舵裝置的優化設計

王 平，田 野，李安鈺，劉睿偉

(渤海船舶重工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

船舶操縱性是船舶的重要性能之一,與航行的安全性和經濟性有著密切關系。從使用者的觀點來看,船舶操縱所包含的內容復雜：靠離碼頭、系帶浮筒、在狹窄水道內航行、風浪中操縱、緊急避碰、拖帶船舶及海上救助等[1]。

在船舶設計過程中,應采取必要的措施使船舶滿足一定的操縱性要求。長期以來,船體的主尺度和船型主要參數都是由穩性、排水量、快速性、總布置及橫搖周期的要求決定的,幾乎沒有操縱性方面的考慮。操縱性主要通過設計合適的舵裝置來保證。對一般的船舶,舵的設計已能夠使其具有良好的操縱性；另一方面,限于操縱性研究發展的水平,缺乏精確預報操縱性的方法和評價操縱性的標準[2]。

近年來，隨著航運市場的導向需求，船型變得越來越肥大，方形系數不斷增加,單憑舵的常規設計經常無法保證船舶具有足夠的操縱性能。這就需要在初步設計階段對各方案進行操縱性能的計算預報及衡準核算,實現船型的快速性、操縱性甚至耐波性的綜合權衡設計。

1 舵葉面積計算選取

在舵的設計過程中應考慮以下兩點:

(1) 不同類型的船舶對操縱性的要求不同,設計時也應有不同的側重。遠洋船一般以航向保持性為主,對回轉性要求不高。沿海船和進出港頻繁的港作船對回轉性有較高的要求。內河船受航道的限制應注意轉艏性,同時需滿足回轉性的特殊要求。船體線型對直線穩定性與回轉性的影響是矛盾的,為改善穩定性和跟從性,在回轉性和轉艏性方面往往需有所側重。

(2) 舵與船體、螺旋槳組成有機的整體,須考慮其相互作用,盡可能達到降低航行阻力、提高推進效率的目的。

舵裝置設計的重要內容是對舵的幾何要素及形狀的正確選擇,其是使船舶具有優良操縱性的保證。

舵裝置面積的正確選定是舵設計的重要內容。舵葉面積增大對提高船的回轉性和直線穩定性有益,因此其是使操縱性得到全面改善的主要因素。但是，舵葉面積過大將增加舵機功率、舵設備質量和所占空間,船舶航行阻力也有所增加,且舵高受船尾空間限制, 當舵葉面積大到一定程度時,會由于需要保證足夠的強度而使展弦比下降,反而使舵效率降低。船模試驗表明,當舵葉面積大到一定程度后,對回轉性的影響就不再顯著。再者，舵的寬度也不宜伸出船體掩蔽范圍。因此，選取合適的舵葉面積既可滿足最基本的規范要求和船舶所有人的通用要求，也可使船廠節省建造成本，是需要研究解決的問題。

在查閱規范、設計手冊和相關參考資料后，總結主要的舵葉面積計算選取方法共有7種，如表1所示。

表1 舵葉面積計算選取方法

在確定船型主要參數后，根據上述7種方法，以“渤船”第五代蘇伊士型油船為例，計算其舵葉面積。

1.1 母型船法

母型船設計經驗及其與試驗結果的對比是開發新項目的重要參考信息和設計基礎。課題研究項目的開發設計參考渤船重工建造的第四代蘇伊士原油船(BH517)和韓國某船廠15.2萬 t油船。對渤船重工已建造的大型船舶的舵葉面積選取及航海試驗操縱性試驗結果進行分析發現，這些船舶的回轉半徑大多處于2.3～3.0倍船長。以BH517油船為例，船長為273.7 m，航海試驗測試回轉戰術半徑657.76 m(左)/692.07 m(右)，為船長的2.40/2.53倍(航海試驗報告結果見圖1)。這些試驗表明，這些船型的舵葉面積均存在優化的空間。

圖1 第四代蘇伊士原油船(BH517)航海試驗實測數據(回轉試驗)

BH517油船經過航海試驗驗證，報告結果顯示其操縱特性良好，滿足規范及船舶所有人的使用要求。另韓國某船廠建造的15.2萬 t油船也為成熟船型，在國際市場上頗受好評，也具有良好的操縱性能。

