关于某科考船改善舵效的论证

殷宪峰

摘 要：文章根据船东需求，结合本船主要参数，就作业航速舵效要求，高速航行安全性两方面，对原单舵，普通双流线型平衡舵与双襟翼舵选型对比，舵面积选定展开论证，考虑其它案例、重量、造价、阻力因素，得出结论。

关键词：科考船 低速调查作业 高速航行 舵效论证

1.舵效要求

“海洋四号”船是一艘首航中太平洋、远航过南极、先后执行十个航次大洋科考任务的“科考英雄船”，为拓展该船的地质调查手段，提升野外采集的科技含量，并适应水下调查设备向机电液一体化、多功能化、智能化方向发展，需配置光电复合缆拖曳绞车用于水下拖曳，要求作业航速3-4节以下时航向偏差不超过30米，此船无法满足航向要求。

据实船调查，本船为钢质、双层连续甲板，具有倾斜首柱、梨型球首、方型船尾，机舱位于舯部，动力装置为二台6K45GF增压低速柴油机、双可调螺矩桨、单舵，舵处于船中呆木后方，不在螺旋桨尾流中，所以在海洋调查作业航速时的舵效很差。如果遇到风浪大时，则转向更加困难，增加了船舶航行的危险性。因此，为了提高海洋调查作业的工作效率和测绘作业质量，保证船舶回转安全性，考虑合理、可行的增强舵效改造方案势在必行。

2.原舵系的核算

2 . 1原单舵面积校核

查阅原船资料，为双机双桨单舵，舵舵，舵机采用液为流线型平衡压舵机，参数如下表2-1所示，根据规范对舵面积进行校核。

根据《船舶设计实用手册》，GL《钢质海船入级与建造规范》关于舵面积规定，为达到足够操纵性能，建议可动舵面积A（m2）应不小于由下式计算所得值：

式中 A —舵叶面积（m2）；

Vd ——设计航速（Kn），按本条 2）款计算；

K1—系数，按本条 3）款计算；

K2—系数，见表 2-2；

K3—系数，对位于螺旋桨尾流之外的舵取0.8；对位于固定螺旋桨导流管之后的舵取1.15，其他情况取1.0。

2）舵设计航速Vd按夏季载重吃水时船舶的最大营运航速V确定，最大营运航速通常是指主机按发出最大连续功率的转速运行时的航速，Vd按下列各式确定：

正车，当V ﹥ 10Kn 时， Vd = V

正车，当V ﹤ 10Kn 时， Vd =（V+20）/3 （2-03）

倒车时，Vd应为最大倒车速度，但取值应不小于0.5V。

3）系数按下式计算：

K1=（λ+2）/3 （2-04）

λ= hm2/At （2-05）

式中 λ—展弦比，取值不必大于2；

hm —舵叶平均高度（m），

At —舵面积（m2），对于无舵柱的舵，为舵面积A，对于设有舵柱或挂舵臂的船舶，At为在舵叶平均高度hm范围内，舵叶面积A与舵柱或挂舵臂面积之和。

4）原单舵3.5节航速时舵力核算：

根据公式（2-04），K1=（1.083+2）÷3=1.027；

根据公式（2-03），3.5节航速时，Vd=（3.5+20）÷3=7.83 Kn ，

根据公式（2-02），F =132 K1 K2 K3 AVd2

原单舵在3.5节航速时舵力：

F1 = 132×1.027×1.1×0.8×9.765×7.832 = 71420N；

原单舵19节航速时舵力：

F2 = 132×1.027×1.1×0.8×9.765×192 = 420539 N。

3.单舵改双舵的三种方案

由于本次改造采取尾部#29肋位以后结构部位切除、线形更新，船体水下安装一套新的浅地层剖面仪，经过初步计算，改造设计后最大航速在17节左右，为确保调查作业安全和效果，本次改装拟将原单舵改为双舵，双舵建议从普通双流线型平衡舵和双襟翼舵中选型。其中双襟翼舵，取单舵面积6.5m2与5.5m2两种，相应舵机也要更换。3 . 1普通双流线型舵方案根据《船舶设计实用手册》对于双流线型舵校核如下：根据公式（2-01）A= C1 C2 C3 C4求最小舵面积：

