通過回轉(zhuǎn)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，要求橫距不大于5倍的垂線間長(zhǎng)，縱距不大于4.5倍的垂線間長(zhǎng)。

(2)初始回轉(zhuǎn)能力：初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)執(zhí)行10°舵角，艏向角偏離初始航向10°時(shí)，船舶的航程不超過2.5倍船長(zhǎng)，本試驗(yàn)作為Z字試驗(yàn)的一部分。

(3)偏航糾正和航向穩(wěn)定性能力：通過Z字試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，具體要求見表1。

表1 Z字試驗(yàn)法規(guī)要求

(4)緊急停船能力：通過急停倒車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，要求停船距離小于15倍的垂線間長(zhǎng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，7 800 t瀝青船較易滿足第(1)、(2)、(4)條要求，但難以滿足第(3)條偏航和保向性指標(biāo)。為確保7 800 t瀝青船Z字試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)要求，本文采用自由船模試驗(yàn)方法，對(duì)該船Z字試驗(yàn)操縱性的合規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

3 船模試驗(yàn)研究

船模試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所海事安全與風(fēng)浪流試驗(yàn)水池進(jìn)行，采用自由航模操縱的方式。試驗(yàn)參照IMO決議MSC.137(76)中規(guī)定的Z字試驗(yàn)流程進(jìn)行，包括10°/10°Z字試驗(yàn)和20°/20°Z字試驗(yàn)。試驗(yàn)船?？s小尺比為1∶32.59。試驗(yàn)中需要確保船模的重心縱向位置和垂向位置與實(shí)船基本一致。通常，船舶縱向慣性矩統(tǒng)計(jì)數(shù)值為0.25倍的垂線間長(zhǎng)。本船模在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下的縱向慣性矩約為0.25倍的垂線間長(zhǎng)，符合要求。在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下要求的船舶重心高度為20.4 cm，船模實(shí)際重心高度為20.4 cm，在試驗(yàn)允許范圍內(nèi)。

對(duì)于本船Z字試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)化，主要采取了增加舵葉面積、改善舵效、加裝附體增加船舶固定操縱控制面等措施。基于最初的舵葉設(shè)計(jì)方案，本文共進(jìn)行了3次優(yōu)化及2輪船模試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 第1輪優(yōu)化設(shè)計(jì)和船模試驗(yàn)

初步舵葉方案中1號(hào)舵的主要參數(shù)如下：舵高5.30 m，平均舵寬2.84 m，展弦比1.64，舵面積比2.144%，舵數(shù)目1。

考慮到初步設(shè)計(jì)方案中的操縱性指標(biāo)可能不滿足要求，在船模試驗(yàn)前，設(shè)計(jì)了2號(hào)舵，其面積相對(duì)1號(hào)舵有了明顯的增加。2號(hào)舵的主要參數(shù)如下：舵高5.50 m，平均舵寬3.13 m，展弦比1.55，舵面積比2.447%，舵數(shù)目1。

1號(hào)舵和2號(hào)舵進(jìn)行了第1輪船模試驗(yàn)。根據(jù)MSC.137(76)的要求：試驗(yàn)初始航速應(yīng)不小于85%主機(jī)最大功率對(duì)應(yīng)船舶航速的90%，本船航速約為12.65 kn。為了增加一定的安全裕度，本試驗(yàn)實(shí)際初始航速設(shè)定為12.95 kn，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 第1輪船模試驗(yàn)結(jié)果 單位：(°)

試驗(yàn)結(jié)果表明：1號(hào)舵所有指標(biāo)均不能滿足法規(guī)要求；2號(hào)舵在超越角指標(biāo)上有了一定幅度的提升，但是仍然不能滿足法規(guī)要求。

3.2 第2輪優(yōu)化設(shè)計(jì)和船模試驗(yàn)

為了提高舵效，將舵葉面積基本做到了艉部空間所允許的最大值，設(shè)計(jì)了3號(hào)舵。其主要參數(shù)如下：舵高5.50 m，平均舵寬3.35 m，展弦比1.64，舵面積比2.453%，舵數(shù)目1。配合3號(hào)舵，在艉部加裝2塊呆木，見圖1。同時(shí)在舵葉底部設(shè)置制流板，見圖2。進(jìn)行了第2輪的船模試驗(yàn)，試驗(yàn)初始航速設(shè)定為12.95 kn，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 3號(hào)舵+呆木+制流板布置圖(單位：mm)

