關(guān)于雙槳船舶正倒車交錯回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)的商榷

摘" " 要：《海船系泊及航行試驗(yàn)通則》GB/T 3471-2011中對雙螺旋槳船的回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)要求：“對于雙螺旋槳船，應(yīng)按規(guī)定的速度進(jìn)行正倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，測定回轉(zhuǎn)直徑[1]?！钡牵凹夹g(shù)規(guī)格書中一般只明確經(jīng)濟(jì)航速（巡航速度）和設(shè)計航速，沒有“規(guī)定的航速”的定義，船東、船檢和船廠各方對其取值往往難以達(dá)成一致意見。本文通過對回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)過程和實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出對“規(guī)定的航速”的理解和判斷，為雙槳船舶正倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的規(guī)定航速的確定提供參考。

關(guān)鍵詞：雙槳；正倒車交錯；回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)；規(guī)定航速

中圖分類號：U661.33+3 " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Discussion on Ahead and Astern Crossover Turning

Trial of Twin-propeller Ship

PAN Guoxiao，" SHI Lei，" CHEN Weilin

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" Guangzhou 510715，" China ）

Abstract： The \"General Principles for Mooring and Navigation Test of Sea Vessels\" GB/T 3471-2011 requires the rotation test of twin-propeller ships： \"For twin-propeller ships， the forward and reverse staggered rotation test shall be carried out according to the specified speed to determine the rotation diameter[1]. However， the technical specifications of ships generally only specify the economic speed （cruising speed） and design speed， and there is no definition of \"specified speed\"， and it is often difficult for shipowners， ship surveyors and shipyards to reach a consensus on their values. In this paper， through the analysis of the rotation test process and the actual ship test data， the understanding and judgment of the \"specified speed\" are obtained， which provides a reference for the determination of the specified speed of the forward and reverse staggered rotation test of the double propeller ship.Key words： twin-propeller;" ahead amp; astern crossover;" turning test;" specified speed

1" " "引言

向海洋要資源是世界各國戰(zhàn)略舉措，隨著海洋開發(fā)和海洋維權(quán)的不斷深入，對船舶的性能要求越來越高，在航速、推進(jìn)功率、機(jī)動性等方面的要求也不斷提高。由于雙機(jī)雙槳比單機(jī)單槳有更好的機(jī)動性，越來越多的船舶采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)型式，使得雙機(jī)雙槳型主推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣。雙機(jī)雙槳型船舶與單機(jī)單槳型船舶相比，海上試驗(yàn)方式方法大體上相同，但也有一定區(qū)別，相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)隨著對船舶的認(rèn)識的提高，不斷修訂和豐富相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容。在具體產(chǎn)品上如何根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)形成一致的試驗(yàn)和檢驗(yàn)共識，不僅是關(guān)系到船舶建造主要環(huán)節(jié)是否順利的問題，而且可能影響船舶安全乃至船員安全的重要問題。

2" " 全速正倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的安全性分析

通常情況下，對船舶試航安全的一般認(rèn)識大多為船舶穩(wěn)性是否滿足要求，往往容易忽略一些存在著危及安全的隱患。回轉(zhuǎn)試驗(yàn)作為檢驗(yàn)新船性能的一項(xiàng)試驗(yàn)，并有相關(guān)的規(guī)定，每艘船都必須進(jìn)行。對于雙槳船舶而言，需進(jìn)行正車和倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)船舶的實(shí)際回轉(zhuǎn)半徑。從船舶運(yùn)行速度考慮，認(rèn)為全速正倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)必定比全速雙正車回轉(zhuǎn)危險性要低，因?yàn)殡p軸全速正車船舶航速為最高速度，而當(dāng)全速正倒車時，當(dāng)從正車轉(zhuǎn)為倒車，航速下降，航速低了危險性就自然跟著降低了，但期間忽略了主機(jī)安全和船轉(zhuǎn)向傾角的安全問題。

在雙主機(jī)全速推進(jìn)過程中，兩個螺旋槳的推進(jìn)力同向與船舶的阻力和是一對平衡力，船舶受力相對穩(wěn)定；而當(dāng)一側(cè)螺旋槳推進(jìn)從正車全速前進(jìn)到全速倒車過程中，使得船舶受到與航行方向相反推力，隨著船舶速度逐漸下降，船舶加速度負(fù)，當(dāng)正倒車完成航速穩(wěn)定后，船舶推進(jìn)力與船舶阻力形成新的平衡，如圖1所示。

3" " "實(shí)船測試和應(yīng)用

本文以某1 500噸級公務(wù)船實(shí)船測試為例開展分析。在船舶雙車全速前進(jìn)的情況下，船舶從回轉(zhuǎn)開始至回轉(zhuǎn)到540°完成一個回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的時間一般較短，圖2為該船全速滿舵回轉(zhuǎn)試驗(yàn)記錄。

上述記錄圖顯示，船舶從回轉(zhuǎn)開始至回轉(zhuǎn)到540°完成一個回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的時間為191 s，至回轉(zhuǎn)360°的時間為130 s。同時，可以發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)開始時航速開始快速下降，從全速約20 kn下降到約16 kn用時約為30 s。如果不考慮回轉(zhuǎn)運(yùn)動按照動量定理對船舶減速過程進(jìn)行簡化估算，可以大概計算出船舶速度下降過程中所受到的平均力，具體如下：

由牛頓第二定律F=ma=m×" "和沖量公式I=Ft，可得

即：

式中： m為船體排水量，該船試驗(yàn)時排水量為 1750 t；V0為初始速度（開始回轉(zhuǎn)瞬間速度），m/s； Vt為回轉(zhuǎn)穩(wěn)定速度，m/s；t，Δ t 為從初始速度到穩(wěn)定速度的時間，s； F 為船舶降速過程中的平均受力估算，t。

