新型50 000 t油船舵系設(shè)計(jì)流程

李文亮

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

50 000 t油船是新開(kāi)發(fā)的MR型油船項(xiàng)目的首制船，是一款低油耗、高航速且滿(mǎn)足第三階段能效設(shè)計(jì)指數(shù)的節(jié)能環(huán)保型油船，對(duì)其線(xiàn)型、分艙布置、設(shè)備配置等進(jìn)行全方位優(yōu)化設(shè)計(jì)后，與之相匹配的舵系也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)初期，由于舵參數(shù)需要根據(jù)船體線(xiàn)型等參數(shù)及時(shí)快速的確認(rèn)，所以，可以將整個(gè)舵系計(jì)算書(shū)在Excel表中編輯，便于校核時(shí)修改。編制規(guī)范直接計(jì)算表格也是目前舵系設(shè)計(jì)人員主要的設(shè)計(jì)方式，可以通過(guò)此計(jì)算表格對(duì)舵系各參數(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。各舵系參數(shù)基本確定后，為了有效地保證舵系設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，減少后期可能存在的設(shè)計(jì)變更，可以運(yùn)用BV舵系設(shè)計(jì)軟件對(duì)舵系設(shè)計(jì)進(jìn)行二次校驗(yàn)。

本文采用規(guī)范直接計(jì)算表格對(duì)50 000 t油船舵系主要參數(shù)進(jìn)行分析選取，并運(yùn)用BV舵系設(shè)計(jì)軟件校核舵系設(shè)計(jì)流程和方法。

1 舵系統(tǒng)簡(jiǎn)介

操縱性是船舶的重要性能之一，包含航向穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性。操縱性良好的船舶具備足夠的航向穩(wěn)定性、中小舵角良好的應(yīng)舵性能、符合要求的大舵角回轉(zhuǎn)性能、適中的主機(jī)停車(chē)和主機(jī)逆轉(zhuǎn)的停船性能，而良好的操縱性必須依靠操縱設(shè)備來(lái)保證。

船用舵是小展弦比的平板或機(jī)翼型結(jié)構(gòu)，設(shè)置在船尾。當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵上產(chǎn)生的水動(dòng)力的合力在垂直于船體中心線(xiàn)的方向上的分力相對(duì)于船體剖面形成了轉(zhuǎn)船力矩。舵的形式很多，除了普通舵之外還有襟翼舵、制流板舵、魚(yú)尾舵、轉(zhuǎn)柱舵等。

舵系由舵葉、舵桿、舵銷(xiāo)、上舵承、下舵承、止跳裝置、舵角限位裝置、舵機(jī)及其自身控制系統(tǒng)、相關(guān)聯(lián)的自動(dòng)舵系統(tǒng)等組成。舵系材料除需要滿(mǎn)足規(guī)范要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足角度限位、操舵時(shí)間限制、操作位置、自動(dòng)舵等操縱要求，以及額外的水下檢驗(yàn)要求。

2 舵葉參數(shù)的選擇

舵葉外形主要配合船舶尾部線(xiàn)型和螺旋槳的布置，并考慮舵葉的強(qiáng)度及制作便利性等。50 000 t油船為單槳船，在綜合考慮船舶操縱性及建造成本的基礎(chǔ)上，選用單舵形式。在初步設(shè)計(jì)階段，船舶線(xiàn)型及艙室劃分完成，大致輪廓已經(jīng)成型。按常規(guī)布置，為了提高舵效，將舵設(shè)置于螺旋槳正后方，使其位于螺旋槳的尾流中。為了提高船舶的航向穩(wěn)定性，并減小舵桿處彎矩和扭矩的影響，本船設(shè)置掛舵臂，采用半懸掛舵形式。舵葉的下緣高于基線(xiàn)，上緣接近船底。為了進(jìn)一步提高船舶的航向穩(wěn)定性，減少舵葉上緣的繞流以提高舵效，本船設(shè)置了假舵。另外，如果船舶有相關(guān)冰區(qū)的要求，需要提前設(shè)計(jì)預(yù)留尾部冰刀的空間。

