散货船操舵试验舵计算及参数分析

闫 焱，卢晓翔

（上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913）

0 引言

散货船在试航时是在压载状态下进行操舵试验的，根据规范要求，需采取转换计算的方法提供出等效于舵叶全浸没状态下的受力与力矩，然后再对试验结果与理论计算相比对。但这一步很多时候只是一个流程，如果真出现比对不满足要求的情况则会显得一筹莫展。本文对转换计算进行介绍，研究比对了一些参数的选择，并对特殊情况进行进一步分析和解决。

1 与规范相关内容简介

SOLAS规范第Ⅱ-1章C部分第29条第3段[1]：“3.主操舵装置和舵杆应：

1）具有足够强度，并能在验证的最大营运前进航速下操纵船舶；

2）能在船舶最深航海吃水和以最大营运前进航速前进时将舵自一舷35°转至另一舷35°，以及于相同条件下在不超过28s内将舵自一舷35°转至另一舷 30°；

3）动力操纵，以必要时满足本条3.2的要求，以及在任何情况下主管机关要求舵柄处的舵杆直径超过120mm时（不包括冰区加强）的要求；和

4）设计成在最大后退航速时不致损坏；但是这个设计要求不需要用最大后退航速和最大舵角的试航来验证。”

IMO安委会第92次会议的修正案35相关部分3.5[2]：“3.5当船舶不能满足3.2最深航海吃水和以最大营运前进航速前进要求时，以下方式中的一种是可以接受的：

1）试航时在主机最大持续转速和最大设计螺距下船舶舵叶全部浸没；或

2）当试航时舵叶不能做到全部浸没的情况下，需根据在试航装载情况下的实际舵叶浸没面积推算出适当的前进航速，用这个计算航速推算出舵机的受力和扭矩，受力和扭矩的大小至少要最深航海吃水和在主机最大持续转速和最大设计螺距下一样大；或

3）需根据试航装载情况下的舵受力和扭矩适当预测或推算到满载情况，此时船舶航速应该在主机最大持续转速和螺旋桨最大设计螺距下。”

2 全浸没状态下舵计算（以82K散货船为例）

2.1 舵受力计算

基本数据如图1所示，计算过程和参数选取说明见文献[3]和文献[4]，文中不再详述。

舵受力

2.2 舵扭矩计算

3 试航状态下舵计算

根据试航时尾吃水数据，计算出舵浸没在水下的部分面积，应用以上公式，推算出试航状态下舵受力及扭矩数值。试航状态下尾吃水 7.40m，舵叶底部距基线0.20m，舵浸没高度7.20m。见图2。

图1 82K散货船舵叶结构尺寸

图2 试航状态（压载状态）舵叶面积计算

3.1 实际舵受力计算

舵受力Cr=132AV2K1K2K3Kt

速度V=15.957(kn)（根据航速报告中速度曲线取值，4.1详述）

实际

3.2 实际舵扭矩计算

3.3 舵机在实际试航状态下的实际压力值

结论：舵机在操舵试验中读出的压力数值不应超过 6.2MPa，即

4 参数分析

4.1 舵机受力计算中速度V的选取

根据舵受力计算公式Cr=132AV2K1K2K3Kt，其中Cr和V2成正比关系，速度越大，计算出的舵受力越大，因此V的取值非常重要。

在全浸没状态舵系计算中，速度V取船模试验中结构吃水下的最大理论值14.9kn；在实际压载状态下，应该根据航速报告取实船压载状态下主机全速时的最大航速，而不是操舵试验时的记录速度，因为这个速度受外界风浪流影响，并不能较准确的反映实际航速（见图3）。

图3 82K散货船航速曲线

根据图3所示，实际操舵试验时V取15.957kn。

4.2 舵机操舵试验中压力读取

由于最终要对试验压力和计算压力进行比对，确认试验压力数值也很重要。

有些舵机厂家在泵站和执行机构处均设立了压力表，在操舵试验过程中，两处压力表均有读数，且由于阀组中的压力损耗问题，泵站会比执行机构处压力高，那实际核实时应该以哪一处的压力读数为准呢？根据各船级社规范描述，对压力的要求均指在执行机构处的压力。因此，两处压力表数值应以执行机构处为准。

由于压力表一般为指针式显示，指针在运动中会有一定的惯性移动，因此读数时需读取一个基本稳定的最大值。

4.3 实际扭矩计算方法的不足及许可部分误差

注意到在实际受力和扭矩计算时仅计算了浸没在水面下的部分，而水面上还有部分裸露面积并没有考虑在内，而实际试航过程中也受到风和浪的作用力，但这部分的受力计算无明确的计算方法，扭矩也无法简单叠加在水面下浸没部分的扭矩上，所以实际计算结果还是偏小了。

根基舵机压力和扭矩的正比关系，这样计算压力Pcal也是比实际值小了。因此，试验实际数据Ptest如果比Pcal略大，是应该在接受范围内的。但这个范围是多大，个人以为5%左右的误差许可的，这需看船级社的判断。

4.4 实际扭矩的最终判断

以上是从理论上得到压力数据的计算方法，但实际试航过程中受海况的影响，如果瞬时有个较大的冲击力作用在舵叶上，可能会的出实际试验压力Ptest大于计算压力Pcal，但这也不能完成否定舵机的能力，要根据有效的舵机输出扭矩作最终的判断。

这又要回到起点，操舵试验的条件：以最深航海吃水和最大营运前进航速前进。

在船舶载货后，以舵叶全浸没的状态，主机最大持续转速下前进，在此状态下，测量舵叶扭矩，测量扭矩Tmeasure应小于最大工作压力下舵机扭矩T。

这种扭矩测量的判断的方案是最终的手段，因为散货船在试航时是无法实现舵叶全浸没的（不装货情况下如果配载至舵叶全浸没，船舶剪力在许可值95%以上，非常危险），只能在实际运行中实现，而舵机如有问题船舶又无法营运，这里有个矛盾。

4.5 临时的降速方案

为解决上述矛盾，可以用一个降速的临时方案，待船舶营运载货后进行实际扭矩测量。

假定Pactual=7.5(MPa)且Pcal=6.2(MPa)

压力与扭矩是正比关系，扭矩又与速度平方有正比关系，即：

代入不同的压载状态下的航速，得出不同状态下的限速，以服务航速为例：

实际服务航速Vsev=14.92(kn)（图3）

即船舶不以超出13.6kn航行时，舵机压力不会超过最大工作压力，可以安全运行。

5 总结

本文从规范入手，提出了散货船操舵试航需要做一些理论计算的工作，并根据规范要求介绍了舵受力和扭矩计算的过程，以及实际操舵试验数据与理论计算数据的比对方法。文中特别指明了试验参数获取中的注意点，对一些特别的情况作了分析和应对。当然，也提到一些计算中的不足，一些数据的处理可能大家也有自己的理解，希望规范在这方面能有更多的补充和解释，为大家的工作提供明确的理论支持。

[1]IMO, SOLAS 2009 Chapter Ⅱ-1, Part C, Regulation 29[S].2009.

[2]IMO, IMO MSC 92/96/add.2 annex 35[S].2013.

[3]IACS, Common Structural Rules for Bulk Carriers Chapter10, section 1[S].2006.

[4]船舶设计实用手册编委会, 船舶设计实用手册, 舾装分册, 北京, 国防工业出版社, 2013.