A2 = 1.0×0.8×1.0×1.0×1.75×104.81×4.95÷100=7.26m2。

以上校核的是规范要求的最小面积，一般设计时取值应大于该值，根据母船或舵面积比以及船艉部框架空间来最终确定舵面积。根据《船舶设计实用手册》推荐，机动性较高的船舶舵面积比一般在2%～4%，同时根据本船改造后船舶艉部框架，以及本船螺旋桨直径（约为3.2m），螺旋桨端部与舵杆中心线距离较远约2.9m，考虑到充分利用尾流，舵叶高度选取约3.2m，舵叶宽度选取约2.34m，每个舵约7.5m2（具体面积待详细设计时确定）。

舵面积选择中经常采用的参数为舵面积比X：

X = 100% （2-06）

式中，L-船长（m）；

T-夏季载重线的吃水（m）；

A-舵面积（m2）。

根据公式（2-06），X=×100%=（7.5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.89%。

根据公式（2-05），λ= hm2/At=3.22÷7.5=1.365

6.5 m2双襟翼舵17节航速时舵力：

F6=132×1.19×1.7×1.0×（6.5×2）×172 = 1003254 N。

3 . 3双襟翼舵系方案之二（取单舵面积约5.5 m2计算）

根据双舵时，每个舵面积可以减少到80%，舵叶高度可选取3.0m，舵叶宽度选取1.83m，每个舵面积可取5.5m2左右。因为5.5m2为双襟翼舵计算出最小舵面积A3（6.36 m2）的86% ，所以满足要求。endprint

根据公式（2 - 0 6），X=×1 0 0 % =（5 . 5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.12%；

根据公式（2-05）λ= hm2/At=3.02÷5.5=1.636；根据公式（2-04），K1=（λ+2）/3=（1.636+2）÷3=1.21；根据公式（2-03），3.5节航速时，Vd=（3.5+20）÷3=7.83Kn；

根据公式（2-02），F=132 K1 K2 K3 AVd2 ；

5.5m2双襟翼舵3.5节航速时舵力：

F7 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×7.832 =183115N；

5.5m2双襟翼舵17节航速时舵力：

F8 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×172 = 863175N。

4.单舵、双舵舵效比较

因本船论证不做船模试验，仅做公式计算比较，现将上述各项计算结果进行量化对比，可以作为改造前后的基本判断。

5.重量、造价与阻力因素比较

由上表可知，造价及重量相差不大，选双襟翼舵（2×5.5m2）性价比较为适宜。从阻力角度考虑，单舵改双舵后，辅体阻力增加较大，因此，应控制舵面积的增加幅度，采取较小舵面积对保证最大航速有利。

6.选型与面积选定

由表4-1、4-2中数据可知：

满足最小舵面积计算的双流线型舵的单舵面积最小需要7.5m2。但与5.5m2-6.5m2的双襟翼舵相比，舵效仍然存在不小的差距：

双流线型舵与5.5m2的双襟翼舵相比，舵效为：81.6%；

双流线型舵与6.5m2的双襟翼舵相比，舵效为：70.2%。

如果采用双流线型舵，即便要达到5.5m2的双襟翼舵的舵效（3.5节时183.1KN；最大航速时863.2KN），单舵面积则仍需要增加到约9.2m2。

一般情况下，襟翼舵的升力系数比普通流线型舵增大约1.5倍。如果仅改为普通双流线型舵，要改变低速舵效就必须通过提高舵面积，如果改为双襟翼舵，高速时则应该控制大舵角急转，两者匀有利弊。

参考近年设计的海洋工程船多选择襟翼舵，如：

12缆物探船设计航速14节，采用双襟翼舵，舵面积比3.45%；

万吨海监船设计航速25节，采用双襟翼舵，舵面积比3.08%；

向阳红某某号设计航速15节，原双舵改为双襟翼舵，舵面积比2.61%。

因此，本船双襟翼舵选择舵面积比在2%～4%之间，应属可行范围。

通过计算对比可知：

如双襟翼舵面积取为约5.5m2-6.5m2范围时，在3.5节时的舵力将增加约2.56倍至2.98倍，应可满足进行低速航行调查作业的需求。而对应最大航速（改造后考虑为17节）时的舵力增加为2.05倍至2.39倍。大航速舵力增加明显小于3.5节航速时的倍数，但高速时则应该控制大舵角急转，防止产生大倾角力矩。

经过以上对比，基于资金、航行安全、作业需求等多方因素，舵改方案优先推荐考虑用小面积双襟翼舵（2×5.5m2）。为充分利用螺旋桨尾流以提高舵效，考虑在现螺旋桨位置和桨轴长度不变的前提下，将舵杆中心线位置前移0.9m，并且与现螺旋桨中心点前后对齐。原船的自动舵是控制单舵型舵机的，现已无法适应新舵机的控制要求，需更换为适应双舵机控制的自动舵。

参考文献：

[1]冯崇谦.船用襟翼舵.国防科技出版社 1989（9）.

