基于母型船偏差一致的舵面積估算方法

王志剛，周 旭

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引 言

舵系是決定船舶操縱性好壞的重要設備，在開發(fā)船舶初期，由于難以獲得準確的操縱性試驗數(shù)據(jù)，只能根據(jù)操縱性要求進行方案預估，其中舵面積是首先需確定的預選參數(shù)。尤其是當前綠色環(huán)保船型追求降本減排，舵桿到艉封板的空間非常有限，需在該范圍內(nèi)緊湊地布置一定大小的舵，因此需對舵進行合理預估，在保證船舶的操縱性滿足要求的前提下，使艉部能緊湊地布置一定大小的舵。在此情況下，舵的預選設計為艉部線型設計的高度相關因素。

1 船舶操縱性理論

為保證船舶能安全地航行，必須使其具有良好的操縱性。船舶的操縱性主要包括停船性能、小舵角轉(zhuǎn)艏性能、航向穩(wěn)定性能和大舵角回轉(zhuǎn)性能。目前國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)對船舶操縱性的要求是2002年12月通過的MSC.137(76)決議《船舶操縱性標準》。該標準明確指出船舶的操縱性根據(jù)對船舶進行航行試驗時分析的操縱性能指標考量[1]，這些指標包括：

1)回轉(zhuǎn)性能，即回轉(zhuǎn)試驗中回轉(zhuǎn)圈的縱距Ad和戰(zhàn)術直徑DT的大小(越小越好)；

2)轉(zhuǎn)艏性能，即10°舵角下艏向相對初始航向偏離10°時船舶縱距的大小(越小越好)；

3)偏航糾正和航向穩(wěn)定性能，即10°/10° Z 形操縱性試驗的第一超越角和第二超越角的大小，以及20°/20° Z形操縱性試驗的第一超越角的大小(越小越好)。

船舶的操縱性與其主尺度、線型和舵的設計密切相關[2]。但是，對于具有舵和推進器的海船而言，在船舶設計初期，在船型和主尺度確定之后，通過估算確定舵的大小，由此考慮滿足操縱性的要求，以便開展線型設計等后期設計工作。在船舶線型設計完成之后，可通過經(jīng)驗預報、模擬計算和模型試驗等方式進行操縱性預報，并在船舶建造完成之后進行實船操縱性試驗，試驗結(jié)果應滿足上述《船舶操縱性標準》的要求。若后期對船舶的操縱性不滿意，需對舵進行改進，甚至對艉部線型進行調(diào)整，工作量非常大。因此，在船舶設計初期，準確預估舵面積的大小至關重要。

2 舵面積估算方法

在船型和舵型確定之后，舵面積的大小一定程度上決定船舶操縱性的好壞。在選擇舵面積過程中，常用的參數(shù)為舵面積比μ，其表達式為

(1)

式(1)中：A為舵面積大小，m2；L為船長，m；d為吃水，m。

針對不同船型的特點，在船舶設計初期，收集整理幾種常用的舵面積估算方法。

2.1 船舶入級規(guī)范要求的舵面積

挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)和德國勞氏船級社(Germanischer Llogd,GL)都曾在規(guī)范中給出最小舵面積的計算公式。2006年1月,國際船級社協(xié)會(International Association of Classification Societies,IACS)在《油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》中給出了可動舵葉面積的最小值[3]。DNV的《船舶入級規(guī)范》曾規(guī)定，直接安裝在推進器后面的舵(單舵或多舵)的總面積A應不小于按照下述公式計算得到的值，即

(2)

對于需在運河、港灣和其他狹窄水道內(nèi)頻繁地機動航行的船舶，應在式(2)確定的舵面積的基礎上增加舵面積。若船舶設有流線型舵柱，則舵柱側(cè)面積的1/2可計入舵面積。若船舶設有掛舵臂，則位于舵頂部水平線以下的掛舵臂的面積可計入舵面積。若舵不在推進器的水流正后方，則在式(2)計算給出的舵面積的基礎上至少增加30%計入舵面積。具有特殊剖面或形狀的高效舵(如襟翼舵和導流管等)可具有較小的舵總面積。若船舶具有大的干舷和高的連續(xù)上層建筑，則必須考慮增加舵面積。

2.2 村橋法

對于采用普通單槳單舵的散貨船、油船及其他貨船而言，可按設計船的Cb(B/d)和k=2d/L的值，查閱村橋法圖譜(見圖1)得出舵面積比μ=A/(Ld)[4]。

圖1 村橋法圖譜

2.3 山田村橋法

對于采用單槳單舵的肥大型船(L/B=6.0～6.5，Cb>0.8)而言，可由航向穩(wěn)定性觀點和回轉(zhuǎn)性觀點選擇舵面積(見圖2和圖3)，由此決定可動舵面積比[4]，其中AR為可動舵面積，m2。