為了減少船舶自身的結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)一步提高船舶的載重量，對(duì)艉部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化后，艉封板距舵桿中心線(xiàn)的長(zhǎng)度縮小了300 mm，相關(guān)線(xiàn)型也進(jìn)行調(diào)整。由于艉部線(xiàn)型的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到舵系的布置及舵葉面積的選取，因此需依據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)線(xiàn)型對(duì)舵系的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化更新，并校驗(yàn)舵系設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求。優(yōu)化前后的舵葉主要參數(shù)見(jiàn)表1，選取的參數(shù)隨著設(shè)計(jì)的深入需要不斷地迭代優(yōu)化。

表1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后舵葉參數(shù)對(duì)比

2.1 舵面積的選取

舵葉面積的選擇直接影響船舶的操縱性。雖然在初步設(shè)計(jì)階段對(duì)艉部結(jié)構(gòu)線(xiàn)型優(yōu)化后，相關(guān)舵葉面積的選取空間已經(jīng)不大，但是舵葉面積的最終選取仍需進(jìn)行比對(duì)分析，并按照最小規(guī)范計(jì)算面積的計(jì)算方法和參照母型船對(duì)最終選取的舵葉面積進(jìn)行驗(yàn)證。

參照散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范，為達(dá)到充分的操縱性能，建議可移動(dòng)舵葉面積應(yīng)不小于下式計(jì)算值：

(1)

式中：為舵葉面積；為舵型因子；為舵類(lèi)型因子；為舵形狀因子；為舵系布置因子；為規(guī)范船長(zhǎng)；為型吃水。

以某56 000 t油船為母型船，對(duì)舵葉面積進(jìn)行參照分析：

(2)

式中：為母型船的舵葉面積；為母型船的船長(zhǎng)；為母型船的型吃水。

根據(jù)式(1)計(jì)算，規(guī)范要求的最小舵葉面積為32.69 m。根據(jù)式(2)計(jì)算，本船的舵葉面積結(jié)構(gòu)線(xiàn)型優(yōu)化前應(yīng)為44.78 m，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。結(jié)合本船優(yōu)化后的艉部線(xiàn)型，實(shí)際選取的舵葉面積為42.87 m，大于規(guī)范最小計(jì)算面積，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

與母型船的相關(guān)舵葉面積參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本船最終的舵面積比略高于母型船，可以滿(mǎn)足后期使用的要求。

表2 舵葉面積參數(shù)表

2.2 舵葉外形和剖面翼型等參數(shù)的選取

舵剖面是指由垂直于舵桿軸線(xiàn)的平面截得的舵葉剖面，通常沿高度方向厚度不變的矩形舵的各個(gè)剖面的形狀完全相同。非矩形舵雖然各個(gè)剖面的弦長(zhǎng)不同，但一般均采用相同的厚度比，因而其各個(gè)剖面的形狀相似。國(guó)內(nèi)采用較多的流線(xiàn)型是NACA流線(xiàn)型剖面。NACA剖面的升力系數(shù)較大，阻力系數(shù)較小，前緣不是太肥大，對(duì)提高螺旋槳的推進(jìn)效率有利。從工藝來(lái)說(shuō)，NACA剖面為對(duì)稱(chēng)型剖面，較易施工，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，不用特殊加強(qiáng)。

舵葉厚度比的選擇主要取決于舵葉和舵桿的強(qiáng)度，常用厚度比為0.15～0.25。一般來(lái)說(shuō)，厚度比增大后，升力系數(shù)的斜率略有減小，阻力系數(shù)略有增大，失舉角和最大升力系數(shù)在一定的厚度比范圍內(nèi)略有增加。

