4500DWT沿海貨船舵設(shè)備設(shè)計(jì)

楊濤

江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司，中國(guó)·上海 200000

1 引言

2008年的金融危機(jī)引發(fā)國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)動(dòng)蕩，面對(duì)充滿變數(shù)的航運(yùn)市場(chǎng)，多用途船具有能適應(yīng)多種航線，盡可能高效率地載運(yùn)各種貨物，使用簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉的特點(diǎn)，成為船東們較為理想的運(yùn)營(yíng)船型之一。

2 集散兩用沿海貨船簡(jiǎn)介

集散兩用船即多用途船。多用途貨船是既能載運(yùn)普通件雜貨，也能載運(yùn)散貨、大件貨和一部分集裝箱以及冷藏貨的貨船。通常為雙甲板、尾機(jī)型和大艙口，并配有大起重量。

舵是實(shí)現(xiàn)船舶操縱的主要設(shè)備，轉(zhuǎn)動(dòng)舵時(shí)，舵上產(chǎn)生的水動(dòng)力在垂直于船體中心線方向上的分力相對(duì)于船體舯剖面形成轉(zhuǎn)船力矩，起回轉(zhuǎn)船舶的作用，置于零舵位時(shí)起穩(wěn)定航向的作用。性能優(yōu)良的舵設(shè)備能滿足船舶對(duì)操縱性的要求，能使舵裝置與操舵裝置的重量輕、成本低、功率消耗小，工作安全可靠，便于制造和維修。作為船舶重要性能之一的操縱性包含兩個(gè)相互有關(guān)的性能，即航向穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)性。而良好的操縱性必須依靠舵設(shè)備來(lái)保證。

3 舵設(shè)備的組成

舵設(shè)備中除了舵以外，為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，將舵轉(zhuǎn)到所需的角度并保證其有效工作，還需要有操舵裝置、舵機(jī)、轉(zhuǎn)舵裝置。其中，包括操舵器、舵角指示器、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、舵。不同型式的舵由于其同船體連接方式或是舵葉與舵桿的連接方式的不同，舵系的組成方式也會(huì)有所不同[1]。

3.1 舵的作用

①船舶操縱性是船舶保持或改變航向的能力：小舵角下的航向保持性；中等舵角的航向改變性；大舵角的船舶回轉(zhuǎn)性。

②舵位于船體和螺旋槳的后方，受到船體伴流和螺旋槳尾流的影響，舵的存在及舵角變化也影響船體及槳的受力情況。船體—槳—舵是相互影響、關(guān)系密切的有機(jī)整體。把舵置于槳的尾流內(nèi)，不僅可吸收旋轉(zhuǎn)尾流的能量，還可充填根渦區(qū)，減少渦能損失，從而提高了推進(jìn)效率。因此，從快速性角度有時(shí)把舵和槳合在一起作為推進(jìn)系統(tǒng)的一部分。

③舵作為附體，產(chǎn)生阻力，當(dāng)船舶回轉(zhuǎn)時(shí)，舵產(chǎn)生回轉(zhuǎn)阻尼力矩。若舵角為零，舵與呆木一樣，起固定式尾鰭的作用，對(duì)直線穩(wěn)定性有利；當(dāng)操了一定的舵角，船舶進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著水流的偏轉(zhuǎn)，舵的有效攻角小于實(shí)際舵角，減少了舵力和轉(zhuǎn)船力矩，這部分差額相當(dāng)于被舵的回轉(zhuǎn)阻尼力矩抵消，該回轉(zhuǎn)阻尼作用是舵阻尼，也可稱(chēng)為舵的鰭效應(yīng)。舵的鰭效應(yīng)改善了船舶直線穩(wěn)定性，也提高了操舵后船舶進(jìn)入新航向的跟從性。

3.2 舵設(shè)備的作用原理

利用轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉來(lái)改變航向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列水動(dòng)力作用過(guò)程。當(dāng)舵以速度v 運(yùn)動(dòng)，并且有一定舵角時(shí)，在舵上會(huì)產(chǎn)生舵壓力，舵壓力產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩，在轉(zhuǎn)船力矩和橫向力的作用下，船首向轉(zhuǎn)舵方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 舵設(shè)備的分類(lèi)

按安裝位置分：中舵、邊舵、水平舵等。

按舵面積在軸前后分：平衡舵、半平衡舵、不平衡舵。

按支撐方法分：懸掛舵、半懸掛舵、支撐舵（單/雙/多支撐）。

特種舵：襟翼舵、主動(dòng)舵、組合舵、反應(yīng)舵、轉(zhuǎn)柱舵等。

按舵葉的剖面形狀分：?jiǎn)伟宥?、?fù)板舵（亦稱(chēng)流線型舵），目前常用的多為流線型平衡舵[2]。

3.4 舵設(shè)備的設(shè)計(jì)方法與思路

3.4.1 舵裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩種方法

一是按照船舶建造規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算；

內(nèi)部控制主要是指企業(yè)通過(guò)制定一系列規(guī)章制度來(lái)對(duì)自身經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)進(jìn)行控制。從實(shí)踐情況來(lái)看，這種控制性的行為很難得到人們的認(rèn)可，由此使得企業(yè)內(nèi)部控制管理缺乏必要的動(dòng)力支持。另外，企業(yè)實(shí)施內(nèi)部控制也需要一定的成本費(fèi)用，在開(kāi)展內(nèi)部控制的過(guò)程中會(huì)影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的獲得。

