49 500 载重吨散货船襟翼舵的性能优势

林浩东

(宁波海运股份有限公司,浙江 宁波 315020)



49 500 载重吨散货船襟翼舵的性能优势

林浩东

(宁波海运股份有限公司,浙江 宁波 315020)

选取采用常规舵的47 500 载重吨散货船和使用襟翼舵的49 500 载重吨散货船这2种不同形式舵叶的相近船型，进行操纵性能的对比。通过试验证明，襟翼舵比常规舵在船舶操纵性能上更具优势，从而进一步说明襟翼舵能够提升船舶的安全性和经济性。

襟翼舵；操纵性；经济性；回转试验；Z性试验

0 引言

随着船舶朝大型化方向发展，其操纵性越来越受到了人们的重视。

常规舵只有在来流速度作用下才能为船舶的操纵转向提供足够的回转力矩和舵力。一旦船舶在限制航道航行时航速会下降或者遇到相对来流过小时舵就无法发挥正常的舵效。

船用襟翼舵较好地解决了常规舵这一缺陷。它能够在限制航道或较低航速时提供更好的舵效以保证船舶具有足够的操纵性能。所谓襟翼舵，就是将舵叶按一定比例分成一定规律相对转动的主体和尾翼，通过传动机构使主体和尾翼之间有一个夹角，使舵面形成一个拱度。当主体与普通舵在同一角度下，襟翼舵所达到的升力随着拱度的增大而增大。

本文选取采用常规舵的47 500 载重吨散货船和使用襟翼舵49 500 载重吨散货船这2个主尺度和载重吨较为接近的船型进行对比，通过回转试验和Z形试验,结果显示襟翼舵具有更好的舵效。

1 襟翼舵的特点和组成

当襟翼舵处于零位时，舵叶呈对称机翼剖面，保证了船舶的航向稳定，同时不增加船舶直航时的阻力。但当襟翼舵离开中位以后，就变得与变拱度机翼相似。由于尾翼的作用，同具有对称机翼剖面的普通舵相比，襟翼舵的制刹作用和转船力矩均有很大程度的提高，从而大大改善了船舶的应舵性能和回转性能。

由于船体线型原因，2种舵的类型不同，常规舵为半悬挂舵，襟翼舵为悬挂舵。其结构图见图1。

常规舵舵系组成为舵机、上舵承、下舵承、舵杆、舵叶。襟翼舵舵系由舵机、上舵承、下舵承、舵杆、舵叶(由主体和尾翼组成)、传动装置、连接套筒组成。与常规舵相比，襟翼舵增加了连接套筒、传动装置、主舵叶和尾翼之间连接用的铰链装置。

襟翼舵舵叶主体和尾翼用铰链装置连接，通过传动装置带动尾翼转动。当主体转动一个δ角时，尾翼绕连接铰链的中心轴向相同一舷转出一个β角度，两者转动的方向是一致的，但尾翼的转动角度比主舵的转角大。这样就相当于增加了舵剖面的拱度，从而产生更大的流体动力，提高了转船力矩和舵效。连接套筒是将上、下舵承用结构件进行连接，并形成一个整体的构件。上、下舵承内孔的镗孔加工，可以在同一次夹装工艺后完成，保证了上、下舵承的同心度，然后焊接到船体上。这种设计可以有效地保证下舵承与舵杆的间隙要求，同时舵杆衬套采用水润滑、自润滑的合成材料制造，下舵承无需加润滑油，减少了润滑油对海水的污染。

2 襟翼舵与常规舵的性能对比

2.1 船舶主尺度及舵要素

47 500 载重吨散货船于2012年建造完成，船模试验在上海船舶研究所的操纵水池进行，试验时间为2010年11月1日。49 500 载重吨散货船为在建船，装有襟翼舵，船模试验时间为2015年8月，在702研究所的耐波性/操纵性水池进行。

这2个系列船实船主尺度相同。总长LOA为199.99 m，吃水T为10.7 m，船宽B为32.26 m，设计航速V为13 kn。唯一不同的参数是垂线间长LPP，49 500 载重吨散货船为194.50 m，47 500 载重吨散货船为192.00 m，其数值也相当接近。

2艘散货船的操纵性自航模试验包括设计吃水和压载吃水状态下的回转试验、Z形试验、紧急制动试验，本文着重分析设计吃水状态下回转试验和Z形试验的试验结果。

舵要素的情况见表1。

表1 舵要素

一般情况下，舵面积的选取将直接影响船舶的操纵性能，其值可以利用舵面积A与机敏回旋半径ρ近似成反比关系来估算A，即A∝1/ρ。当然从估算关系来讲，舵面积越大舵效就越高，操纵性能就越佳，但是随着舵面积的加大而推舵功率随之增加，同样也会影响操纵性能。因此，通常可以认为在合理的舵面积下，估算关系是成立的。展舷比也是一个反应舵效的重要参数。在合理的范围下，通常可以认为展舷比较小则来舵较慢，操纵性能就相对较差。因此对比表1中的数据发现，2艘船舶主尺度相同，垂线间长相近，若在同样使用常规舵情况下，47 500 载重吨散货船的操纵性能应该比49 500 载重吨散货船更具优势。

