转舵速度对舰船回转性能的影响

陈　放1，胡晓芳2，金迎村21海军装备部，北京1008412中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

转舵速度对舰船回转性能的影响

陈放1，胡晓芳2，金迎村2
1海军装备部，北京100841
2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

在忽略操舵引起速降的假设前提下，利用操舵响应方程对不同转舵速度下船舶的回转性能进行理论分析，获得定常回转直径、纵距、横距、战术直径等参数与转舵时间之间的近似关系。进而利用计及速降的非线性操纵性运动方程进行同一舰船不同转舵速度下的回转运动仿真，以及操纵性能和航速相同而船长不同的各船在不同转舵速度下的回转运动仿真。仿真结果与理论分析结果一致，均表明定常回转直径不受转舵速度的影响，纵距、横距、战术直径均随着转舵速度的提高而减小，且转舵速度对船长较短的舰船影响较大。

转舵速度；回转性；纵距；横距；战术直径

0　引言

回转性是舰船一项重要的总体性能，在主要总体性能参数一定的情况下，主要受舵的面积、外形及翼型剖面等参数的限制。一般情况下，增大舵面积是改善舰船回转性能的重要手段。然而，为避免舵灵敏度过高，设计时对舵面积的选取应有所限制，不能为实现较高的回转性能而盲目增大舵面积［1］；舵面积过大会造成船舶回转时的横倾超过允许范围［2］。因此，如何在有限舵面积的前提下改善舰船的回转性能成为当前一项重要的课题。有研究［3-5］表明，提高转舵速度对减小船舶的纵距、迅速改变航向有较大影响，使得船舶能在较小的海域内实现转向规避等操作，具有较高的实际使用价值。

在转舵速度对舰船回转性能的影响方面，国内外虽未进行系统研究，但都从某些方面反映了转舵速度对舰船航行性能的影响。例如，Cimen［6］以190 000 t油轮为例，采用精细化的转舵运动方程对该轮的操纵运动进行了仿真计算，并与传统阶跃操舵的仿真结果进行了比较分析；黄波［7］利用实船试验测试了转舵速度对回转性诸要素的影响，试验结果表明转舵速度仅影响应舵性，对回转直径、速降、回转横倾角等诸参数无明显影响；王令蓉［8］和黄利华等［9］从减小操舵时机械噪声的角度讨论了低舵速操舵对潜艇纵倾角曲线和深度曲线的影响，认为当舵速高于一定限值时，各舵速下的深度修正控制性能相当。本文拟从舰船实际使用出发，就不同转舵速度对舰船回转运动中定常回转直径、纵距、横距、战术直径等参数的影响进行理论分析和仿真计算，为分析研究转舵速度对改善舰船回转性的作用、选取最佳适用舰船等提供参考。

1　理论分析

当舰船以速度V直线航行时，将舵转至某一舵角并保持此舵角，舰船将在水平面内做曲线运动，称为回转运动。舰船重心的运动轨迹称为回转圈，如图1所示。

图1　舰船回转运动示意图Fig.1 Turningmotion ofa ship

由图示易见，直航期间舰船不转舵，进入稳定回转之前当舵角达到35°时停止转舵，实际转舵时间为舰船进入稳定回转前的一小段时间。

在舰船状态已经确定的情况下，由于定常回转直径D只与操舵角有关，在舰船进入定常回转之前已经完成转舵操作，因此不受转舵速度的影响；战术直径DT是从转舵开始时刻计算至艏向角变化180°的时刻，纵距Ad、横距Tr等参数是从转舵开始时刻计算至艏向角变化90°的时刻，均包含了转舵的过程，因此都将受到转舵速度的影响。

有限操舵速度时的艏向角Ψ可用式（1）表示。

式中：K为回转性指数，s-1；T为直线稳定性指数，s；δ0为舵角，（°）；t为时间，s；t1为从0°舵角转到35°舵角所需的时间，s。

忽略操舵所引起的速降，可得到有限操舵速度时的纵距Ad，如式（2）所示。

式中，V为舰船纵向航行速度，m/s。

对于以指定航速做35°舵角回转的特定舰船而言，V，δ0，K，T都是定值，因此纵距只与转舵时间t1相关，即t1越小（或者说转舵速度越快），纵距越小。

基于上述假设，可分别得到有限操舵速度时的横距Tr和战术直径DT，如式（3）和式（4）所示。

由此可见，横距和战术直径亦受转舵速度的影响，且t1越小（即转舵速度越快），横距越小，同时战术直径也越小。其中，战术直径受转舵速度的影响相对较小。

从舰船的实际设计出发，由于各类舰船的最大设计航速相当，而船长L有较为显著的差异，因此在无因次回转直径D/L（式（5））相同的情况下，各舰船的实际K，T值（式（6）和式（7））将有所差异，使得转舵速度对各舰船回转性影响的表现有所不同。