圖2 舵葉下制流板示意圖(單位：mm)

表3 第2輪船模試驗(yàn)結(jié)果 單位：(°)

試驗(yàn)結(jié)果表明：3號(hào)舵方案試驗(yàn)結(jié)果有了較大的改善，但是10°/10°Z字試驗(yàn)第一超越角和20°/20°左舵Z字試驗(yàn)第一超越角仍不能滿足法規(guī)要求；采用3號(hào)舵+呆木+制流板的方案，所有指標(biāo)均滿足了法規(guī)要求。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，本船型最終選用3號(hào)舵+呆木+制流板的方案。

4 試航驗(yàn)證

實(shí)船的試航驗(yàn)證在中國(guó)東海進(jìn)行，試驗(yàn)水域水深約60 m，航行狀態(tài)為滿載平浮，海上風(fēng)力蒲氏3～4級(jí)，海浪3級(jí)。為盡可能縮短打舵時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)使用2臺(tái)泵驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。試航實(shí)測(cè)結(jié)果見表4。

表4 實(shí)船測(cè)試結(jié)果 單位：(°)

受風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響，同時(shí)考慮尺度效應(yīng)和轉(zhuǎn)舵時(shí)間的影響，試航測(cè)試結(jié)果和船模試驗(yàn)結(jié)果有一定的差別，但變化趨勢(shì)基本相當(dāng)。實(shí)船試航結(jié)果亦滿足了法規(guī)要求。試航結(jié)果進(jìn)一步表明：本次針對(duì)7 800 t瀝青船Z字操縱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常成功的。

同時(shí)，試航時(shí)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)及急停倒車試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如下：

(1)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：左、右回轉(zhuǎn)戰(zhàn)術(shù)直徑分別為2.19倍和2.15倍垂線間長(zhǎng)，縱距分別為3.02倍和3.00倍垂線間長(zhǎng)。

(2)初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)執(zhí)行10°舵角，艏向角偏離初始航向10°時(shí)，船舶的航程為1.2倍垂線間長(zhǎng)。

(3)急停倒車試驗(yàn)：船舶停船距離為9.45倍垂線間長(zhǎng)。

經(jīng)試航驗(yàn)證，上述試驗(yàn)均滿足法規(guī)要求，并有較大的安全裕度。

5 影響船舶快速性的因素

5.1 船舶濕表面積的增加

該船船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)采用“二因次方法”進(jìn)行實(shí)船阻力換算。相比初步設(shè)計(jì)方案，最終方案由于優(yōu)化舵葉及增加呆木、制流板導(dǎo)致的水下濕面積增加共計(jì)13.6 m。在設(shè)計(jì)航速13.5 kn時(shí)，計(jì)算得出：摩擦阻力相應(yīng)增加約0.4%，總阻力系數(shù)增加約0.3%，航速降低不超過0.02 kn，影響十分有限。

5.2 伴流的影響

實(shí)際對(duì)伴流的影響未做進(jìn)一步定量研究，但考慮該船呆木和制流板設(shè)計(jì)時(shí)安裝位置已避開高伴流區(qū)，基本可避免對(duì)艉部伴流場(chǎng)產(chǎn)生過分不利影響。

6 結(jié)論

(1)通過增加舵葉面積，或者在艉部適當(dāng)位置增加呆木、制流板等附體，均能有效改善小型低速液貨船的Z字操縱性試驗(yàn)指標(biāo)。

(2)7 800 t瀝青船僅通過增加舵葉面積的措施，不能保證滿足Z字操縱性試驗(yàn)對(duì)于超越角的要求；加裝呆木和制流板之后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，船舶Z字試驗(yàn)操縱性滿足了法規(guī)要求。

(3)受船模尺度效應(yīng)、轉(zhuǎn)舵時(shí)間和風(fēng)、浪、流等試航環(huán)境條件的影響，實(shí)船試航測(cè)試結(jié)果和船模試驗(yàn)結(jié)果往往會(huì)有一定的差異，但只要設(shè)計(jì)階段的船模試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)要求，且試驗(yàn)結(jié)果被主管機(jī)關(guān)接受，均應(yīng)認(rèn)定船舶的操縱性合規(guī)。因此對(duì)于一些操縱性指標(biāo)合規(guī)存在不確定性的船型，在設(shè)計(jì)階段通過船模試驗(yàn)對(duì)操縱性進(jìn)行驗(yàn)證是十分必要的。