散貨船操舵試驗舵計算及參數分析

閆 焱，盧曉翔

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913）

0 引言

散貨船在試航時是在壓載狀態下進行操舵試驗的，根據規范要求，需采取轉換計算的方法提供出等效于舵葉全浸沒狀態下的受力與力矩，然后再對試驗結果與理論計算相比對。但這一步很多時候只是一個流程，如果真出現比對不滿足要求的情況則會顯得一籌莫展。本文對轉換計算進行介紹，研究比對了一些參數的選擇，并對特殊情況進行進一步分析和解決。

1 與規范相關內容簡介

SOLAS規范第Ⅱ-1章C部分第29條第3段[1]：“3.主操舵裝置和舵桿應：

1）具有足夠強度，并能在驗證的最大營運前進航速下操縱船舶；

2）能在船舶最深航海吃水和以最大營運前進航速前進時將舵自一舷35°轉至另一舷35°，以及于相同條件下在不超過28s內將舵自一舷35°轉至另一舷 30°；

3）動力操縱，以必要時滿足本條3.2的要求，以及在任何情況下主管機關要求舵柄處的舵桿直徑超過120mm時（不包括冰區加強）的要求；和

4）設計成在最大后退航速時不致損壞；但是這個設計要求不需要用最大后退航速和最大舵角的試航來驗證。”

IMO安委會第92次會議的修正案35相關部分3.5[2]：“3.5當船舶不能滿足3.2最深航海吃水和以最大營運前進航速前進要求時，以下方式中的一種是可以接受的：

1）試航時在主機最大持續轉速和最大設計螺距下船舶舵葉全部浸沒；或

2）當試航時舵葉不能做到全部浸沒的情況下，需根據在試航裝載情況下的實際舵葉浸沒面積推算出適當的前進航速，用這個計算航速推算出舵機的受力和扭矩，受力和扭矩的大小至少要最深航海吃水和在主機最大持續轉速和最大設計螺距下一樣大；或

3）需根據試航裝載情況下的舵受力和扭矩適當預測或推算到滿載情況，此時船舶航速應該在主機最大持續轉速和螺旋槳最大設計螺距下。”

2 全浸沒狀態下舵計算（以82K散貨船為例）

2.1 舵受力計算

基本數據如圖1所示，計算過程和參數選取說明見文獻[3]和文獻[4]，文中不再詳述。

舵受力

2.2 舵扭矩計算

3 試航狀態下舵計算

根據試航時尾吃水數據，計算出舵浸沒在水下的部分面積，應用以上公式，推算出試航狀態下舵受力及扭矩數值。試航狀態下尾吃水 7.40m，舵葉底部距基線0.20m，舵浸沒高度7.20m。見圖2。

圖1 82K散貨船舵葉結構尺寸

圖2 試航狀態（壓載狀態）舵葉面積計算

3.1 實際舵受力計算

舵受力Cr=132AV2K1K2K3Kt

速度V=15.957(kn)（根據航速報告中速度曲線取值，4.1詳述）

實際

3.2 實際舵扭矩計算

3.3 舵機在實際試航狀態下的實際壓力值

結論：舵機在操舵試驗中讀出的壓力數值不應超過 6.2MPa，即

4 參數分析

4.1 舵機受力計算中速度V的選取

根據舵受力計算公式Cr=132AV2K1K2K3Kt，其中Cr和V2成正比關系，速度越大，計算出的舵受力越大，因此V的取值非常重要。

在全浸沒狀態舵系計算中，速度V取船模試驗中結構吃水下的最大理論值14.9kn；在實際壓載狀態下，應該根據航速報告取實船壓載狀態下主機全速時的最大航速，而不是操舵試驗時的記錄速度，因為這個速度受外界風浪流影響，并不能較準確的反映實際航速（見圖3）。

