极地航行船舶舵系设计研究

丁 标 傅鑫建 黄 娟

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

随着全球气候变暖，海水融化，航运里程的缩短和航运成本的降低，资源和航道从潜在利益变成了现实利益。这使得北极通航成为国际海事的热点之一，极地航行船舶引起了更多关注。

航行于开阔水域的船舶舵系主要承受舵叶在一定的舵角下相对于水流的水动力载荷，而航行于冰区船舶舵系需要额外考虑冰层挤压载荷。因此，如何确定舵系的形式，对舵系冰载荷受力进行分析，设置合理的保护措施使舵系免受冰载荷的破坏，成为冰区舵系设计的关键点。本文结合上海船舶研究设计院承担详细设计的极地重载甲板运输船的舵系设计，总结极地航行船舶舵系布置特点，介绍极地舵系强度校核方法。该船取得挪威船级社（DNV）PC3冰级符号并满足俄罗斯船级社（RMRS）Arc7的要求。

极地重载甲板运输船舵系主要参数如下：

1 极地航行船舶舵系布置特点

1.1 极地航行船舶舵系支撑布置

极地航行船舶舵系在冰载荷作用下，舵销的支撑力较常规船舶舵系大得多。如果采用悬挂舵或者半悬挂舵的布置方式，舵杆将承受巨大的弯曲和扭矩，舵杆的尺寸将会增大到难以布置和安装。对于高冰级船舶的舵系，舵叶宜采用多舵销的支撑方式，以降低单个舵销的支撑载荷。这种布置方式能将舵叶上的冰载荷更均匀地传递到船体结构上。表1是RMRS规范［1］对冰区航行船舶舵销数量的规定。但是对于Arc7冰级船舶，经过船级社同意，舵销可减至2只，因此极地重载甲板运输船舵系设置2只舵销，舵系布置如图1所示。当冰带作用于舵叶时，就会形成多点支撑舵叶的力学模型，冰载荷通过舵销传递到挂舵臂，舵杆只承受转舵时的扭矩，不承受弯矩，大大降低了舵杆直径。

表1 RMRS规范对冰区航行船舶舵系支撑的要求

图1 极地重载甲板运输船舵系布置

1.2 极地航行船舶舵系冰刀布置

当船舶处于倒车工况时，舵叶后缘会直接与冰带接触，导致舵叶上载荷急剧增加。为避免倒车工况冰载荷对舵叶的破坏，在舵叶后缘设置冰刀以吸收倒车工况下大载荷。冰刀应与船体强结构形成有效连接，冰刀的尺寸与冰层等级有关，冰刀应延伸至船舶最低冰载水线以下一定的深度。根据DNV规范［2］的要求，冰刀的深度应不小于 0.8 hice（hice为名义层冰厚度），见表2。以极地重载甲板运输船为例，与PC3冰级相当的ICE-15冰级冰厚为1.5 m，则冰刀从最小冰载水线以下的深度应不小于1.2 m，冰刀的实际深度为1.3 m。冰刀布置如图2所示。

表2 DNV冰级基本参数

图2 极地重载甲板运输船冰刀布置

1.3 极地航行船舶转舵机构保护措施

极地航行船舶的操纵性能比常规船舶要求高，因此舵系的转舵机构的有效扭矩要比常规船舶大。为避免严重冰况下引起的舵杆过载扭矩对转舵机构的破坏，转舵机构的有效扭矩也不能无限制地增大，而且转舵机构液压系统需要设置压力释放阀。当系统压力超出设定压力时，系统自动卸荷。IMO的POLAR CODE并未对极地航行船舶的转舵机构的有效扭矩及压力释放阀的泄放能力做出具体的规定。但DNV规范则按照其冰级符号给出了具体的要求，详见表3和表4。