式中：K′为无因次K指数；T′为无因次T指数。

为分析转舵速度对不同船长舰船回转性的影响，将式（6）、式（7）代入式（2），得

将其转化为无因次量，得

同理，可得到无因次横距、战术直径与船长及转舵速度的关系，如式（10）和式（11）所示。

对用无因次量值来表征操纵性的舰船而言，操纵性能相同即为K′，T′指数相同，同时航速V、操舵角δ0、转舵时间t1均相同。因此，当转舵时间不同时，舰船的相对纵距随船长的增加而减小，减小的幅度随着船长的增加而减小；相对横距、无因次战术直径随着船长的增加而增加，增加的幅度随着船长的增加而增加，表明对于航速、操纵性能相同的舰船，船长越长，受转舵速度的影响越小。

2　算例

为真实反映转舵速度对舰船回转性能的影响，采用目前广泛使用的计及速降影响的MMG操纵性数学模型进行舰船回转过程的仿真计算，具体建模过程参见文献［10］。

根据目前各国规范对转舵速度的要求，从便于分析比较转舵速度对舰船回转性的影响出发，设置各计算转舵速度，如表1所示。其余计算参数按照典型舰船参数选取。

表1　算例计算参数Tab.1 Param etersof an exam p le

2.1不同转舵速度的计算比较

取船长为100 m，对各转舵速度下的舰船运动进行仿真计算，计算结果如图2和表2所示。

图2　不同转舵速度下的舰船回转运动（L=100m）Fig.2 Turning tracksofa ship with different steering speed（L=100m）

表2　不同转舵速度下的舰船回转运动计算结果Tab.2 Turning per form ancesof a ship w ith different steering speed

仿真结果表明，随着转舵速度的提高，同一舰船的战术直径、纵距、横距均有所减小，其中纵距的减小幅度最大，横距次之，战术直径最小。仿真结果与理论分析结果一致。

2.2不同船长的计算比较

分别取船长为50，100和150 m，其余参数相同，对4.64（°）/s转舵速度和阶跃操舵情况下的舰船运动进行仿真计算，船长为100，50和150m的计算结果如图2～图4所示，各船长不同转舵速度下的操纵性仿真计算的结果对比见表3。

仿真结果表明，随着船长的增加，相对纵距有所减小，减小的幅度随着船长的增加而减小；随着船长的增加，无因次战术直径和相对横距有所增加，增加的幅度随着船长的增加而增加。受转舵速度影响的各项参数中，相对纵距受船长的影响最为明显。仿真结果与理论分析结果一致。

图3　不同转舵速度下舰船的回转运动（L=50m）Fig.3 Turning tracks ofa ship with different steering speed（L=50m）

图4　不同转舵速度下舰船的回转运动（L=150 m）Fig.4 Turning tracks of a ship with different steering speed（L=150m）

表3　不同转舵速度下舰船回转运动计算结果对比Tab.3 Com parison of turning per form ances for shipsw ith different steering speed and different length

3　结论

本文就不同转舵速度对舰船回转运动中定常回转直径、纵距、横距、战术直径等参数的影响进行了理论分析和仿真计算，主要结论如下：

1）定常回转直径不因转舵速度的变化而变化，表明转舵速度不影响舰船的固有回转性能。

2）对于同一舰船，战术直径、纵距、横距均随转舵速度的提高而减小，表明提高转舵速度对舰船实际使用情况下的回转性能有改善作用。

3）对于同一舰船，提高转舵速度后，纵距的减小幅度最大，横距次之，战术直径最小，表明转舵速度对纵距的影响最为明显。

4）对于回转性能相同而船长不同的舰船，提高转舵速度后，相对纵距随着船长的增加而减小，无因次战术直径和相对横距随着船长的增加而增加，表明不同船长的船受转舵速度影响的程度有所不同。

5）对于回转性能相同而船长不同的舰船，提高转舵速度后，相对纵距的变化幅度最大，表明转舵速度对纵距影响最显著的现象适用于各船长。

6）对于回转性能相同而船长不同的舰船，提高转舵速度后，相对纵距的变化幅度随着船长的增加而减小，表明转舵速度对船长较短的舰船影响较大。

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［责任编辑：易基圣］

Effects of steering speed on the turning performances of ships

CHEN Fang1，HU Xiaofang2，JIN Yingcun2
1 Naval ArmamentDepartment of PLAN，Beijing 100841，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

By assuming that steering would not cause the drop in ship velocity，this paper applies K-T formula to analyze the turning performances of ships under different steering speeds，and finally reveals the relationships between the diameter，advance，transfer，tactical diameter and steering time.Using non-linear maneuvering equation，numerical simulations of turning motion with different steering speed are firstconducted for a cert ain ship，and the counterpart for ship swith the same turning performances and velocity but different length are then presented.The results from theoretical solution and numerical simulation both indicate that the diameter does not change with steering speed，but advance，transfer，tactical diameter all decrease with the increase of steering speed；moreover，the shorter the ship is，the more notable the effect willbe.

steering speed；turning performance；advance；transfer；tactical diameter

U661.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.008

2014-11-12网络出版时间：2015-7-28 17:25:28

陈放，男，1963年生，博士，高级工程师。研究方向：舰船建造胡晓芳（通信作者），女，1979年生，工程师。研究方向：船舶装置与舾装设计。E-mail：5795808@qq.com金迎村，女，1970年生，高级工程师。研究方向：船舶装置与舾装设计。E-mail：mickey_cl@163.com