使用母型船法進行舵葉面積換算公式為

(1)

式中：A為目標船的舵葉面積；L和d分別為目標船的船長和吃水；A0為母型船的舵葉面積；L0和d0分別為母型船的船長和吃水。

將數據代入式(1)得到計算結果如表2所示。

表2 母型船法的舵葉面積計算結果

1.2 IACS對散貨船的推薦

為使船舶具有可靠的操縱性，IACS發布建議，對于船長為90 m或以上的無限航區單舷側和雙舷側散貨船，其可移動舵葉面積不小于式(2)的計算結果：

(2)

式中：Ar為推薦舵葉面積，m2；C1為系數，取0.9；C2為類型系數，取0.9；C3為形狀系數，取1.0；C4為布置系數，取1.0；L為船長，取263.5 m；T為吃水，取17.15 m。

將各數值代入式(2)，計算結果為64.06 m2。

1.3 DNV推薦

DNV發布的《船舶入級規范》關于舵葉面積的推薦為直接作用在推進器后的舵總面積應不小于式(3)的計算結果：

(3)

式中：CB為方形系數，取0.814 4；L為船長，取263.5 m；B為船寬，取48 m；T為吃水，取17.15 m。

將各數值代入式(3)，計算結果為94.92 m2。其中，對于布置在螺旋槳后的舵裝置，可將掛舵臂側面積的一半計入舵葉面積。

1.4 圖譜法1

船舶設計實用手冊(舾裝分冊)[3]是舵裝置設計的主要參考依據，在設計時可按照圖譜確定舵葉面積。為滿足IMO A.751(18)決議《船舶操縱性臨時標準》要求，可按圖2確定舵葉面積。

圖2 圖譜法1

船長L取263.5 m，船寬B取48 m，吃水d取17.15 m，方形系數CB取0.814 4，則可得圖譜橫坐標CB·B/L= 0.148 3，將該數據代入圖譜可得縱坐標L·d/Ar=51.63，則Ar為 87.53 m2。

1.5 圖譜法2

日本船舶設計手冊推薦可以按照村橋、山田圖譜選擇舵葉面積，其圖譜(見圖3)以k=2·d/L為參數，以p=CB·B/d為橫坐標。對此圖譜分析可得：當p≤2.2時,曲線較平坦,所確定的舵葉面積可滿足船舶前進3倍船長后艏向改變60°的轉艏性要求；當p>2.2時,曲線急劇上升,此時按穩定性要求,即無因次的穩定性條件決定舵面積。

各參數的取值與圖譜1相同，得到k為0.13、橫坐標為2.28，查圖譜得縱坐標Ar/(L·d)=0.016，則Ar=72.3 m2。

圖3 圖譜法2

1.6 圖譜法3

在日本船舶設計手冊[3]中，從確保船舶航行穩定性角度出發，舵葉面積可按如圖4所示的圖譜確定。

各參數的取值與圖譜1相同，得到橫坐標為2.80，縱坐標CB·B/L=0.148，查圖譜得Ar/(L·d)=0.017 5，則Ar=79.1 m2。

1.7 圖譜法4

在日本船舶設計手冊[3]中，從確保船舶具有良好的回轉特性角度出發，舵葉面積可按如圖5所示的圖譜確定。

各參數的取值與圖譜1相同，得到k為0.13、橫坐標為2.28，查圖譜得縱坐標Ar/(L·d)=0.014 95，則Ar=67.56 m2。

圖4 圖譜法3

圖5 圖譜法4

1.8 舵葉面積選擇

按照計算公式和圖譜得到的舵葉面積如表3所示。

表3 舵葉面積計算對比

對比發現，出發點不同，得到的計算結果差異較大。這就需要綜合各種要求選擇適用于本項目的數據。

此次研究項目為“渤船”第五代蘇伊士船型，因此與第四代設計方案(舵葉面積)進行優化。對比發現，本項目的主尺度等各主要參數與韓國某船廠建造15.2萬 t油船非常接近，因此選擇韓國某船廠建造15.2萬t油船的舵葉尺寸作為開發設計基礎數據。該型船為韓國船廠近些年來建造的成熟船型之一，操縱性可滿足國際船舶所有人的通用要求和慣例。

