常规海运船型开发中舵面积的预选研究与验证

王 鹏，谢 敏

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

舵系是保证操纵性的主要设备，由于在新船型开发初步阶段不可能获得操纵性试验的数据，必须进行方案预估，因而，其成为基本设计以及船模试验的要素。舵面积是其中需首先预选的参数，尤其对于追求降本减排的船型，其舵杆到艉封板的距离使容纳必要大小的舵已经很紧张，也就是舵的设计成为艉部线型设计的高度相关因素了。

由于操纵性试验费用高昂且往往安排靠后，开发阶段按照母型船预估舵面积是常用方法，但仅基于某单个船显然有一定风险，而依托成熟母型船的分析并做出某种有倾向性的取舍应具有相当的可靠度。

1 船舶操纵性理论分析

为保证船舶航行安全，必须使船舶具有良好的操纵性。船舶操纵性主要包括4个方面的内容：大舵角回转性、小舵角转艏性、航向稳定性和停船性能。其中与舵密切相关的性能包括前3个性能，因此，以下的研究和讨论不包括停船性能。

船舶操纵性与主尺度和线型以及舵的设计密切相关。但是在船舶的初始设计阶段，确定主尺度和线型时，通常优先考虑满足稳性、快速性等要求，因此通过改变主尺度和线型的方法提高操纵性是很难实现的，主要从舵的设计入手来满足操纵性要求。

目前，IMO（国际海事组织）对操纵性的要求是基于2002年12月通过的MSC137(76)决议《船舶操纵性标准》。该标准明确了对船舶操纵性的考量是通过航行试验时测试以下操纵性能[2]：

1) 回转能力：回转试验回转圈的纵距Ad和战术直径DT（越小越好）；

2) 转艏性：操10°舵角艏向角偏离初始航向10°时的船舶纵距（越小越好）；

3) 偏航纠正和航向稳定能力：10°/10°Z形操纵试验的第一超越角和第二超越角，20°/20°Z形操纵试验的第一超越角（越小越好）。

另外，从文献[2]对操纵性运动的分析中可以得到以下一些结论：

1) 船体本身对直线稳定性和回转性的影响是相互矛盾的，为了改善稳定性，在回转性和转艏性方面往往要作出必要的牺牲，反之亦然；

2) 增加舵面积或将舵远离船舶重心，能够使回转性变好，而又不损害直线稳定性；因此可认为，增加舵面积将减小Ad和DT。

3) 提高船舶直线稳定性的方法是增加中纵剖面艉部面积、中纵剖面面积形心后移，如增加呆木、增加艉倾等；这些措施应将减小Z形操舵试验的超越角，而相应地增加Ad和DT。

远洋货轮由于其航行中航向变化的次数少，操舵时间也较少，因此在设计时应注重航向稳定性；沿海及内河船由于其转向频繁，设计时应注重回转性。

2 根据系列船资料选择舵面积比

2.1 定义

为统一分析的口径，作如下设定：L：两柱间长；B：型宽；d：满载吃水；CB：方形系数；▽：满载吃水下的排水量；A：舵可移动部分的面积；μ：舵面积比，A/(Ld)。

需要说明的是：1) 通常情况下，散货船和油轮在结构吃水工况下运营，而集装箱船和LNG船在设计吃水工况下运营，因此这里d概括为满载吃水，相应地，散货船和油轮取结构吃水，集装箱船和LNG船取设计吃水；2) 这里的舵面积不包括挂舵臂等固定部分的面积，这是因为文献[3]在计算舵力时采用可移动部分的面积，并且因此原因，不管对于普通舵还是半悬挂舵，在最初的设计中均采用可移动部分的面积进行衡量。

2.2 船型与回转性、航向稳定性的关系

虽然很难通过改变主尺度和线型来改善船舶操纵性，但操纵性仍与主尺度、线型有着密切的联系。在设计舵的时候，需要找出一些规律性的东西，以使舵的设计更适合船型。舵面积作为基本要素尤其重要。

参考大量设计资料后，采用修长度∇/(L2d)=CB/(L/B)作为初步参考的依据。参考文献[3～6]中均指出：修长度减小，回转阻尼增加，船舶回转性能变差，需要的舵面积也因此增加。选取三十几条已建造的船舶（散货船、油轮、集装箱船），样本范围设为海洋运输型船、非高升力舵、NACA或类似流线型舵、单桨船且舵位于螺旋桨艉流中。这里仅列出各样本船型的概况：

表1 船型统计

对船型的舵面积资料进行统计分析，通过二阶拟合绘出如图1所示曲线。

图1 舵面积曲线

根据三十多个离散点拟合出的曲线方程为y=186.16x2-45.77x+4.22。曲线的最低点在修长度∇/(L2d)=0.123附近，在此之前，即当修长度<0.123时，修长度越小（船体越瘦长），舵面积比越大；这符合“修长度小的船型直线稳定性好而回转性差”这一规律。而在修长度>0.123时，修长度越大（船体越肥大），舵面积比越大；虽然修长度变大，回转性变好，但是舵面积比仍变大，这是因为这些船过于丰满而在艉部产生水流分离或舭部涡流，致使船在小舵角下操纵困难，因此需要通过增大舵面积来增大舵力，以提高转艏性。

