7 800 t瀝青船操縱性能優(yōu)化研究

黃光兵，孫海曉，劉慧霞，楊素琴

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.上海船舶研究設計院，上海201203)

0 引言

船舶操縱性是關系到船舶航行安全的重要指標之一。根據(jù)國際海事組織(IMO)MSC.137(76)相關法規(guī)要求：在船舶設計階段，可使用船模試驗或者數(shù)學模型的方法對船舶的操縱性能進行預報，表明船舶操縱性能滿足法規(guī)要求。在這種情況下，不論實船試航測試結果如何，該船都應該被認定為符合法規(guī)要求，除非主管機關認定預報方法不合理，或者認定實船測試結果嚴重背離法規(guī)要求。

7 800 t瀝青船是新開發(fā)船型，沒有母型船操縱性數(shù)據(jù)可供參考。為保證該船型偏航糾正和航向穩(wěn)定性滿足法規(guī)要求，在設計階段，借助自由船模試驗的方法對船舶Z字操縱性能進行研究及優(yōu)化。

1 操縱性能預報方法

1.1 經(jīng)驗法

經(jīng)驗法是基于經(jīng)驗和已有數(shù)據(jù)對新設計船型的操縱性能進行預報，即假定新船型操縱性指標和已有相似船型的指標接近，不滿足法規(guī)要求的可能性極小，可直接在船舶建造完成后通過實船試航對操縱性能指標進行驗證。

1.2 船模試驗預報法

船模試驗預報法是通過同比縮小的船模尺度的水池試驗對船舶操縱性能進行預報，分為自由船模試驗和約束船模試驗2種。

1.2.1 自由船模試驗

自由船模試驗使用同比縮小的船模在傅汝德數(shù)相似條件下，在試驗水池或者湖泊中(在不受約束的條件下)完全模擬船舶的各種操縱性能試驗，用試驗結果直接評估船舶的操縱性能。盡管該方法受尺度效應、轉(zhuǎn)舵時間等因素的影響，模擬結果與實船結果有差別，但目前仍是業(yè)內(nèi)公認的最直接可靠的預報方法。

1.2.2 約束船模試驗

約束船模試驗方法使用同比縮小的船模在水池中進行約束船模試驗，通過對大量試驗的分析獲得需要的各項水動力參數(shù)，再結合特定的數(shù)學模型，用數(shù)學方法來預報在不同工況下的船舶操縱性能。該方法精度不如自由船模試驗，但對于操縱性能的預報更完備，對縮尺比的要求低于自由船模試驗。

1.3 數(shù)學模型計算法

數(shù)學模型計算法一般是指用方程組來描述船舶操縱水動力特性，通過計算機對方程組進行求解，以評估船舶的操縱性能。現(xiàn)有的船舶操縱運動數(shù)學模型分為2類：一類被稱為“響應模型”，它表達了作為控制的輸入條件和作為其操縱性能的輸出之間的關系；另一類模型被稱為“水動力模型”，它是基于包含相互干擾的水動力，通過改變組成水動力模型的相關力導數(shù)和干涉系數(shù)，來估算船舶操縱性能隨船舶形狀或者裝載狀態(tài)的變化而變化的情況。

綜上，自由船模試驗預報法精度更高，其預報結果和實船試航測試更為接近。因此，在設計階段進行操縱性預報時，應盡可能采取模型試驗法。

2 船型綜述和法規(guī)要求

7 800 t瀝青船為小型液貨船，其主尺度及船舶操縱性相關的參數(shù)如下：垂線間長112.00 m，型寬20.40 m，艏、艉吃水各6.70 m，方形系數(shù)0.78，型排水體積11 940.60 m。

國際海事組織關于船舶操縱性的現(xiàn)行標準為決議MSC.137(76)，其相關要求主要有：

(1)回轉(zhuǎn)能力：通過回轉(zhuǎn)試驗進行驗證，要求橫距不大于5倍的垂線間長，縱距不大于4.5倍的垂線間長。

(2)初始回轉(zhuǎn)能力：初始回轉(zhuǎn)試驗執(zhí)行10°舵角，艏向角偏離初始航向10°時，船舶的航程不超過2.5倍船長，本試驗作為Z字試驗的一部分。

(3)偏航糾正和航向穩(wěn)定性能力：通過Z字試驗進行驗證，具體要求見表1。

表1 Z字試驗法規(guī)要求

(4)緊急停船能力：通過急停倒車試驗進行驗證，要求停船距離小于15倍的垂線間長。

根據(jù)設計經(jīng)驗，7 800 t瀝青船較易滿足第(1)、(2)、(4)條要求，但難以滿足第(3)條偏航和保向性指標。為確保7 800 t瀝青船Z字試驗結果滿足法規(guī)要求，本文采用自由船模試驗方法，對該船Z字試驗操縱性的合規(guī)設計進行研究。

3 船模試驗研究

船模試驗在上海船舶運輸科學研究所海事安全與風浪流試驗水池進行，采用自由航模操縱的方式。試驗參照IMO決議MSC.137(76)中規(guī)定的Z字試驗流程進行，包括10°/10°Z字試驗和20°/20°Z字試驗。試驗船模縮小尺比為1∶32.59。試驗中需要確保船模的重心縱向位置和垂向位置與實船基本一致。通常，船舶縱向慣性矩統(tǒng)計數(shù)值為0.25倍的垂線間長。本船模在設計吃水狀態(tài)下的縱向慣性矩約為0.25倍的垂線間長，符合要求。在設計吃水狀態(tài)下要求的船舶重心高度為20.4 cm，船模實際重心高度為20.4 cm，在試驗允許范圍內(nèi)。