圖3 82K散貨船航速曲線

根據圖3所示，實際操舵試驗時V取15.957kn。

4.2 舵機操舵試驗中壓力讀取

由于最終要對試驗壓力和計算壓力進行比對，確認試驗壓力數值也很重要。

有些舵機廠家在泵站和執行機構處均設立了壓力表，在操舵試驗過程中，兩處壓力表均有讀數，且由于閥組中的壓力損耗問題，泵站會比執行機構處壓力高，那實際核實時應該以哪一處的壓力讀數為準呢？根據各船級社規范描述，對壓力的要求均指在執行機構處的壓力。因此，兩處壓力表數值應以執行機構處為準。

由于壓力表一般為指針式顯示，指針在運動中會有一定的慣性移動，因此讀數時需讀取一個基本穩定的最大值。

4.3 實際扭矩計算方法的不足及許可部分誤差

注意到在實際受力和扭矩計算時僅計算了浸沒在水面下的部分，而水面上還有部分裸露面積并沒有考慮在內，而實際試航過程中也受到風和浪的作用力，但這部分的受力計算無明確的計算方法，扭矩也無法簡單疊加在水面下浸沒部分的扭矩上，所以實際計算結果還是偏小了。

根基舵機壓力和扭矩的正比關系，這樣計算壓力Pcal也是比實際值小了。因此，試驗實際數據Ptest如果比Pcal略大，是應該在接受范圍內的。但這個范圍是多大，個人以為5%左右的誤差許可的，這需看船級社的判斷。

4.4 實際扭矩的最終判斷

以上是從理論上得到壓力數據的計算方法，但實際試航過程中受海況的影響，如果瞬時有個較大的沖擊力作用在舵葉上，可能會的出實際試驗壓力Ptest大于計算壓力Pcal，但這也不能完成否定舵機的能力，要根據有效的舵機輸出扭矩作最終的判斷。

這又要回到起點，操舵試驗的條件：以最深航海吃水和最大營運前進航速前進。

在船舶載貨后，以舵葉全浸沒的狀態，主機最大持續轉速下前進，在此狀態下，測量舵葉扭矩，測量扭矩Tmeasure應小于最大工作壓力下舵機扭矩T。

這種扭矩測量的判斷的方案是最終的手段，因為散貨船在試航時是無法實現舵葉全浸沒的（不裝貨情況下如果配載至舵葉全浸沒，船舶剪力在許可值95%以上，非常危險），只能在實際運行中實現，而舵機如有問題船舶又無法營運，這里有個矛盾。

4.5 臨時的降速方案

為解決上述矛盾，可以用一個降速的臨時方案，待船舶營運載貨后進行實際扭矩測量。

假定Pactual=7.5(MPa)且Pcal=6.2(MPa)

壓力與扭矩是正比關系，扭矩又與速度平方有正比關系，即：

代入不同的壓載狀態下的航速，得出不同狀態下的限速，以服務航速為例：

實際服務航速Vsev=14.92(kn)（圖3）

即船舶不以超出13.6kn航行時，舵機壓力不會超過最大工作壓力，可以安全運行。

5 總結

本文從規范入手，提出了散貨船操舵試航需要做一些理論計算的工作，并根據規范要求介紹了舵受力和扭矩計算的過程，以及實際操舵試驗數據與理論計算數據的比對方法。文中特別指明了試驗參數獲取中的注意點，對一些特別的情況作了分析和應對。當然，也提到一些計算中的不足，一些數據的處理可能大家也有自己的理解，希望規范在這方面能有更多的補充和解釋，為大家的工作提供明確的理論支持。

[1]IMO, SOLAS 2009 Chapter Ⅱ-1, Part C, Regulation 29[S].2009.

[2]IMO, IMO MSC 92/96/add.2 annex 35[S].2013.

[3]IACS, Common Structural Rules for Bulk Carriers Chapter10, section 1[S].2006.

[4]船舶設計實用手冊編委會, 船舶設計實用手冊, 舾裝分冊, 北京, 國防工業出版社, 2013.