二是按照強(qiáng)度理論計(jì)算決定。

一般來(lái)說(shuō)除了決定舵桿直徑可用強(qiáng)度理論計(jì)算外，其他零件主要按照規(guī)范規(guī)定進(jìn)行計(jì)算確定。驗(yàn)船部門(mén)審核舵裝置零件計(jì)算上的主要依據(jù)是船舶建造規(guī)范和強(qiáng)度理論。

3.4.2 舵的設(shè)計(jì)思路

舵的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 舵的設(shè)計(jì)思路

3.5 舵設(shè)備的方案、布置設(shè)計(jì)

舵的布置需考慮以下原則：

①為了使舵上的流體動(dòng)力對(duì)船舶產(chǎn)生一個(gè)盡可能大的轉(zhuǎn)船力矩，舵應(yīng)布置在遠(yuǎn)離舶船重心G 處，以便增加力臂值，改善回轉(zhuǎn)性，所以舵常布置在船尾部。對(duì)有特殊需要的船也有布置在船首的，因?yàn)樾鑼?duì)開(kāi)，無(wú)首尾之分；

②注意使舵得到突出的尾型的保護(hù)；

③為了獲得螺旋槳尾流以提高舵效，舵一般布置在螺旋槳的后方。試驗(yàn)資料表明，螺旋槳尾流要經(jīng)一段距離后，其尾流速度才達(dá)到最大值。所以，原則上應(yīng)將舵布置在尾流速度大處工作，對(duì)提高舵效有利。

3.6 舵面積的確定

按船級(jí)社規(guī)范確定舵面積：

式中，L 為船長(zhǎng)（m），本船為89.9m；T 為吃水（m），本船為5.6m；B 為船寬（m），本船為14.6m；Cb為方形系數(shù)，本船為0.82。計(jì)算得，A=9.50m2。

考慮本船尾部線型和吃水，實(shí)取舵高h(yuǎn)=3.80m，舵寬b=2.50m。舵葉采用矩形。

3.7 舵葉翼型及剖面參數(shù)

流線型舵的剖面常為對(duì)稱(chēng)機(jī)翼形。為使其能產(chǎn)生較大的升力和具有較小的阻力，前緣為圓形，而后緣較尖。剖面厚度比過(guò)大或過(guò)小對(duì)最大升力系數(shù)都不利，一般認(rèn)為在0.10～0.20 范圍較為合適。由于NACA 剖面的升力較大，阻力較小，適宜于正對(duì)螺旋槳尾流的舵葉。故本船舵葉選取NACA0015 對(duì)稱(chēng)機(jī)翼剖面，即型厚比為0.15，最大厚度t=0.375m。

3.8 舵平衡比

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，該類(lèi)型貨船的舵平衡比k 宜在0.25～0.28之間，本舵為矩形舵，參考母型船，實(shí)取舵桿中心線至導(dǎo)邊的距離為a=0.65m，則舵平衡比k=a/b=0.65m/2.50m=0.26，在規(guī)定范圍之內(nèi)。

3.9 舵葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

舵葉結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算按《2006 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》3.1.6.2，舵葉板（含旁板、頂板和底板）厚度應(yīng)不小于：

式中：d 為吃水，m；F 為舵力，N；A 為舵葉面積，m2。

實(shí)取15mm。

舵葉的導(dǎo)緣通常用鋼板彎制，按《2006 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》3.1.6.4 舵葉的導(dǎo)邊板厚度應(yīng)不小于1.2 倍的舵旁板厚度，但也不必大于22mm，所以取20mm。

舵葉的尾緣（隨緣）形式較多，最簡(jiǎn)單的方式是將兩側(cè)的舵葉旁板搭接，但這種方式比較容易產(chǎn)生裂紋，因此通常的方法是加設(shè)型材，如扁鋼、圓鋼、半圓鋼或按舵葉的尾端線型加工的專(zhuān)用鋼材。

根據(jù)《2006 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》3.1.6.3 舵葉內(nèi)應(yīng)設(shè)置垂直隔板和水平隔板，其厚度應(yīng)不小于0.7 倍的舵旁板厚度，且不小于8mm，所以取11mm。

4 結(jié)語(yǔ)

論文通過(guò)對(duì)4500DWT 沿海貨船舵設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)按確定舵的數(shù)目與位置→選擇舵面積大小、剖面形狀與外形→通過(guò)水動(dòng)力特性計(jì)算確定舵桿直徑及各構(gòu)件尺寸和舵機(jī)功率三步走思路進(jìn)行舵設(shè)計(jì)，為以后工作提供建議或思路。