基于CFD的舵機(jī)選型方法

龍進(jìn)軍，李 艷

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系, 江蘇 南通 226010)

0 引 言

舵機(jī)是船舶保持航向、改變航向及旋回的重要操縱設(shè)備，目前舵機(jī)的選型工作基本上在船舶設(shè)計(jì)階段已完成，但是在實(shí)際工作中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在船舶試航階段、在船舶營(yíng)運(yùn)階段出現(xiàn)的舵機(jī)問(wèn)題很多都與舵機(jī)的選型有關(guān)。如某型多用途船在試航時(shí)，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)無(wú)法推動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)，后經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，重新選用舵機(jī)才滿足試航要求；有些船舶在高速行駛或在激流中航行時(shí)，會(huì)在某一特定舵角卡死；有些船舶在試航時(shí)，會(huì)出現(xiàn)舵機(jī)工作壓力高于設(shè)計(jì)壓力的情況。分析上述問(wèn)題時(shí)，通常的做法大多從舵機(jī)的性能、可靠性方面進(jìn)行分析[1]，而從舵機(jī)選型角度的分析較少。這里的原因主要有3個(gè)方面：一是規(guī)范對(duì)舵機(jī)選型的要求采用的是經(jīng)驗(yàn)公式，無(wú)法進(jìn)行精確的計(jì)算，另對(duì)一些特殊船型還不適用；二是現(xiàn)行舵機(jī)選型方法未考慮舵葉的水動(dòng)力曲線、轉(zhuǎn)舵扭矩曲線與舵機(jī)的特性曲線的配合問(wèn)題，僅用計(jì)算最大轉(zhuǎn)舵扭矩值來(lái)進(jìn)行舵機(jī)選型，但因舵桿最大轉(zhuǎn)舵扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)舵角與舵機(jī)發(fā)出最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)舵角不是同一舵角，因而存在雖然舵機(jī)最大扭矩大于舵桿最大轉(zhuǎn)舵扭矩，但舵機(jī)扭矩曲線不能全舵角覆蓋舵桿轉(zhuǎn)舵扭矩的情況；三是舵機(jī)選型工作僅處在船舶設(shè)計(jì)階段，舵機(jī)選型工作與舵機(jī)廠家的生產(chǎn)過(guò)程、船廠的舵機(jī)安裝過(guò)程脫節(jié)。針對(duì)上述3個(gè)原因，本文給出了相應(yīng)的解決方案。對(duì)于原因一的解決方法是采用Fluent軟件進(jìn)行舵力計(jì)算和舵桿轉(zhuǎn)舵扭矩計(jì)算，由于舵的水動(dòng)力性能數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，用Fluent軟件進(jìn)行舵水動(dòng)力計(jì)算來(lái)代替經(jīng)驗(yàn)公式的方法已比較成熟，計(jì)算精度經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已能得到保證[2]；對(duì)于原因二的解決方法是用舵桿轉(zhuǎn)舵扭矩曲線與舵機(jī)的特性曲線對(duì)比的方法進(jìn)行舵機(jī)的選型工作；對(duì)于原因三的解決方法是進(jìn)一步深化舵機(jī)選型工作深度，以往選舵機(jī)只確定舵機(jī)額定扭矩值，現(xiàn)在則要確定舵機(jī)的舵柄尺寸參數(shù)、推舵油缸尺寸參數(shù)及推舵油缸工作壓力，使船舶設(shè)計(jì)單位、舵機(jī)生產(chǎn)單位及船廠共同參與舵機(jī)選型工作。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)行舵機(jī)選型方法分析，針對(duì)該方法的不足之處，以某型舵球舵為實(shí)例，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行舵的水動(dòng)力性能分析，計(jì)算舵桿扭矩值，繪制舵桿轉(zhuǎn)舵扭矩曲線，通過(guò)對(duì)比舵桿轉(zhuǎn)舵扭矩曲線與舵機(jī)的特性曲線最終確定舵機(jī)工作參數(shù)。本文結(jié)論可為船舶舵的選型設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 舵力數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 舵參數(shù)介紹

