基于母型船偏差一致的舵面積估算方法

王志剛，周 旭

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引 言

舵系是決定船舶操縱性好壞的重要設(shè)備，在開發(fā)船舶初期，由于難以獲得準(zhǔn)確的操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能根據(jù)操縱性要求進(jìn)行方案預(yù)估，其中舵面積是首先需確定的預(yù)選參數(shù)。尤其是當(dāng)前綠色環(huán)保船型追求降本減排，舵桿到艉封板的空間非常有限，需在該范圍內(nèi)緊湊地布置一定大小的舵，因此需對舵進(jìn)行合理預(yù)估，在保證船舶的操縱性滿足要求的前提下，使艉部能緊湊地布置一定大小的舵。在此情況下，舵的預(yù)選設(shè)計(jì)為艉部線型設(shè)計(jì)的高度相關(guān)因素。

1 船舶操縱性理論

為保證船舶能安全地航行，必須使其具有良好的操縱性。船舶的操縱性主要包括停船性能、小舵角轉(zhuǎn)艏性能、航向穩(wěn)定性能和大舵角回轉(zhuǎn)性能。目前國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)對船舶操縱性的要求是2002年12月通過的MSC.137(76)決議《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)明確指出船舶的操縱性根據(jù)對船舶進(jìn)行航行試驗(yàn)時分析的操縱性能指標(biāo)考量[1]，這些指標(biāo)包括：

1)回轉(zhuǎn)性能，即回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中回轉(zhuǎn)圈的縱距Ad和戰(zhàn)術(shù)直徑DT的大小(越小越好)；

2)轉(zhuǎn)艏性能，即10°舵角下艏向相對初始航向偏離10°時船舶縱距的大小(越小越好)；

3)偏航糾正和航向穩(wěn)定性能，即10°/10° Z 形操縱性試驗(yàn)的第一超越角和第二超越角的大小，以及20°/20° Z形操縱性試驗(yàn)的第一超越角的大小(越小越好)。

船舶的操縱性與其主尺度、線型和舵的設(shè)計(jì)密切相關(guān)[2]。但是，對于具有舵和推進(jìn)器的海船而言，在船舶設(shè)計(jì)初期，在船型和主尺度確定之后，通過估算確定舵的大小，由此考慮滿足操縱性的要求，以便開展線型設(shè)計(jì)等后期設(shè)計(jì)工作。在船舶線型設(shè)計(jì)完成之后，可通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)報、模擬計(jì)算和模型試驗(yàn)等方式進(jìn)行操縱性預(yù)報，并在船舶建造完成之后進(jìn)行實(shí)船操縱性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足上述《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》的要求。若后期對船舶的操縱性不滿意，需對舵進(jìn)行改進(jìn)，甚至對艉部線型進(jìn)行調(diào)整，工作量非常大。因此，在船舶設(shè)計(jì)初期，準(zhǔn)確預(yù)估舵面積的大小至關(guān)重要。

2 舵面積估算方法

在船型和舵型確定之后，舵面積的大小一定程度上決定船舶操縱性的好壞。在選擇舵面積過程中，常用的參數(shù)為舵面積比μ，其表達(dá)式為

(1)

式(1)中：A為舵面積大小，m2；L為船長，m；d為吃水，m。

針對不同船型的特點(diǎn)，在船舶設(shè)計(jì)初期，收集整理幾種常用的舵面積估算方法。

2.1 船舶入級規(guī)范要求的舵面積

挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)和德國勞氏船級社(Germanischer Llogd,GL)都曾在規(guī)范中給出最小舵面積的計(jì)算公式。2006年1月,國際船級社協(xié)會(International Association of Classification Societies,IACS)在《油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》中給出了可動舵葉面積的最小值[3]。DNV的《船舶入級規(guī)范》曾規(guī)定，直接安裝在推進(jìn)器后面的舵(單舵或多舵)的總面積A應(yīng)不小于按照下述公式計(jì)算得到的值，即

(2)

對于需在運(yùn)河、港灣和其他狹窄水道內(nèi)頻繁地機(jī)動航行的船舶，應(yīng)在式(2)確定的舵面積的基礎(chǔ)上增加舵面積。若船舶設(shè)有流線型舵柱，則舵柱側(cè)面積的1/2可計(jì)入舵面積。若船舶設(shè)有掛舵臂，則位于舵頂部水平線以下的掛舵臂的面積可計(jì)入舵面積。若舵不在推進(jìn)器的水流正后方，則在式(2)計(jì)算給出的舵面積的基礎(chǔ)上至少增加30%計(jì)入舵面積。具有特殊剖面或形狀的高效舵(如襟翼舵和導(dǎo)流管等)可具有較小的舵總面積。若船舶具有大的干舷和高的連續(xù)上層建筑，則必須考慮增加舵面積。

2.2 村橋法

對于采用普通單槳單舵的散貨船、油船及其他貨船而言，可按設(shè)計(jì)船的Cb(B/d)和k=2d/L的值，查閱村橋法圖譜(見圖1)得出舵面積比μ=A/(Ld)[4]。

圖1 村橋法圖譜

2.3 山田村橋法

對于采用單槳單舵的肥大型船(L/B=6.0～6.5，Cb>0.8)而言，可由航向穩(wěn)定性觀點(diǎn)和回轉(zhuǎn)性觀點(diǎn)選擇舵面積(見圖2和圖3)，由此決定可動舵面積比[4]，其中AR為可動舵面積，m2。

