概念設計階段的郵船橫移操縱性評估方法

何曉寧，卜龍煜，陳 鴿，曾 驥，邵朱蕓

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116;2.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

0 引 言

郵船市場在全球都有著較好的市場，中國是全球郵船市場的重要分支，也是最具有發展潛力的新興市場[1]。郵船是以多點海上旅游為主要目的一種高端船型，是“可航行的海上星級酒店”[2]，其載客量和靠港離岸次數都遠高于常規船舶。郵船碼頭環境復雜，安全要求較高，郵船在碼頭靠泊通常是在接近零航速的情況下，利用槳、舵和艏側推器實現船舶橫移靠港。涉及郵船的營運效益和安全性，在不同風況下的橫移操縱性能對于郵船而言是十分重要的。船舶操作運動是一個船-槳-機相互作用的動態過程[3]，相較于常規船舶，郵船上層建筑高大，側向受風面積較大，碼頭靠泊更加困難。同時，郵船的上層建筑造型復雜，各角度船體所受風載荷及其力矩大小差異明顯，為保證郵船橫移時的運動姿態穩定，側推器功率、螺旋槳轉速、舵角在不同角度下進行調整配合非常關鍵。目前，評估橫移能力通常依賴模型試驗，盡管準確性高，但對前期開發而言設計成本過高，同時設計和驗證周期較長，并不能滿足初期概念設計需求。因此在概念和合同設計階段，需尋找具有一定精度且比較便捷計算郵船橫移操縱性能的設計方法。

郵船上層建筑所能承受的風速即風載荷在不同方向上存在較大差異。為準確評估橫移操縱性能，需將風載荷及力矩的作用方向從0°～180°每15°劃分1次，并添加到由側推器、螺旋槳、舵和船體形成的橫移操作模型中，使計算模型的精度進一步提高，并可調整轉速、舵槳、輸出功率等參數，預估郵船橫移操縱時在各角度所能承受的最大風速。

1 橫移平衡計算方程

郵船靠離泊進行的橫移可看作是一種特殊的操縱性工況，采用船舶操縱運動數學模型研討小組(Ship Maneuvering Mathematical Model Group，MMG)建模方法將作用于船舶上的流體動力和力矩按照物理意義分解于風、裸船體、敞水槳和敞水舵產生的流體動力和力矩及其相互作用[4]。

圖1為郵船進行橫移操縱時具體的受力情況。郵船橫移時主要依靠螺旋槳、舵、艏艉側推器的相互配合實現，對于各主要動力設備的力矩，可通過力乘以軸距計算得到。軸的位置一般根據船體重心位置確定。根據郵船受力情況將+FX、+FY、+N設置為力與力矩的正方向。

圖1 郵船進行橫移操縱時受力情況

與一般的操縱性分析不同，橫移操縱能力分析時，由于船舶的移動速度較為緩慢，可以近似地認為船舶與水的相對位移很小，從而忽略船舶受到水的反作用力。因此，船舶在進行橫移運動時，應滿足如下條件：

X=XP+XR-XW=0

(1)

Y=YR+YBT+YST-YW≥0

(2)

N=NR+NBT+NST+NW≈0

(3)

式(1)～式(3)中：船舶橫向受力X為0；縱向受力Y≥0，轉速N≈0;下標P、R、BT、ST和W分別為螺旋槳、舵、艏側推器、艉側推器及風向[5]。

2 作用于船體諸外力的計算

2.1 風載荷和風傾力矩

風載荷和風傾力矩主要受到風速、外輪廓和受風面積的影響。對郵船而言，舷側救助艇、艏部觀景甲板、頂層煙囪等布置導致的特殊外部輪廓在實際橫移操作時都會影響流場，從而產生多處旋渦。因此，為準確確定風載荷及力矩因數，需在總布置圖的基礎上通過計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真計算或基于風洞試驗結果得到。利用仿真軟件計算對應角度下的風載荷，進而算出對應的載荷因數。圖2為利用仿真軟件模擬60°風向下的風速矢量圖。圖3為某中型郵船的風載荷及風傾力矩因數曲線。