[2]杨建民.襟翼舵水动力性能研究.上海交通大学学报1997（11）.

[3]梅琴生.船用舵的一般计算.人民交通出版社.1957.

[4]中国船级社.钢质海船入级与建造规范.人民交通出版社.2012.

[5]陈可越.船舶设计实用手册.中国交通科技出版社.2007.endprint

根据公式（2 - 0 6），X=×1 0 0 % =（5 . 5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.12%；

根据公式（2-05）λ= hm2/At=3.02÷5.5=1.636；根据公式（2-04），K1=（λ+2）/3=（1.636+2）÷3=1.21；根据公式（2-03），3.5节航速时，Vd=（3.5+20）÷3=7.83Kn；

根据公式（2-02），F=132 K1 K2 K3 AVd2 ；

5.5m2双襟翼舵3.5节航速时舵力：

F7 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×7.832 =183115N；

5.5m2双襟翼舵17节航速时舵力：

F8 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×172 = 863175N。

4.单舵、双舵舵效比较

因本船论证不做船模试验，仅做公式计算比较，现将上述各项计算结果进行量化对比，可以作为改造前后的基本判断。

5.重量、造价与阻力因素比较

由上表可知，造价及重量相差不大，选双襟翼舵（2×5.5m2）性价比较为适宜。从阻力角度考虑，单舵改双舵后，辅体阻力增加较大，因此，应控制舵面积的增加幅度，采取较小舵面积对保证最大航速有利。

6.选型与面积选定

由表4-1、4-2中数据可知：

满足最小舵面积计算的双流线型舵的单舵面积最小需要7.5m2。但与5.5m2-6.5m2的双襟翼舵相比，舵效仍然存在不小的差距：

双流线型舵与5.5m2的双襟翼舵相比，舵效为：81.6%；

双流线型舵与6.5m2的双襟翼舵相比，舵效为：70.2%。

如果采用双流线型舵，即便要达到5.5m2的双襟翼舵的舵效（3.5节时183.1KN；最大航速时863.2KN），单舵面积则仍需要增加到约9.2m2。

一般情况下，襟翼舵的升力系数比普通流线型舵增大约1.5倍。如果仅改为普通双流线型舵，要改变低速舵效就必须通过提高舵面积，如果改为双襟翼舵，高速时则应该控制大舵角急转，两者匀有利弊。

参考近年设计的海洋工程船多选择襟翼舵，如：

12缆物探船设计航速14节，采用双襟翼舵，舵面积比3.45%；

万吨海监船设计航速25节，采用双襟翼舵，舵面积比3.08%；

向阳红某某号设计航速15节，原双舵改为双襟翼舵，舵面积比2.61%。

因此，本船双襟翼舵选择舵面积比在2%～4%之间，应属可行范围。

通过计算对比可知：

如双襟翼舵面积取为约5.5m2-6.5m2范围时，在3.5节时的舵力将增加约2.56倍至2.98倍，应可满足进行低速航行调查作业的需求。而对应最大航速（改造后考虑为17节）时的舵力增加为2.05倍至2.39倍。大航速舵力增加明显小于3.5节航速时的倍数，但高速时则应该控制大舵角急转，防止产生大倾角力矩。

经过以上对比，基于资金、航行安全、作业需求等多方因素，舵改方案优先推荐考虑用小面积双襟翼舵（2×5.5m2）。为充分利用螺旋桨尾流以提高舵效，考虑在现螺旋桨位置和桨轴长度不变的前提下，将舵杆中心线位置前移0.9m，并且与现螺旋桨中心点前后对齐。原船的自动舵是控制单舵型舵机的，现已无法适应新舵机的控制要求，需更换为适应双舵机控制的自动舵。

参考文献：

[1]冯崇谦.船用襟翼舵.国防科技出版社 1989（9）.