图1中的虚线为文献[4]设计图谱所推荐的舵面积上限，这里一并画出供参考。图中大部分点都在推荐的值以下，由此拟合出的曲线也处在推荐线以下，未超出设计图谱要求的上限。

2.3 舵面积比的选择

在船型开发的初步阶段，船体线型确定后即可计算出修长度，然后在图1的舵面积曲线附近取点选择舵面积比作为参照，基于此面积比再综合考虑艉部空间、航速、展弦比和平衡比等因素设计舵的形状和布置。舵面积比与修长度相结合评价方式可较合理地预估新船舵面积，对于已有设计也可作为判别参数高低的基准。

3 根据操纵性试验结果优化舵面积

根据母型船资料初步完成舵的设计之后，其优劣仍需操纵性试验结果来验证，并依据试验结果对原先的设计进行优化。以87000t散货船为例，基于操纵性试验结果优化舵面积。

需要说明的是，虽然 87000t散货船已进行过多次实船航行试验，但这里仍采用船模试验结果进行分析。这是因为散货船都是在压载状态下进行航行试验，舵未全浸没水中，此试验结果对舵设计并无帮助。

3.1 87000t散货船船模试验结果

从图2中可以看出，87000t散货轮的回转性能和直线稳定性都能满足IMO规范，应该说，操纵性试验结果是十分优秀的。

3.2 舵面积设计的优化分析

虽然 87000t散货船操纵性能优秀，但由于挂舵臂面积偏小，若要满足结构强度要求，挂舵臂的板厚需要设计得很大，又因挂舵臂外形曲度变化很大，这大大增加了挂舵臂结构的建造和施工难度。综合以上因素考虑按照这样的思路对舵进行优化：减小舵可移动部分的面积，增加挂舵臂部分的面积。由此会取得以下一些效果：

图2 87000t散货船模操纵性试验结果

1) 由于舵力与舵可移动部分面积成正比，减小舵可移动部分面积必然会减小舵力，相应地，船舶的回转能力也必然下降；但是考虑到 87000t散货轮的回转能力很优秀，适当地减小舵面积仍能保证回转能力满足规范要求；

2) 增加挂舵臂部分的面积即增大了艉部呆木的面积，这样可以提高船舶的直线稳定性；这与远洋货轮应注重直线稳定性的设计思想不谋而合；

3) 舵力减小，相应的舵杆扭矩和弯矩减小，因此在选择舵机的时候可以选择功率较小的型号，舵杆的尺寸也可以减小；这样可以降低船舶的材料成本，并同时降低了船舶的能耗，提高了船舶的使用经济性；

4) 舵面积减小，可移动部分的重量减少，而承重结构挂舵臂面积增大，这样解决了减小挂舵臂板厚的问题。

综上所述，适当减小舵可移动部分面积而增加挂舵臂部分面积，可使船舶在满足回转能力要求的情况下提高直线稳定性，并使船舶总体设计更趋合理。

值得注意的是，很多肥大船型通常回转性富余而航向稳定性不足，增加舵面积可以同时提高其回转性和稳定性。但通过上面的分析可知，增加舵面积就需要增加舵机扭矩并加强挂舵臂的强度，与现在节能降耗的趋势不符。更好的方法是不增加舵面积甚至适当减小舵面积，同时大幅度增加呆木部分的面积。

3.3 舵面积比的优化

对设计的散货船进行比较分析，将相似散货船的设计结果绘于图3中。

图中，2、4、6点均是已设计的船型，选取的舵面积比相近，在1.3%～1.35%范围内，而其他公司已经采用了很小的舵面积比，日本的设计甚至低于1.2%。因此考虑可以选取舵面积比参照点在1.3%左右并向下优化。

关于挂舵臂面积的选取，通常用可移动部分面积乘以一个系数。87000t散货船原来的系数为0.195，考虑到不对舵的总面积和展弦比作大的改动，挂舵臂的面积系数考虑选取0.24左右。

以上对散货船的思路也可适用于其他船型，只是根据修长度等不同，侧重点会有变化。设计方向的探讨还需要船模及实船试验的验证。一旦这样的优化效果得到试验验证，再加以数据的积累，即可将此方法作为以后舵系开发的基本思路和设计参考。

图3 舵面积比

4 结 语

船舶的操纵性与舵的设计、船体形状密切相关，舵面积的选取与船体的修长度有一定的规律性，通过对一些成熟母型船的分析对比认为，舵面积比应与船体修长度成负相关关系，但当修长度大过某一数值时，由于船体过于肥大，需要相对较大的舵面积比提高操纵性。本文对散货船舵面积比的优化设计思路可运用到其他船型，为船型开发设计中舵面积优化提供借鉴。

[1] 唐宁生. 对IACS《散装货船共同结构规范》中有关舵设备的几点意见[J]. 船舶，2008.

[2] International Maritime Organization. Standards for Ship Maneuverability[S]. Resolution MSC.137(76), 2002.

[3] 盛振邦，刘应中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大学出版社，2003.

[4] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册（舾装分册）[M]. 北京：国防工业出版社，1998.

[5] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册（总体分册）[M]. 国防工业出版社，1998.

[6] 黄 昊. 对舵系设计中几个主要参数的对比分析[J]. 船舶，2010.