圖2 某中型郵船在60°風向下的風速矢量圖

圖3 某中型郵船的風載荷及風傾力矩因數曲線

通過所得因數，可以計算各角度在不同風速下的風載荷FY、FX和風傾力矩M：

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：ρ為空氣密度；U為風速；CY為橫向風載荷因數；CX為縱向風載荷因數；Cn為風傾力矩因數；Af為正向受風面積；As為側向受風面積；L為船長。

2.2 螺旋槳

船舶在進行橫移運動時，航速近似為零，因此對于螺旋槳而言，進速也是零，即處于系柱狀態，螺旋槳的推力因數取進速因數為0時的KT即可，螺旋槳的推力Xp即為

(7)

式中：KT為推力因數；np為螺旋槳轉速；Dp為螺旋槳直徑。

但是在進行橫移運動時2個螺旋槳的轉向是相反的，即推力因數大小不同而方向相反，則產生的推力也大小不同而方向相反。因此，用下標Z表示螺旋槳正轉，產生的水流流向艉部方向，而下標F表示螺旋槳反轉，產生的水流向前：

(8)

(9)

2.3 舵

舵作為船舶在進行橫移操作時平衡船舶橫向受力的重要裝置，其受力主要由升力因數CLα、螺旋槳誘導速度uR及有效沖角α等決定：

(10)

(11)

(12)

式(10)～式(12)中：Aα為舵有效截面積[6]；δ為舵角；Λ為舵平均弦長與平均高度的比值。

2.4 側推器

側推器同樣是一種螺旋槳推進器，置于艏部或艉部的橫向導管內。側推力的大小與槽道內單位時間的流量有關。因此與螺旋槳類似，側推器的推力也可通過系柱狀態下的推力因數進行計算：

(13)

式中：KT，BT/ST為艏側推器/艉側推器推力因數；nBT/ST為艏側推器/艉側推器轉速；DBT/ST為艏側推器/艉側推器直徑。

如果無法獲得推力因數，也可通過側推器的軸系效率C估算側推器的最大推力：

(14)

式中：T為側推器發出的推力；PN為側推器發動機的輸出功率。

綜上所述，如圖4所示：基于力與力矩的平衡方程在X方向力的平衡通過調整正轉螺旋槳和反轉螺旋槳的轉速實現，但不能超過螺旋槳的轉速上限。在Y方向通過依據正轉螺旋槳的轉速影響舵的誘導速度，從而改變舵受到的橫向力。Z軸上的力矩平衡依據Y方向舵的受力和艏艉側推器推力調整后得到。雖然3個等式之間相互干涉，但是涉及變量少，因此可以快速計算郵船各角度下的最大風速。

圖4 郵船X方向的橫移平衡計算

3 實例計算

根據第2節公式，對某中型郵船的橫移抗風能力進行預估(見表1)。在某中型郵船設計初期，已知預選定雙螺旋槳、雙艏側推器、單艉側推器和舵的設備型號，船型參數為船長LPP為222 m，船寬B為34 m，側向受風面積As為7 983 m2，正向受風面積Af為1 359 m2。

表1 某中型郵船橫移抗風能力預估

由表1可知某中型郵船各角度能承受的最大風速及相對應的螺旋槳轉速、舵角、側推器功率，這為其靠離港的實際作業提供重要參考。由圖5可清晰地評估在現有設備下郵船的橫移抗風能力，為后續的設備選型和船舶詳細設計提供重要的參考依據。

圖5 某中型郵船各角度下實現橫移所能承受的最大風速

4 結 語

考慮郵船較大的受風面積對其橫移靠港的影響，在螺旋槳、舵、艏艉側推器與船體相互作用的數學模型中增加風載荷，并根據郵船側推器、螺旋槳、舵設備的選型參數和計算方程，對某中型郵船能夠實現橫移操作的最大可承受風速進行預估，結果表明該方法能夠清晰便捷地評估郵船在不同風況下的橫移抗風能力，可為郵船后續概念設計階段中的橫移操縱性提供重要參考意見。