[2]杨建民.襟翼舵水动力性能研究.上海交通大学学报1997（11）.

[3]梅琴生.船用舵的一般计算.人民交通出版社.1957.

[4]中国船级社.钢质海船入级与建造规范.人民交通出版社.2012.

[5]陈可越.船舶设计实用手册.中国交通科技出版社.2007.endprint

根据公式（2 - 0 6），X=×1 0 0 % =（5 . 5×2）÷（104.81×4.95）×100%=2.12%；

根据公式（2-05）λ= hm2/At=3.02÷5.5=1.636；根据公式（2-04），K1=（λ+2）/3=（1.636+2）÷3=1.21；根据公式（2-03），3.5节航速时，Vd=（3.5+20）÷3=7.83Kn；

根据公式（2-02），F=132 K1 K2 K3 AVd2 ；

5.5m2双襟翼舵3.5节航速时舵力：

F7 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×7.832 =183115N；

5.5m2双襟翼舵17节航速时舵力：

F8 =132×1.21×1.7×1.0×（5.5×2）×172 = 863175N。

4.单舵、双舵舵效比较

因本船论证不做船模试验，仅做公式计算比较，现将上述各项计算结果进行量化对比，可以作为改造前后的基本判断。

5.重量、造价与阻力因素比较

由上表可知，造价及重量相差不大，选双襟翼舵（2×5.5m2）性价比较为适宜。从阻力角度考虑，单舵改双舵后，辅体阻力增加较大，因此，应控制舵面积的增加幅度，采取较小舵面积对保证最大航速有利。

6.选型与面积选定

由表4-1、4-2中数据可知：

满足最小舵面积计算的双流线型舵的单舵面积最小需要7.5m2。但与5.5m2-6.5m2的双襟翼舵相比，舵效仍然存在不小的差距：

双流线型舵与5.5m2的双襟翼舵相比，舵效为：81.6%；

双流线型舵与6.5m2的双襟翼舵相比，舵效为：70.2%。

如果采用双流线型舵，即便要达到5.5m2的双襟翼舵的舵效（3.5节时183.1KN；最大航速时863.2KN），单舵面积则仍需要增加到约9.2m2。

一般情况下，襟翼舵的升力系数比普通流线型舵增大约1.5倍。如果仅改为普通双流线型舵，要改变低速舵效就必须通过提高舵面积，如果改为双襟翼舵，高速时则应该控制大舵角急转，两者匀有利弊。

参考近年设计的海洋工程船多选择襟翼舵，如：

12缆物探船设计航速14节，采用双襟翼舵，舵面积比3.45%；

万吨海监船设计航速25节，采用双襟翼舵，舵面积比3.08%；

向阳红某某号设计航速15节，原双舵改为双襟翼舵，舵面积比2.61%。

因此，本船双襟翼舵选择舵面积比在2%～4%之间，应属可行范围。

通过计算对比可知：

如双襟翼舵面积取为约5.5m2-6.5m2范围时，在3.5节时的舵力将增加约2.56倍至2.98倍，应可满足进行低速航行调查作业的需求。而对应最大航速（改造后考虑为17节）时的舵力增加为2.05倍至2.39倍。大航速舵力增加明显小于3.5节航速时的倍数，但高速时则应该控制大舵角急转，防止产生大倾角力矩。

经过以上对比，基于资金、航行安全、作业需求等多方因素，舵改方案优先推荐考虑用小面积双襟翼舵（2×5.5m2）。为充分利用螺旋桨尾流以提高舵效，考虑在现螺旋桨位置和桨轴长度不变的前提下，将舵杆中心线位置前移0.9m，并且与现螺旋桨中心点前后对齐。原船的自动舵是控制单舵型舵机的，现已无法适应新舵机的控制要求，需更换为适应双舵机控制的自动舵。

参考文献：

[1]冯崇谦.船用襟翼舵.国防科技出版社 1989（9）.

[2]杨建民.襟翼舵水动力性能研究.上海交通大学学报1997（11）.

[3]梅琴生.船用舵的一般计算.人民交通出版社.1957.

[4]中国船级社.钢质海船入级与建造规范.人民交通出版社.2012.

[5]陈可越.船舶设计实用手册.中国交通科技出版社.2007.endprint