2.2 试验结果比较

2.2.1 回转试验

回转试验的目的是确定船舶回转能力。在给定航速和舵角的情况下进行左、右回转运动试验，主要测量并记录船模重心轨迹。从测量的船模重心轨迹量取稳定回转直径DS、战术回转直径DT、回转纵距LM，通常对这些回转特征参量无因次化，表达成DS/LPP，DT/LPP，LM/LPP。

在设计吃水和设计速度相同情况下的测量数据结果显示，47 500 载重吨散货船在左满舵和右满舵状态下的数据分别为：DS/LPP=1.893和2.168，DT/LPP=2.398和2.697，LM/LPP=2.945和3.094；49 500 载重吨散货船在左满舵和右满舵状态下的数据分别为：DS/LPP=1.061和1.043，DT/LPP=1.747和1.665，LM/LPP=2.277和2.378。

对比上述2个回转试验的数据发现，在设计吃水相同状态下，使用常规舵的47 500 载重吨散货船的稳定回转直径DS约为2倍船长，而使用襟翼舵的49 500 载重吨散货船的稳定回转直径DS约为1倍船长。由于49 500 载重吨散货船的战术回转直径和回转纵距优于47 500 WDT散货船，所以在各种工况下的回转航程相对缩短，从而减少了油耗，提高了船舶操纵性能和经济性。

2.2.2 Z形试验

Z形试验的目的是确定船舶偏航纠正和航向角保持能力及初始回转能力。船模按预定航速直线航行达到稳定状态后，尽可能快速将舵转到右舷规定的舵角(右舵δ=+10°)。作为第1次操舵，δ成为执行舵角；当船艏偏离原航向ψ(ψ=10°)时，立即转舵到反向相同舵角(左舵δ=-10°)，作为第2次操舵，ψ称为换舵首向角。上述操舵后，船仍朝原方向继续回转，但回转角度速度逐渐减小，直到回转运动消失，然后向左回转；当船舶艏向偏离直航线达左ψ时，再操作右舵δ，作为第3次操舵。

国际海事组织(IMO)有关操纵性标准规定：以±10°/±10° Z形试验的ψov1和ψov2，以及±20°/±20°Z形试验的ψov1和ψov2作为船舶航向纠正和航向保持能力的参数。而±10°/±10° Z形试验的无因次初纵距L10作为评价船舶初始回转能力的参数。

船舶Z形试验显示，设计吃水相同状态下，47 500 载重吨散货船的L10分别为1.664和1.420，小于IMO标准值2.5；49 500 载重吨散货船的L10分别为1.110和1.012，不仅小于IMO标准值2.5，也小于使用常规舵的47 500 载重吨散货船的值。

同样，也是在设计吃水相同的状态下，装有襟翼舵的49 500 载重吨散货船在-10°/-10°的舵角下的超越角分别为ψov1=11.95°和ψov2=19.88°，+10°/+10°舵角下分别为ψov1=11.93°和ψov2=19.63°；装有常规舵的47 500 载重吨散货船在-10°/-10°的舵角下的超越角分别为ψov1=6.8°和ψov2=16.8°，+10°/+10°舵角下的超越角分别为ψov1=8.1°和ψov2=20.8°。

从测量的数据结果分析，装有襟翼舵的49 500 DWT散货船的ψov1和ψov2要大于装有常规舵的47 500 DWT散货船，说明在操舵后，襟翼舵使船体保持了更大的角速度。另外，从试验的时间曲线看，襟翼舵的船艏滞后时间明显小于常规舵，而且初始回转能力L10明显优于常规舵。49 500 DWT散货船的初始回转纵距约为1倍船长，而47 500 DWT散货船约为1.5倍船长。

3 结语

综上所述，襟翼舵使得49 500 DWT散货船具有更好的舵效，极大地提高了船舶操纵性能。稳定回转直径和初始回转直径的减小，在改善船舶避让性能，提高航行安全的同时，大大地缩短了船舶转向所航行的距离；在起锚航行时，能够更短时间，更短距离地达到所需航线，无形之中减少了油耗，提高了经济效益。而且由于襟翼舵存在传动机构，所以一般会再增设假舵，即增加了船舶纵中剖面尾部的剖面面积，从而有效地提高了船舶的航行稳定性，使其在海上航行需要保持航向时具有相当大的优势。

目前，国家正在部署建设综合立体交通走廊，打造长江经济带，研究推广江海直达船型，鼓励发展节能环保船舶。海船进江，船舶稳定性、强度、安全等方面没问题，但是江水较浅，航道狭窄，船只数量大，而且航速相对较低，这时候常规舵的舵效就无法正常发挥。使用襟翼舵能够很好地改善上述状况，不但能够保证航行稳定，而且可以提高船舶的操纵性能，很大程度保证船舶的安全航行。

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[2] 郭春雨,杨晨俊,马宁.襟翼舵的敞水及桨后水动力性能研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2008,36(11):108-111.

[3] 赵琦.襟翼舵水动力性能及设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[4] 黄昊.民用船舶常规舵系设计的比较分析[D].上海：上海交通大学,2012.

2016-10-19

林浩东(1986—)，男，工程师，主要从事新船监造和机务管理工作。

U664.36

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