展弦比是決定舵流體動(dòng)力特性的主要因素，它決定著升力系數(shù)曲線(xiàn)的斜率與失舉角的大小。展弦比越大，升力系數(shù)斜率越大，失舉角越小。在同樣展弦比下，平衡舵的失舉角較小，帶舵的不平衡舵和帶掛舵臂的半平衡舵的失舉角較大。帶掛舵臂的半平衡舵的展弦比常在1.5～2.4之間。本船設(shè)計(jì)時(shí)最終選取的展弦比為1.621。

在艉部線(xiàn)型和舵面積已確定的情況下，舵的外形可供變動(dòng)的余地是很小的。試驗(yàn)表明，在展弦比一定時(shí)，舵外形的變化對(duì)其流體動(dòng)力特性的影響極微。因此，本船舵葉剖面的選取重點(diǎn)是舵葉的強(qiáng)度及后期制造的便利性等方面。

經(jīng)過(guò)綜合分析以后，最終選用厚度比為0.19的NACA0019型流線(xiàn)型舵葉剖面翼型。

3 舵系主要數(shù)據(jù)的計(jì)算校核

3.1 舵系主要參數(shù)的選取

在舵葉外形、剖面等參數(shù)已經(jīng)明確的基礎(chǔ)上(見(jiàn)圖1)，按照規(guī)范的要求，校核優(yōu)化整個(gè)舵系設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算，可以得到整個(gè)舵系設(shè)計(jì)的重要支撐參數(shù)，如正車(chē)和倒車(chē)時(shí)的舵力、舵桿扭矩、舵桿直徑、舵銷(xiāo)直徑、舵桿舵銷(xiāo)壓入量、舵葉強(qiáng)度等參數(shù)。

圖1 舵葉外形參數(shù)圖(單位：mm)

本船在研發(fā)初期申請(qǐng)了美國(guó)船級(jí)社(ABS)的原則認(rèn)可，故舵系計(jì)算依據(jù)ABS規(guī)范進(jìn)行。將舵葉相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入前期依據(jù)規(guī)范公式編輯好的計(jì)算表中，可以得到表3的舵系主要參數(shù)，并依據(jù)相應(yīng)要求，選取最終的參數(shù)。

表3 舵系主要參數(shù)

在舵系主要參數(shù)的計(jì)算過(guò)程中，舵扭矩參數(shù)的選取很重要，直接關(guān)系到舵機(jī)的選型。在確定舵機(jī)扭矩時(shí)除了水動(dòng)力造成的舵桿扭矩外，還應(yīng)計(jì)及舵系統(tǒng)各支承處的摩擦力矩，其中最主要的是舵桿軸承的摩擦力矩。常規(guī)舵機(jī)扭矩的選取為計(jì)算舵扭矩的1.2倍左右，本船為1 055.04 N·m?？紤]到MSC對(duì)電液舵在試航時(shí)舵機(jī)扭矩和試驗(yàn)壓力的關(guān)注，50 000 t油船在試航時(shí)可以達(dá)到滿(mǎn)載試航工況的要求，后期無(wú)需進(jìn)行扭矩和系統(tǒng)壓力的推算，但是本船實(shí)際選用的舵機(jī)扭矩仍在此基礎(chǔ)上增加一定的裕度。

舵桿和舵銷(xiāo)作為舵系統(tǒng)主要的傳、受力構(gòu)件，依據(jù)規(guī)范要求一般選用鍛鋼件，其化學(xué)成分及力學(xué)性能也都要滿(mǎn)足規(guī)范中相應(yīng)要求。其材料最小屈服強(qiáng)度的選取不僅將直接關(guān)系到舵桿和舵銷(xiāo)直徑的選取，進(jìn)而影響舵葉剖面厚度比的選取，還會(huì)對(duì)后期的采購(gòu)成本及加工等造成影響。故在實(shí)際選取時(shí)，需要進(jìn)行通盤(pán)考慮，多次迭代選取。

