超大型液化氣船轉葉式舵機選用分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

隨著船舶設計和配套發展水平提高，船舶設備選型愈加著重考慮設備集成性強、安裝簡便、布局緊湊、成本低廉等要素。現代大型船舶廣泛使用電動液壓型舵機作為操舵裝置，由于轉葉式舵機產生的時間比較晚，大型轉葉式舵機生產廠商少，且早期成本較高，船東接受度較低，故柱塞式電動液壓舵機是現代大型船舶上主流配置。轉葉式舵機經過多年發展，本身性能和成本都大為改善。結合85 000 m3超大型液化氣船舵機選型實例，介紹轉葉式舵機技術特點，布置設計要求，對比柱塞式舵機選用方案和轉葉式舵機選用方案，為類似開發項目舵機選用提供參考。

1 相關的規范規定

SOLAS對VLGC操舵裝置有明確規定，對貨船從功能配置基本要求如下[1]。

1)船舶一般應配備2個獨立和分開的動力執行系統。

2)每個動力執行系統均具有足夠的強度并能在船舶最大航海吃水和最大營運前進航速時進行操舵，使舵自任一舷的 35°，轉至另一舷的 35°，并且于相同條件下自一舷的 35°轉至另一舷的 30°所需時間不超過 28 s。

3)各個液壓動力轉舵系統應相互連接，任一系統中液壓流體喪失時應能被發現，以及有缺陷的系統應能自動隔離，以使其他動力轉舵系統保持安全運行。

按照以上規定，船舶在進行操舵裝置選型時，首先依據的是船舶的類型分類及船舶噸位的大小。按船舶類型大小確定規范技術要求后，操舵裝置的選擇實質上是舵機的選擇，對舵機型式及其轉矩的確定[2]。舵機轉矩可以依據舵系布置按規范流程計算。柱塞式舵機和轉葉式舵機均為成熟產品，廠家提供產品都能滿足設計技術需要，對其具體舵機型式的選擇需從性能，安裝，成本等綜合考慮。

2 特性對比

柱塞式舵機和轉葉式舵機均屬于電動液壓式舵機，其區別在于按照結構劃分不同分別為靠活塞直線運動的往復柱塞式和高壓油作用在葉片上驅動轉子旋轉的轉葉式[3]。

往復式轉舵示意于圖1，此類舵機柱塞的兩頭各有一個油缸，通過油缸內液壓油的轉換推動柱塞產生直線運動，柱塞上凸銷帶動舵柄轉換成舵桿的旋轉運動。

圖1 柱塞式舵機示意

圖2 轉葉式舵機示意

轉葉式舵機示意于圖2，通過控制液壓油進入相應本體腔室推動內部轉子運動帶動舵桿旋轉。

轉葉式舵機和傳統柱塞式舵機對比見表1。

柱塞式舵機轉矩輸出隨舵角變化，0°時最小，舵角加大時輸出轉矩相應加大。設備標稱轉矩為舵角35度時的轉矩。舵需求轉矩因不同舵型而不同，一般最大需求轉矩在舵角25°左右。川崎FE42-825舵機轉矩-舵角關系見圖3。

轉葉式舵機所能產生的轉舵扭矩與舵角無關，扭矩特性在坐標圖上是一條與橫坐標平行的直線[5-6]，其最大工作扭矩在全轉舵范圍內一樣均為舵機標稱扭矩，更為平穩。

3 選型對比

85KVLGC項目轉葉式舵機與某型83KVLGC船柱塞室舵機方案數據對比見表2。

表2 轉葉式舵機和傳統柱塞式舵機參數對比

對比表明，轉葉式舵機具有傳動部件少、設備集成性強、設計簡潔、輕量化、便于維護等諸多優勢，同時機械效率也高于柱塞式舵機，在減少設計舵機艙空余空間，緊湊設備布置，減少非貨物區域空間有優勢，并且對于船舶的輕量化設計有幫助。

4 安裝對比

采用不同類型舵機的舵系安裝原則流程大體一致[7-8]，但不同舵機類型舵系布置有所差異，影響具體安裝工作內容范圍和工作量。例如柱塞式舵機舵系安裝中上舵承安裝工作量較大，而轉葉式舵機集成了上舵承功能，沒有單獨上舵承，省卻了上舵承及上舵承座的設計、制作和安裝[9]，極大減輕了安裝工作量。同時單就舵機安裝本身工作量來說，由于轉葉式舵機和柱塞式舵機本體構造原理不同，轉葉式舵機本體轉子整體吊入套入舵桿，其后只需測量舵機本體轉子間隙進行定位，然后調整機座墊片即可；而柱塞式舵機由于是撥叉和連桿、油缸的機構型式，在撥叉和舵桿連接好吊入后，后期還要進行撥叉安裝、舵機對中等繁瑣工作。

梳理安裝步驟流程，轉葉式舵機相對于柱塞式舵機安裝更加便捷，對比見表3。

表3 轉葉式舵機和傳統柱塞式舵機參數對比

綜上所述，轉葉式舵機因其本身的技術特點，安裝非常簡便，自身的安裝時間遠少于柱塞式舵機。安裝流程上轉葉式舵機更加符合現代造船的理念，能更好地壓縮船舶在船塢內建造時間，在勞動強度和時間成本上有極大優勢。

5 經濟性比較

5.1 采購成本

對比見表4。滿足相同技術要求條件下，轉葉式舵機方案總采購成本比柱塞式舵機方案少20.7萬元，顯著降低成本，經濟效益可觀。

表4 轉葉式舵機和傳統柱塞式舵機采購成本對比/萬人民幣

5.2 安裝成本及周期

經濟性不僅體現在設備購買成本，安裝占用船塢周期資源，裝配、現場技術工人消耗的工時等人力也應考慮在內，由前文安裝流程論述可知，轉葉式舵機安裝周期比柱塞式安裝周期要少7天時間，且安裝強度和技術要求低，同樣表現出很強的優勢。