由此可見，在全速工況下，船舶的最高速度和轉(zhuǎn)舵后的穩(wěn)定速度可以認(rèn)為是一定的，減速的時間和平均受到的減速阻力也是一定的，并且均比較平衡?？梢灶A(yù)見，在舵角非滿舵的時候，隨著舵角的減小，船舶回轉(zhuǎn)直徑增大，航速降低時間延長，船舶整體受到的平均阻力將相應(yīng)減小，可以認(rèn)定，全速滿舵回轉(zhuǎn)工況下，船體受到的阻力為最大。

在全速正倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中，由于損失了一臺主機(jī)的推力，航速必定比雙機(jī)全速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)要低很多，而另外一臺主機(jī)仍然以額定負(fù)荷推進(jìn)，則在這一臺推進(jìn)系統(tǒng)中及主機(jī)基座區(qū)域會形成阻力大推力小的一對非平衡作用力，圖3為某1 500噸級船全速正車最大倒車交錯回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的記錄圖。

從圖3可以看出，船舶從回轉(zhuǎn)開始至回轉(zhuǎn)到540°完成一個回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的時間記錄為256 s，回轉(zhuǎn)至360°的時間為169 s，時間比全速回轉(zhuǎn)較長。同時，從全速的約20 kn下降到約10節(jié)的時間約為30 s。如果不考慮回轉(zhuǎn)運(yùn)動按照動量定理對船舶減速過程進(jìn)行簡化估算，可以大概計算出船舶速度下降過程中所受到的平均力。

式中： m為船體排水量，該船試驗(yàn)時排水量為 1750 t；V0為初始速度（開始回轉(zhuǎn)瞬間速度），m/s；Vt為回轉(zhuǎn)穩(wěn)定速度，m/s；t，Δ t 為從初始速度到穩(wěn)定速度的時間，s； F 為船舶降速過程中的平均受力估算，t。

通過與全速前進(jìn)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)相比，船舶整體受力為前者3倍多，在如此大的阻力出現(xiàn)的情況下，船舶單側(cè)主機(jī)可能承受超負(fù)荷而導(dǎo)致悶死的可能，對主機(jī)可能造成嚴(yán)重的損傷。同時，在船舶轉(zhuǎn)向上，由于雙螺旋槳位于船舶中心兩側(cè)，一側(cè)的前進(jìn)推力消失至變?yōu)榉聪?，船舶左右兩?cè)的受力極度不平衡，再受到減速加速度的阻力影響，對船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和傳導(dǎo)推進(jìn)力的齒輪箱性能是一個異常嚴(yán)酷的考驗(yàn)，尤其在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計裕度較小的船舶，一旦超越承受極限則可能導(dǎo)致失效，輕則主機(jī)、齒輪箱和機(jī)構(gòu)損毀，重則由于橫傾角太大可能導(dǎo)致船舶側(cè)翻，造成嚴(yán)重的航行事故。如某2 000噸級船首制船在做全速回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)時，以全速前進(jìn)5和最大后退的正倒車交錯進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時，10 s內(nèi)煙囪就出現(xiàn)了大量黑煙，船體劇烈振動，主機(jī)處于悶死的臨界點(diǎn)上，船橫傾角15°并逐漸在增大，根本無法在設(shè)計安全考慮范圍內(nèi)完成試驗(yàn)，最終只能及時降低試驗(yàn)初始速度，然后逐級試驗(yàn)，直到單側(cè)主機(jī)前進(jìn)2和另一主機(jī)最大倒車工況時，才順利完成了該試驗(yàn)，而此時的航速約為5 kn。

或許是出于航行安全考慮，故而《海船系泊航行試驗(yàn)通則》GB/T 3471-2011中并沒有要求在全速航行情況下進(jìn)行正倒車回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，而是表述為“規(guī)定航速”，至少可以認(rèn)為“規(guī)定航速”應(yīng)該是不至于導(dǎo)致船舶航行危險的航速，而不同船舶的設(shè)計和穩(wěn)性差異巨大，這或許是難以規(guī)定其具體航速的緣故。

4" " "結(jié)論

通過以上分析和實(shí)測數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為“規(guī)定航速”首先應(yīng)為對船舶設(shè)備及航行安全不構(gòu)成危險的航速，那么在什么情況下的航速才是不構(gòu)成危險的航速呢？對主機(jī)而言，至少要保證不超過單臺主機(jī)的最大負(fù)荷，其次，對結(jié)構(gòu)及齒輪箱受力而言，至少要保證交錯回轉(zhuǎn)時的受力不超出設(shè)計要求，最后，全速情況下的正倒車交錯回轉(zhuǎn)，由于船舶慣性及滿舵轉(zhuǎn)向力共同作用，船舶會向轉(zhuǎn)向外側(cè)快速傾斜，此時對船舶穩(wěn)性將是一個最嚴(yán)峻的考驗(yàn)，一旦再遇到突發(fā)的海上陣風(fēng)或海浪、暗涌等影響，很可能會對試驗(yàn)船舶和試驗(yàn)人員的安全造成嚴(yán)重威脅。基于以上考慮，在船舶設(shè)計初期，可根據(jù)船舶的性能和用途明確其“規(guī)定航速”的具體值，以達(dá)到船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和主機(jī)等設(shè)備避免因“規(guī)定航速”的理解歧義導(dǎo)致新造船舶損毀或試驗(yàn)安全事故的發(fā)生，同時，在條件允許的條件下，亦可以結(jié)合試驗(yàn)的海況及同類型船舶的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，采取逐級摸索試驗(yàn)船舶的“規(guī)定航速”邊界，達(dá)到保障船舶航行安全的最終目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 海船系泊及航行試驗(yàn)通則：GB/T 3471-2011[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．