對于本船Z字試驗結果的優(yōu)化，主要采取了增加舵葉面積、改善舵效、加裝附體增加船舶固定操縱控制面等措施。基于最初的舵葉設計方案，本文共進行了3次優(yōu)化及2輪船模試驗驗證。

3.1 第1輪優(yōu)化設計和船模試驗

初步舵葉方案中1號舵的主要參數(shù)如下：舵高5.30 m，平均舵寬2.84 m，展弦比1.64，舵面積比2.144%，舵數(shù)目1。

考慮到初步設計方案中的操縱性指標可能不滿足要求，在船模試驗前，設計了2號舵，其面積相對1號舵有了明顯的增加。2號舵的主要參數(shù)如下：舵高5.50 m，平均舵寬3.13 m，展弦比1.55，舵面積比2.447%，舵數(shù)目1。

1號舵和2號舵進行了第1輪船模試驗。根據(jù)MSC.137(76)的要求：試驗初始航速應不小于85%主機最大功率對應船舶航速的90%，本船航速約為12.65 kn。為了增加一定的安全裕度，本試驗實際初始航速設定為12.95 kn，試驗結果見表2。

表2 第1輪船模試驗結果 單位：(°)

試驗結果表明：1號舵所有指標均不能滿足法規(guī)要求；2號舵在超越角指標上有了一定幅度的提升，但是仍然不能滿足法規(guī)要求。

3.2 第2輪優(yōu)化設計和船模試驗

為了提高舵效，將舵葉面積基本做到了艉部空間所允許的最大值，設計了3號舵。其主要參數(shù)如下：舵高5.50 m，平均舵寬3.35 m，展弦比1.64，舵面積比2.453%，舵數(shù)目1。配合3號舵，在艉部加裝2塊呆木，見圖1。同時在舵葉底部設置制流板，見圖2。進行了第2輪的船模試驗，試驗初始航速設定為12.95 kn，試驗結果見表3。

圖1 3號舵+呆木+制流板布置圖(單位：mm)

圖2 舵葉下制流板示意圖(單位：mm)

表3 第2輪船模試驗結果 單位：(°)

試驗結果表明：3號舵方案試驗結果有了較大的改善，但是10°/10°Z字試驗第一超越角和20°/20°左舵Z字試驗第一超越角仍不能滿足法規(guī)要求；采用3號舵+呆木+制流板的方案，所有指標均滿足了法規(guī)要求。

根據(jù)上述試驗結果，本船型最終選用3號舵+呆木+制流板的方案。

4 試航驗證

實船的試航驗證在中國東海進行，試驗水域水深約60 m，航行狀態(tài)為滿載平浮，海上風力蒲氏3～4級，海浪3級。為盡可能縮短打舵時間，試驗時使用2臺泵驅(qū)動舵機。試航實測結果見表4。

表4 實船測試結果 單位：(°)

受風、浪、流等環(huán)境因素的影響，同時考慮尺度效應和轉(zhuǎn)舵時間的影響，試航測試結果和船模試驗結果有一定的差別，但變化趨勢基本相當。實船試航結果亦滿足了法規(guī)要求。試航結果進一步表明：本次針對7 800 t瀝青船Z字操縱性能的優(yōu)化設計是非常成功的。

同時，試航時回轉(zhuǎn)試驗、初始回轉(zhuǎn)試驗及急停倒車試驗的測試結果如下：

(1)回轉(zhuǎn)試驗：左、右回轉(zhuǎn)戰(zhàn)術直徑分別為2.19倍和2.15倍垂線間長，縱距分別為3.02倍和3.00倍垂線間長。

(2)初始回轉(zhuǎn)試驗：初始回轉(zhuǎn)試驗執(zhí)行10°舵角，艏向角偏離初始航向10°時，船舶的航程為1.2倍垂線間長。

(3)急停倒車試驗：船舶停船距離為9.45倍垂線間長。

經(jīng)試航驗證，上述試驗均滿足法規(guī)要求，并有較大的安全裕度。

5 影響船舶快速性的因素

5.1 船舶濕表面積的增加

該船船模試驗預報采用“二因次方法”進行實船阻力換算。相比初步設計方案，最終方案由于優(yōu)化舵葉及增加呆木、制流板導致的水下濕面積增加共計13.6 m。在設計航速13.5 kn時，計算得出：摩擦阻力相應增加約0.4%，總阻力系數(shù)增加約0.3%，航速降低不超過0.02 kn，影響十分有限。

5.2 伴流的影響

實際對伴流的影響未做進一步定量研究，但考慮該船呆木和制流板設計時安裝位置已避開高伴流區(qū)，基本可避免對艉部伴流場產(chǎn)生過分不利影響。

6 結論

(1)通過增加舵葉面積，或者在艉部適當位置增加呆木、制流板等附體，均能有效改善小型低速液貨船的Z字操縱性試驗指標。

(2)7 800 t瀝青船僅通過增加舵葉面積的措施，不能保證滿足Z字操縱性試驗對于超越角的要求；加裝呆木和制流板之后，經(jīng)試驗驗證，船舶Z字試驗操縱性滿足了法規(guī)要求。

(3)受船模尺度效應、轉(zhuǎn)舵時間和風、浪、流等試航環(huán)境條件的影響，實船試航測試結果和船模試驗結果往往會有一定的差異，但只要設計階段的船模試驗結果滿足法規(guī)要求，且試驗結果被主管機關接受，均應認定船舶的操縱性合規(guī)。因此對于一些操縱性指標合規(guī)存在不確定性的船型，在設計階段通過船模試驗對操縱性進行驗證是十分必要的。