本文以按綠色環(huán)保理念設(shè)計(jì)的39 000 t散貨船為例，設(shè)計(jì)航速14 kn，采用的舵型為NACA0018，展弦比為1.65，該船舵系統(tǒng)組成及舵葉尺寸如圖1所示。以舵球舵為例主要考慮隨著一系列國(guó)內(nèi)外綠色船舶標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，有著低碳、環(huán)保特點(diǎn)的綠色船舶日益得到推廣應(yīng)用，綠色船舶基本上都采用舵球舵作為船用舵，舵球處于螺旋槳槳縠后的低壓區(qū)，對(duì)槳后的水流有較好的整流作用[3]，能夠減少紊流渦流造成的能量損失；由于舵球的存在，將槳后尾流向外推擠，減少了尾流收縮，提高了螺旋槳推進(jìn)效率[4]。但相對(duì)未安裝舵球的舵葉，舵球的存在改變了舵葉的舵力和舵桿力矩，而現(xiàn)行規(guī)范在計(jì)算舵葉的舵力時(shí)，僅考慮舵葉的側(cè)投影面積，如按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算舵力，就會(huì)出現(xiàn)偏差。

1.2 利用Fluent軟件計(jì)算舵力及舵桿扭矩

舵葉的升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD和壓力中心系數(shù)CX定義如下：

式中：PL為舵的升力；PD為舵的阻力；b為舵截面的弦長(zhǎng)；XC為舵壓力中心至舵端部的距離。舵的受力分析如圖2所示。

由式（1）～式（3），可得：

舵力的法向力

舵力對(duì)舵桿的力矩

由式（5）可作出對(duì)應(yīng)各轉(zhuǎn)舵角度下的舵桿扭矩曲線。

舵球舵舵力數(shù)值計(jì)算選用RANS[5]方程方程作為求解翼型三維粘性流場(chǎng)的基本方程，湍流模型為RNG kε模型[6]。采用Gambit建模時(shí)，將舵和掛舵臂看成一整體考慮，邊界條件設(shè)置如下：計(jì)算域大小為15倍弦長(zhǎng)×8倍弦長(zhǎng)×12倍（長(zhǎng)×寬×高）[7]；計(jì)算域的出口距舵球舵隨邊的距離為10倍弦長(zhǎng)，邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力初值設(shè)定為未擾動(dòng)時(shí)的邊界壓力值；計(jì)算域外邊界左右距舵球舵的縱向中心線的距離為4倍弦長(zhǎng)，上下距舵球舵中心線的距離為6倍弦長(zhǎng)，速度設(shè)定為未受擾動(dòng)的主流區(qū)速度；舵表面定義為無(wú)滑移、不可穿透邊界條件。在整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在近舵表面區(qū)域?qū)W(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3所示。正車(chē)情況下，舵桿力矩計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2 舵桿扭矩校核

采用Fluent軟件計(jì)算的舵桿扭矩需滿足CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2015》（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）第2篇第3章的要求[8]，按規(guī)范舵力按下式計(jì)算：

表1 應(yīng)用Fluent軟件計(jì)算的舵桿力矩值Tab. 1 rudder torque computed by fluent software

式中：K1，K2，K3均為系數(shù)，規(guī)范規(guī)定此3個(gè)系數(shù)的計(jì)算與選取方法。其中，K1與舵葉尺寸有關(guān)，K2與舵葉類(lèi)型有關(guān)，K3與舵位置有關(guān)；A為舵葉面積；Vd為舵設(shè)計(jì)速度。

根據(jù)該規(guī)范要求，舵桿扭矩按下式計(jì)算：

式中：F為舵力，按式（1）計(jì)算；R為臂距，分為無(wú)缺口舵葉和有缺口舵葉2種情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)照本文案例，應(yīng)采用有缺口舵葉臂距計(jì)算公式：

同時(shí)，臂距R的取值應(yīng)不小于。

在式（3）和式（4）中，α1和α2均為系數(shù)，按規(guī)范要求選取；c1和c2分別是A1和A2的平均寬度，其余參數(shù)與尾軸中心線和舵桿中心線切割舵葉所形成的4塊面積大小及占比有關(guān)，如圖4所示。

將本文所選舵的相關(guān)參數(shù)分別代入式（1）～式（4）后，可得正車(chē)時(shí)舵桿扭矩為233 kN·m。現(xiàn)行舵機(jī)選型方法是先按規(guī)范要求計(jì)算舵力和舵桿扭矩[9]，然后再加0.5倍的舵桿扭矩用于克服船航行中受到的附加扭矩和舵系的摩擦扭矩，最終以大于1.5倍舵桿扭矩值即大于350 kN·m進(jìn)行舵機(jī)選型，至于最終所選舵機(jī)的扭矩值則由設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定。