本船采用焊接結(jié)構(gòu)的舵葉，主要由舵葉旁板、垂直隔板、水平隔板及連接舵桿和舵銷(xiāo)的鑄鋼件組成。相關(guān)的舵板厚度也按照規(guī)范要求進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，見(jiàn)表4。

表4 舵葉板厚的選取 單位：mm

3.2 運(yùn)用BV舵系設(shè)計(jì)軟件的二次校核

整個(gè)舵系按照ABS規(guī)范直接計(jì)算完成以后，又使用BV舵系軟件對(duì)舵系設(shè)計(jì)進(jìn)行了二次校核。BV的舵系計(jì)算軟件是依據(jù)BV最新規(guī)范要求設(shè)計(jì)的舵系直接計(jì)算軟件。將主要的舵系幾何參數(shù)逐步輸入軟件后，軟件將按照其規(guī)范的要求進(jìn)行驗(yàn)證，并生成最終直接計(jì)算的數(shù)據(jù)。雖然計(jì)算得出的數(shù)據(jù)后續(xù)仍需要送ABS社審核確認(rèn)，但是在初步設(shè)計(jì)階段可用作舵系設(shè)計(jì)的校核參考。

4 舵系統(tǒng)的布置

在規(guī)范計(jì)算完成以后，需要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行整合，并對(duì)部分細(xì)節(jié)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)和優(yōu)化完善。此外，還需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

(1)作為舵系控制系統(tǒng)的舵機(jī)形式需要確認(rèn)。在設(shè)計(jì)初期，為了便于后期安裝及控制空船重量，選擇了體積小、重量輕的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)。在技術(shù)談判階段，船東按照其使用習(xí)慣，最終選擇了更便于后期維護(hù)保養(yǎng)的柱塞式舵機(jī)。

(2)舵葉整體為狹小密閉空間，在舵葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮施工人員的進(jìn)出通道，且內(nèi)部狹小空間作業(yè)不僅會(huì)增加施工的難度，而且對(duì)施工人員的安全也會(huì)帶來(lái)一定的影響。故實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需盡最大努力減少舵葉內(nèi)部的作業(yè)量，可在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，后續(xù)安裝的舵葉旁板盡量多采用塞焊形式。塞焊孔的長(zhǎng)度一般為75 mm，寬度為2倍舵板厚度，兩端為半圓，間距最大不超過(guò)125 mm。

(3)為了舵葉的安裝和拆卸，在舵葉上常規(guī)需設(shè)置吊舵孔?？紤]到舵桿和舵銷(xiāo)液

壓螺母的拆裝，相應(yīng)安裝位置需設(shè)置為可拆板形式。根據(jù)ABS的要求，舵桿和舵銷(xiāo)液壓螺母處在水下檢驗(yàn)時(shí)需設(shè)置可以檢查舵桿和舵銷(xiāo)安裝狀態(tài)的裝置，這就要求設(shè)置帶玻璃的水下密封觀察孔。

在綜合考慮以上的一系列事項(xiàng)的基礎(chǔ)上，最終順利繪制完成首制船的相關(guān)舵系計(jì)算書(shū)、舵系布置圖、舵葉、舵桿、舵銷(xiāo)、鑄鋼件、液壓螺母、軸套、襯套及其他相關(guān)零件圖，并提交ABS審核完成，相關(guān)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范的相應(yīng)要求。

5 結(jié)論

(1)舵系的設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的參數(shù)很多，而且很多參數(shù)之間是相悖的。這就會(huì)出現(xiàn)，為了滿(mǎn)足或優(yōu)化某個(gè)參數(shù)，卻引起其他參數(shù)的不利變化，從而導(dǎo)致舵效降低。

(2)舵系設(shè)計(jì)并不能一蹴而就，其設(shè)計(jì)過(guò)程需要不斷循環(huán)往復(fù)，要在不同的參數(shù)組合中選擇相對(duì)優(yōu)化的方案。

(3)理論上講，舵系設(shè)計(jì)方案并不能保證其最優(yōu)性或者唯一性，后續(xù)仍需持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。