民用船舶常規舵系設計的比較及分析

謝超

摘 要： 隨我國造船工業的快速發展，對民用船舶舵系設計提出更高的要求。然而需注意的是，因船級、船型等設計規范不同，且有周期限制問題，可能導致船舵系設計出現一定不足，無法滿足堅固、可靠與耐用要求，需注意從外形尺寸、質量等多方面采取有效的設計完善策略。本次研究將對民用船舶常規舵系做簡單介紹，并從船舶舵參數選擇、裝置可靠性設計以及空泡剝蝕問題控制等多角度，提出舵系設計的思路。

關鍵詞： 民用船舶；舵系設計；空泡剝蝕控制

前言：作為評價船舶性能的內容之一，操縱性是否良好直接影響航運安全，而操縱性能的保證又需依托相關的操縱設備實現，即舵，要求做到保持航向、操縱靈活等。值得注意的是，如何保證舵設計的合理性，成為設計中需考慮的主要問題，要求在參數選取上合理，且針對運行中可能出現的問題采取有效的規避處理措施。因此，本文對民用船舶常規舵系設計的比較研究，具有十分重要的意義。

1民用船舶常規舵系相關概述

關于民用船舶常規舵，其作用主要表現在船舶轉動力矩的控制、推進效率改善等方面，若從普通舵角度出發，舵型的選擇需以船尾線性、螺旋槳直徑、傳達小等為依據控制。如中小型船舶通常選懸掛式平衡舵。而大型運輸船，一般選擇雙支承平衡舵。若由舵的結構看，包括舵桿、舵葉、舵承、止跳裝置與控制系統等。各部分結構在運行中，均按照規定時間內完成轉動調整，角度合理方可保證舵運行有效。從當前大多研究資料看，對于民用船舶舵系設計，面臨較多限制性問題，如周期限制、船級社規范要求等，可能導致設計不合理。對此，要求實際設計中從多方面著手，包括參數選取、可靠性設計以及空蝕問題控制[1]。

2民用船舶舵相關參數選擇

關于民用船舶舵參數，涉及的內容較多，如舵面積選取、舵外形確定、展弦比控制、平衡系數控制等。其中在舵面積選取方面，應注意到并非舵面積增大便能使傳播方向性改善，其很可能引起舵裝置功率增加，且舵面積增大，致使穩舵面臨較大難題，所以在舵面積參數控制中，應以船營運、主尺度、船型等為依據，并結合舵型式，做參數的控制。現有的研究資料中，對舵面積并無具體計算公式，大多選擇相似或參考船型進行設計。再如舵外形設計，實際設計中，應考慮到如何使其與其他各部分保持良好配合，設計要求表現為舵下緣需高于基線，但不能超出螺旋槳盤面最低點，確保充分借助螺旋槳尾流，而上緣部分需與船底接近，確保舵桿彎矩降低，可提高舵效。此外，在平衡系數方面，平衡系數選取原則主要體現在小舵角負扭矩、大舵角正扭矩、倒航扭矩三者差值控制在最小，可達到平衡目的[2]。

3民用船舶舵裝置可靠性設計

舵裝置可靠性設計是保證船舶安全、可靠航行的關鍵。實際設計中，若采用常規設計方法，一般將船級社規范作為參考，結合安全系數、經驗公式等，使裝置設計達到安全標準。而可靠性設計中，需引入統計分析方法、概率分析方法，在此基礎上選取可靠性指標，達到可靠性設計要求。另外，由邏輯關系角度出發，對舵裝置設計分析，其屬于串聯系統，所以其中的串聯單元可靠度與數量，均會對裝置可靠性產生影響。若其中各單元可靠度降低、而單元數量呈增加趨勢，各段元串聯關系削弱，可靠度明顯降低。這就要求在設計過程中，做好各單元可靠度控制，保證系統整體可靠度。

4民用船舶舵空泡剝蝕問題控制

受高速水流區域水爆發式汽化影響，空泡出現可能性較大，特別因水流加速致使部分區域壓力下降，水溫不足100℃，有明顯汽化表現，逐漸發展為氣泡，而在氣泡不斷聚增下，將導致高速噴射流產生，維持150m/sec速度，噴射流沖擊下可保持為1500bar壓強，物體表面因此被腐蝕。假定以一般舵葉剖面運動下所產生的氣泡為例，若利用V0表示水流速，P0為壓力，取舵葉背面一點B，流速與壓力分別為Vb、Pb，可做減壓系數計算，為PO-Pb/（1/2·pV02）=（Vb/V0）2-1。由此可發現，葉剖面的點減壓系數受流速所影響，當速度超出極限值，將有空蝕問題發生，特別在船舶高速運動下，空蝕的可能性更高。針對這種問題，實際設計中需采取有效的控制空蝕方法，具體設計思路：①在剖面翼型上合理選擇，以9000TEU舵葉剖面類型選擇為例，若選用MACA00XX，剖面最大厚度向前，操作中有明顯的云霧狀空泡產生。而選擇NACA64A，剖面厚度呈后移趨勢，有較長的低壓區，壓力與恒量接近，這樣在小舵角中出現邊界層脫離剖面與空蝕的可能性較小，所以在高速來流下選用NACA64A剖面更加適宜；②舵系間隙的減小，由于邊界層分離、二維分流，掛舵臂、舵葉間間隙出現空蝕的可能性較大，所以在設計過程中，應注意做垂直間隙、水平間隙的控制，如原有間隙保持50-60mm，在保證舵系安全制造基礎上，縮小為40mm間隙；③梢渦影響控制，如舵葉底板倒圓位置、掛舵臂上方內外側易出現空蝕情況，對此，設計中考慮在梢渦強度上控制，如在梢渦、掛舵臂之間包復不銹鋼板，或者在倒圓、底板間設置較大弧度進行過渡，通過距離增大減輕梢渦空蝕影響。除此之外，設計過程中，也可考慮引入抗剝蝕材料，如舵葉水平布置不銹鋼條，或直接在剝蝕易出現位置利用不銹鋼片包裹，對掛舵臂、舵葉均可起到明顯的保護作用。

結論：船舶操縱性是否良好直接對航運整體安全性、經濟性等產生明顯影響。為提高船舶操作性，需在舵的設計工作上不斷加強，本次研究中從舵的參數、可靠性設計以及空蝕問題處理等角度提出具體的設計意見，如舵的參數應包括舵面積、展弦比與平衡系數控制等，而空蝕問題處理則需通過舵系間隙減少、梢渦問題控制、剖面翼型合理選擇以及抗剝蝕材料的運用等實現，提高舵的整體性能，為航運安全提供堅實的保障。

參考文獻

[1]朱靈，高金軍，衡霖.小型船舶舵承不鏜孔安裝實例[J].中國修船，2018，31（01）：4-5.

[2]王世凱，金鴻章.非線性非最小相位船舶舵減搖系統的滑模控制[J].計算機工程與應用，2018，54（09）：207-212.