圖2 從航向穩(wěn)定性觀點選擇舵面積

圖3 從回轉(zhuǎn)性觀點選擇舵面積

2.4 小田法

對于萬噸級以上油船而言，可根據(jù)設計船的Cb(L/B)值，查閱小田法圖譜(見圖4)求得舵面積比[4]。

圖4 小田法圖譜

2.5 風壓側(cè)面積法

風壓側(cè)面積法是按風壓大小確定舵面積的方法。對于上層建筑和受風面積較大的船舶而言(如集裝箱、滾裝船和渡船等)，應由承受一定風壓的觀點選擇舵面積[4]。圖5為風速與航速之比小于4.5時仍能操船的舵面積，其中：a90為水上側(cè)面積的形心到船中的距離與船長之比，以舯前為正；AY為船舶水線以上側(cè)投影面積，m2。

圖5 風壓側(cè)面積法圖譜

2.6 基于公開方法的舵面積估算

收集整理系列散貨船、油船、礦砂船、集裝箱船和滾裝船的主尺度及舵面積等參數(shù)。這些船舶均采用半懸掛舵，選用的舵面積均為可動部分的舵面積，且都已完成實船操縱性試驗，證明船舶實際的操縱性能良好。采用上述2.1～2.5節(jié)的估算方法進行舵面積估算，并將所得結(jié)果與實際舵面積相對比，偏差見表1和2，其中舵面積偏差等于計算舵面積與實際舵面積的差值與實際舵面積之比。

表1 散貨船、油船和礦砂船等低速肥大型船的舵面積估算偏差 單位：%

從表1和表2中可看出，采用上述方法估算的舵面積偏差普遍較大，且偏差因船型的不同而波動較大。分析原因，主要在于這些圖譜公開的時間比較早，是基于早期船型和舵數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納而來的。當前，無論是船型還是舵均有所改進，尤其是舵葉的形狀得到了優(yōu)化，使得舵效相比以往有所提高，滿足相同操縱性要求的舵面積減小。DNV入級規(guī)范中的舵面積公式原來是作為指導性統(tǒng)計歸納性公式的，已于2009年1月取消，這意味著在能保證操縱性的前提下，設計者有了較大發(fā)揮空間[5]。

表2 集裝箱和滾裝船等側(cè)面積較大型船的舵面積估算偏差 單位：%

另外，從表1和表2中還可看出：小田法對散貨船、油船和礦砂船等低速肥大型船的估算偏差相對較小；風壓側(cè)面積法對集裝箱和滾裝船等側(cè)面積較大型船的估算偏差相對較小。

3 基于母型船偏差一致的舵面積估算方法

首先，根據(jù)船型特點選擇合適的基礎估算方法。對于散貨船、油船和礦砂船等低速肥大型船，選擇小田法作為基礎估算方法；對于集裝箱船、滾裝船和兼裝集裝箱的多用途船等側(cè)面積較大的船舶，選擇風壓側(cè)面積法作為基礎估算方法。

然后，選擇船型和主尺度與設計船接近的母型船。利用基礎方法估算其舵面積比μ0，并將所得結(jié)果與實際值相對比，偏差為δ0(δ0等于估算舵面積比與實際舵面積比的差值與實際舵面積比之比)。利用同樣的基礎方法估算設計船舵面積比μ1，并利用母型船的估算偏差進行修正，得到設計船的舵面積比μ為

μ=μ1·(1-δ0)

(3)

最后，分別選擇不同類型的已建造船舶，按基于母型船偏差一致的方法進行舵面積預估，并將所得結(jié)果與實際值相對比，最終誤差見表3，其中：82 000載重噸散貨船、209 000載重噸散貨船和311 000載重噸超大型油船選擇小田法作為基礎估算方法；19 000 TEU集裝箱船和3 800車汽車滾裝船選擇風壓側(cè)面積法作為基礎基礎估算方法。

表3 基于母型船偏差一致法的估算誤差 單位：%

由表3可知，基于母型船偏差一致法估算的誤差相比基礎方法大幅度減小，且對于不同船型而言，誤差比較穩(wěn)定。由此，可基于該方法，在船舶設計初期準確預選舵面積大小，保證船舶具有良好的操縱性。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于母型船偏差一致的方法，在船舶設計初期對舵面積進行估算。相比現(xiàn)有的舵面積估算方法，該方法能準確預估舵面積，可靠地保證船舶具有良好的操縱性，為船體型線及后續(xù)設計提供參考，大大降低后期修改的風險。該方法的關鍵在于基礎方法和母型船的選擇。基礎方法要選擇適合設計船的船型、偏差小的方法。對于母型船的選擇，應盡量選擇船型和主尺度與設計船接近的船舶。