表2總結(jié)了不同國(guó)家的研究者們對(duì)典型EDCs在傳統(tǒng)污水處理廠中的進(jìn)水和出水濃度情況，由表2可以看出，在不同的污水處理廠其進(jìn)出水濃度顯示出很大的時(shí)空差異，這可能由很多因素引起，如含內(nèi)分泌干擾物產(chǎn)品生產(chǎn)和使用量、排泄速率、每人每天的水消耗量、污水處理廠的規(guī)模、處理工藝等.

利用Fluent軟件計(jì)算出的舵桿扭矩最大值為274 kN·m，大于根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的舵桿扭矩最大值為233 kN·m，可按大于1.5倍值即411 kN·m進(jìn)行舵機(jī)選型，可見(jiàn)利用Fluent軟件進(jìn)行舵球舵的水動(dòng)力性能預(yù)估是安全的。這里主要有幾個(gè)原因：一是利用Fluent軟件計(jì)算舵桿扭矩時(shí)，考慮了掛舵臂的對(duì)舵力的影響因素，而根據(jù)規(guī)范計(jì)算舵桿扭矩時(shí)，則未考慮掛舵臂的影響因素；二是考慮了舵球的影響因素，舵球不僅改變了舵葉的整體面積，同時(shí)對(duì)舵的升力和壓力中心位置也有影響。

3 舵機(jī)選型

3.1 舵機(jī)扭矩的確定

本文案例選用電動(dòng)撥叉式液壓舵機(jī)，舵機(jī)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)舵機(jī)時(shí)，會(huì)將輸出扭矩在一定范圍內(nèi)的舵機(jī)定為同一級(jí)別，同一級(jí)別的舵機(jī)，其結(jié)構(gòu)件尺寸相同，只是工作壓力不同，通過(guò)調(diào)整工作壓力，達(dá)到輸出扭矩不同，而不同廠家型號(hào)的舵機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)略有不同。根據(jù)本文規(guī)范計(jì)算結(jié)果舵機(jī)扭矩需大于350 kN·m，根據(jù)Fluent軟件計(jì)算值則需大于411 kN·m，本文以Fluent軟件計(jì)算值為舵機(jī)選型依據(jù)，為便于比較，按正車(chē)、舵機(jī)在35°舵角情況下，以扭矩為470kN·m、490 kN·m和510 kN·m分別作出舵機(jī)扭矩曲線進(jìn)行舵機(jī)選型工作。

本文所選某型舵機(jī)主要構(gòu)件參數(shù)如下：推舵油缸直徑0.17 m，舵柄直徑0.47 m，在進(jìn)行舵機(jī)選型時(shí)，不僅要確定舵機(jī)輸出扭矩，還需確定系統(tǒng)工作壓力。舵機(jī)推舵結(jié)構(gòu)受力情況如圖5所示。

根據(jù)圖5 可推出舵機(jī)扭矩公式：

式中：MQ為±α?xí)r舵機(jī)的公稱扭矩；F為柱塞上的作用力，；Ro為舵柄半徑，Ro=0.47 m；A為柱塞面積，；D為柱塞直徑，D=0.17；ΔP為推舵機(jī)構(gòu)最大工作壓差；n為液壓缸對(duì)數(shù)；η為滑式機(jī)構(gòu)機(jī)械效率；一般取0.75～0.85。

本文選用雙對(duì)液壓缸撥叉式液壓舵機(jī)，機(jī)械效率取0.8[10]，通過(guò)式（5），再考慮舵機(jī)管路損失取1.6 MPa后，可得出舵機(jī)在不同系統(tǒng)工作壓力下的扭矩值，見(jiàn)表2所示。