將此舵葉數據提供給水池方，經過模擬計算后發現，該方案可滿足本項目的開發使用要求。但是，水池方提出一個新的理念：考慮(半)平衡舵，將15°舵角工況(水池方認為船舶在實際營運過程中最多的操舵工況)下，舵機負荷(扭矩)盡可能降至最低。水池方給出優化方案：增加舵葉在舵桿軸線前部分(平衡)面積，將圖6中舵葉底部艉垂線前部的尺寸(BD1)由原來的2 000 mm增加至2 050 mm。優化后的方案在15°舵角工況下，舵機負荷(扭矩)降至0.76 t·m。具體數據對比如表4所示。

表4 舵葉面積優化前后舵機扭矩對比

綜上所述，最終舵系布置及舵葉尺寸選定如圖6和圖7所示。

圖6 優化后舵系布置

圖7 優化后舵葉尺寸

2 舵系受力計算

(1) 船舶主要參數如表5所示。

表5 船舶主要參數

(2) 舵系參數。舵型式為半懸掛平衡舵/ NACA-00 系列。

舵葉面積(包括掛舵臂100%)為

At=AR+100%Ah=93.7 m2

(4)

舵葉面積(包括掛舵臂50%)為

At50=AR+50%Ah=86.0 m2

(5)

式(4)和式(5)中：AR為舵葉面積(不包括掛舵臂)，取78.3 m2；Ah為掛舵臂面積，取15.38 m2。

舵葉面積比(包括掛舵臂)為

Rt=At/(L·T)= 2.07%

(6)

舵葉面積比(不包括掛舵臂)為

R=AR/(L·T)= 1.73%

(7)

舵平衡比為

R=(A1f+A2f)/AR=26.24%

(8)

(3) 舵系按照相關規范計算[4-7]。

① 受力計算：

正車時舵葉受力為

(9)

倒車時舵葉受力為

(10)

代入數據得正車時舵葉受力為3 657 655 N，倒車時舵葉受力為665 028 N。

② 扭矩計算：

正車時舵葉扭矩為

MT=M1+M2=PL1·xp1+PL2·xp2

(11)

缺口下部分受力為

PL1=PL·A1/AR

(12)

缺口上部分受力為

PL2=PL·A2/AR

(13)

缺口下部分受力臂距為

xp1=bR1(α1-k1)

(14)

缺口上部分受力臂距為

xp2=bR2(α2-k2)

(15)

式(14)和式(15)中：bR1為缺口下部分平均寬度，bR1=A1/h1=7.330 m；bR2為缺口上部分平均寬度，bR1=A1/h1=5.309 m；k1為缺口下部分平衡系數，k1=A1f/A1=0.345 1；k2為缺口上部分平衡系數，k2=A2f/A2=0.123 3；正車時α1為0.25、α2為0.33，倒車時α1為0.55、α2為0.66。

代入數據得正車時舵葉扭矩為-102 629 N·m，倒車時舵葉扭矩為1 332 893 N·m。

規范要求舵受到的最小扭矩MTmin為

MTmin=0.1PL(bR1·A1+bR2·A2)/AR

(16)

代入數據得正車時最小扭矩為2 405 426 N·m，倒車時最小扭矩為437 350 N·m。綜合各工況計算結果，將扭矩MT=2 405 426 N·m作為舵機選型的基礎依據。

在保證船舶操縱性能的情況下，“渤船”第五代蘇伊士船型舵裝置優化設計結果(舵葉受力和扭矩)對比如表6所示。由表6可知，優化后舵葉受力降低2.4%，舵葉扭矩降低5.2%。

表6 舵葉優化前后結果對比

3 分析和總結

從船舶操縱性對舵葉面積的要求出發，對多個舵選型公式進行研究和對比，優化舵葉面積的計算和選取，減小舵葉面積，從而達到降低舵機、舵桿等設備選型的要求，并總結適合船型研發階段舵系的設計流程：在參考同類型先進船型信息的同時，結合規范要求和水池方意見，最終確定舵裝置設計參數。如果該船型在某些操縱性方面具有特殊要求，則參考相關設計要求。該設計流程可在較大程度上提高工作效率和質量，提高船舶建造的經濟性和船型的市場競爭力，為快速研發新船型提供支持。