圖2 從航向穩(wěn)定性觀點(diǎn)選擇舵面積

圖3 從回轉(zhuǎn)性觀點(diǎn)選擇舵面積

2.4 小田法

對于萬噸級以上油船而言，可根據(jù)設(shè)計(jì)船的Cb(L/B)值，查閱小田法圖譜(見圖4)求得舵面積比[4]。

圖4 小田法圖譜

2.5 風(fēng)壓側(cè)面積法

風(fēng)壓側(cè)面積法是按風(fēng)壓大小確定舵面積的方法。對于上層建筑和受風(fēng)面積較大的船舶而言(如集裝箱、滾裝船和渡船等)，應(yīng)由承受一定風(fēng)壓的觀點(diǎn)選擇舵面積[4]。圖5為風(fēng)速與航速之比小于4.5時仍能操船的舵面積，其中：a90為水上側(cè)面積的形心到船中的距離與船長之比，以舯前為正；AY為船舶水線以上側(cè)投影面積，m2。

圖5 風(fēng)壓側(cè)面積法圖譜

2.6 基于公開方法的舵面積估算

收集整理系列散貨船、油船、礦砂船、集裝箱船和滾裝船的主尺度及舵面積等參數(shù)。這些船舶均采用半懸掛舵，選用的舵面積均為可動部分的舵面積，且都已完成實(shí)船操縱性試驗(yàn)，證明船舶實(shí)際的操縱性能良好。采用上述2.1～2.5節(jié)的估算方法進(jìn)行舵面積估算，并將所得結(jié)果與實(shí)際舵面積相對比，偏差見表1和2，其中舵面積偏差等于計(jì)算舵面積與實(shí)際舵面積的差值與實(shí)際舵面積之比。

表1 散貨船、油船和礦砂船等低速肥大型船的舵面積估算偏差 單位：%

從表1和表2中可看出，采用上述方法估算的舵面積偏差普遍較大，且偏差因船型的不同而波動較大。分析原因，主要在于這些圖譜公開的時間比較早，是基于早期船型和舵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)歸納而來的。當(dāng)前，無論是船型還是舵均有所改進(jìn)，尤其是舵葉的形狀得到了優(yōu)化，使得舵效相比以往有所提高，滿足相同操縱性要求的舵面積減小。DNV入級規(guī)范中的舵面積公式原來是作為指導(dǎo)性統(tǒng)計(jì)歸納性公式的，已于2009年1月取消，這意味著在能保證操縱性的前提下，設(shè)計(jì)者有了較大發(fā)揮空間[5]。

表2 集裝箱和滾裝船等側(cè)面積較大型船的舵面積估算偏差 單位：%

另外，從表1和表2中還可看出：小田法對散貨船、油船和礦砂船等低速肥大型船的估算偏差相對較??；風(fēng)壓側(cè)面積法對集裝箱和滾裝船等側(cè)面積較大型船的估算偏差相對較小。

3 基于母型船偏差一致的舵面積估算方法

首先，根據(jù)船型特點(diǎn)選擇合適的基礎(chǔ)估算方法。對于散貨船、油船和礦砂船等低速肥大型船，選擇小田法作為基礎(chǔ)估算方法；對于集裝箱船、滾裝船和兼裝集裝箱的多用途船等側(cè)面積較大的船舶，選擇風(fēng)壓側(cè)面積法作為基礎(chǔ)估算方法。

然后，選擇船型和主尺度與設(shè)計(jì)船接近的母型船。利用基礎(chǔ)方法估算其舵面積比μ0，并將所得結(jié)果與實(shí)際值相對比，偏差為δ0(δ0等于估算舵面積比與實(shí)際舵面積比的差值與實(shí)際舵面積比之比)。利用同樣的基礎(chǔ)方法估算設(shè)計(jì)船舵面積比μ1，并利用母型船的估算偏差進(jìn)行修正，得到設(shè)計(jì)船的舵面積比μ為

μ=μ1·(1-δ0)

(3)

最后，分別選擇不同類型的已建造船舶，按基于母型船偏差一致的方法進(jìn)行舵面積預(yù)估，并將所得結(jié)果與實(shí)際值相對比，最終誤差見表3，其中：82 000載重噸散貨船、209 000載重噸散貨船和311 000載重噸超大型油船選擇小田法作為基礎(chǔ)估算方法；19 000 TEU集裝箱船和3 800車汽車滾裝船選擇風(fēng)壓側(cè)面積法作為基礎(chǔ)基礎(chǔ)估算方法。

表3 基于母型船偏差一致法的估算誤差 單位：%

由表3可知，基于母型船偏差一致法估算的誤差相比基礎(chǔ)方法大幅度減小，且對于不同船型而言，誤差比較穩(wěn)定。由此，可基于該方法，在船舶設(shè)計(jì)初期準(zhǔn)確預(yù)選舵面積大小，保證船舶具有良好的操縱性。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于母型船偏差一致的方法，在船舶設(shè)計(jì)初期對舵面積進(jìn)行估算。相比現(xiàn)有的舵面積估算方法，該方法能準(zhǔn)確預(yù)估舵面積，可靠地保證船舶具有良好的操縱性，為船體型線及后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考，大大降低后期修改的風(fēng)險。該方法的關(guān)鍵在于基礎(chǔ)方法和母型船的選擇?；A(chǔ)方法要選擇適合設(shè)計(jì)船的船型、偏差小的方法。對于母型船的選擇，應(yīng)盡量選擇船型和主尺度與設(shè)計(jì)船接近的船舶。