表2 舵機(jī)扭矩計(jì)算表Tab. 2 Torque calculation of the steering gear

3.2 舵機(jī)選型

利用表2數(shù)據(jù)可做出不同系統(tǒng)壓力下的系列舵機(jī)扭矩曲線，再將表1中的數(shù)據(jù)在此圖中做出舵桿扭矩圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)舵機(jī)系統(tǒng)壓力為20.1 MPa時(shí)，舵機(jī)在35°舵角時(shí)輸出扭矩為470 kN·m，大于1.5倍舵桿扭矩411 kN·m，但在18.9°～28°舵角之間，舵桿扭矩大于舵機(jī)扭矩，不符合要求；當(dāng)系統(tǒng)壓力為20.9 MPa時(shí)，在20.5°～26.5°舵角之間，舵桿扭矩大于舵機(jī)扭矩，不符合要求；當(dāng)舵機(jī)系統(tǒng)壓力為21.7 MPa時(shí)，舵機(jī)在35°舵角時(shí)輸出扭矩為510 kN·m，在全舵角范圍內(nèi)符合要求。

在舵機(jī)選型工程中，目前難以解決的問(wèn)題是舵承的摩擦阻力預(yù)估問(wèn)題，摩擦阻力與舵承結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑油品種、舵承安裝工藝及現(xiàn)場(chǎng)安裝手法都有關(guān)系[11]，以現(xiàn)有的技術(shù)手段還不能準(zhǔn)確預(yù)估舵承摩擦阻力，通常做法是加舵桿扭矩的0.5倍值用于克服舵承摩擦阻力。但在試航中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)加0.5倍舵桿扭矩還不足以克服舵承摩擦阻力的現(xiàn)象，本文給出的解決方法是在滿足舵機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的條件下，給出舵機(jī)系統(tǒng)壓力的上限值，在試航時(shí)根據(jù)舵機(jī)的負(fù)荷情況，最終確定舵機(jī)系統(tǒng)壓力和舵機(jī)扭矩。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用CFD技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)階段得出了舵球舵的舵桿扭矩曲線，再將舵機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)直接運(yùn)用在舵機(jī)選型工作中，改變由舵桿扭矩值選取舵機(jī)扭矩值的傳統(tǒng)做法，改為通過(guò)舵機(jī)系列系統(tǒng)壓力下的扭矩曲線與舵桿扭矩曲線對(duì)比，進(jìn)而選擇合適的舵機(jī)系統(tǒng)壓力和舵機(jī)扭矩，從而實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)選型由按經(jīng)驗(yàn)選型變?yōu)橥ㄟ^(guò)曲線數(shù)據(jù)對(duì)比選型。

在舵機(jī)選型工程中，通過(guò)將舵機(jī)選型指標(biāo)參數(shù)由舵機(jī)扭矩值改為舵機(jī)系統(tǒng)壓力值，使設(shè)計(jì)單位、舵機(jī)生產(chǎn)單位、船廠三方技術(shù)人員能夠共同參與舵機(jī)的選型工作，從而使舵機(jī)選型工作更能滿足實(shí)際工況。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ]王孝霖, 許歷, 韓星星, 等. 船用舵機(jī)液壓系統(tǒng)分析及典型故障處理[J]. 機(jī)床與液壓, 2015(22): 187–189.

[ 2 ]HOU Li-xun, Wang Chao, Chang Xin, et al. Hydrodynamic performance analysis of propeller-rudder system with the rudder parameters changing[J]. Journal of Marine Science and Application, 2013(4): 406–412.

[ 3 ]何苗, 王超, 郭春雨, 等. 舵球幾何參數(shù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011(7): 68–72.

[ 4 ]程枳寧, 陳正壽, 黃聰漢, 等. 船舶附加水動(dòng)力節(jié)能裝置研究進(jìn)展[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016(1): 70–75.

[ 5 ]周廣禮, 董文才, 姚朝幫. 半懸掛舵敞水水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算方法研究[C]//2013年船舶水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2013, 104–112.

[ 6 ]林友紅. 半懸掛舵的敞水水動(dòng)力性能與舵力預(yù)估方法研究[J]. 艦船電子工程, 2015(10): 142–147.

[ 7 ]周廣禮, 姚朝幫. 小展弦比翼大攻角水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2016(6): 337–341.

[ 8 ]中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S]. 北京人民交通出版社, 2015.

[ 9 ]梅琴生. 船用舵[M]. 北京: 人民交通出版社, 1981: 97–98.

[10]蘇東海, 黃鑫. 船舶舵機(jī)液壓參數(shù)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng),2008(6): 14–16.

[11]汪家政, 翟連忠. 大型船舶舵系安裝精度控制關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 船舶工程, 2011(2): 71–73.