1.4 极地航行船舶舵叶机械限位

为了防止舵叶在过载冰载荷情况下，舵扭矩超过转舵机构的有效扭矩而发生过度转动，需要在最大转舵角位置设置舵叶的机械限位，通过机械限位吸收过载冰载荷并传递到挂舵臂或者船体上。极地重载甲板运输船采用将限位块与舵叶上舵销承座做成一体的型式（如图3所示）。当舵叶转到最大舵角时限位块与挂舵臂贴合，防止舵叶继续转动。另外也可以将限位块设置在船体上［3］，如图4所示。

表3 DNV冰级对转舵机构有效扭矩的要求

表4 DNV冰级对转舵机构压力释放阀泄放能力的要求

图3 极地重载甲板运输船舵叶机械限位

图4 安装在船体结构上的舵叶机械限位

2 极地航行船舶舵系强度计算

2.1 极地航行船舶舵系载荷情况

航行于冰区的船舶，转舵时舵系除了承受常规的水动力作用外，还要承受来自层冰挤压产生的冰载荷。IMO POLAR CODE规范中仅给出了船舶舵系等船体附件的强度要求，即应能承受与其连接的船体结构部位或其所处船体区域内位置上的作用力，但并未给出具体的计算方法；而RMRS和DNV则给出了较为详细的冰区舵系载荷计算方法。

RMRS规范主要是通过定义相应冰级符号的载荷因子来计算不同冰级下的舵力F3，计算相对简单明了，见式（1）：

式中：k3——舵力载荷因子，见表5；

基层培育体系建设是新型职业农民培育工作的根本保证，因此针对培育体系中的一些问题要采取针对性的措施，进一步完善基层体系建设。

A——舵叶面积，m2

表5 RMRS冰级舵力载荷因子

DNV规范则认为冰载荷是以等效于层冰的有效高度的冰带的方式作用于舵叶，因此冰载荷的大小与层冰的等级密切相关。舵力FR计算见式（2）：

式中：h——有效冰载荷高度，m，等于0.4 hice，hice见表2；

lr——舵叶剖面长度，m；

k——冰带的高度因子，计算详见DNV规范［2］；

FA——区域修正因子，对于尾部区域取0.6；

σice——名义层冰强度，N/m2，见表2

以极地重载甲板运输船为例，该船取得PC3冰级符号并满足Arc7冰级要求。按照RMRS Arc7冰级计算所得舵力为1490 kN。由于POLAR CODE中没有给出详细的舵力计算方法，而PC3冰级与DNV的ICE-15冰级相当，以ICE-15冰级计算所得的舵力为2497 kN，比RMRS Arc7冰级要高很多。该船入级DNV，因此该船的舵系主要按照DNV ICE-15冰级要求进行强度校核。

2.2 极地航行船舶舵系计算模型

舵叶上的舵力产生的舵杆扭矩和弯矩、舵销支撑力以及挂舵臂弯矩的大小，与舵系的布置形式以及冰带作用在舵叶上的位置有关。根据DNV规范的要求，应采用直接计算方法获得上述支撑力和弯矩，并且冰带的作用位置应考虑对上述支撑力和弯矩最不利的影响。以极地重载甲板运输船为例，分6个工况对舵系进行直接计算，前5个工况为冰载荷工况，冰带作用在舵系的5个不同的位置，第6个工况为开敞水域下舵系载荷工况。冰载荷工况如图5所示。

图5 极地重载甲板运输船舵系计算模型

采用2D平面梁系对舵系进行直接计算。舵杆和舵销采用圆柱实体单元模拟，舵叶和挂舵臂采用箱梁单元模拟，单元剖面模数分别与舵叶和挂舵臂有效剖面模数一致。在舵机处对舵杆施加简支加扭转约束，在挂舵臂与船体连接处施加固定约束，在上下舵销与挂舵臂连接处做铰接处理。

经计算得到6个工况下对应的上下舵销处的支反力，如表6所示。从表6中可以看出，在LC2工况时上舵销支反力最大，LC5工况时下舵销支反最大；而且冰载荷下舵销的支反力远远大于开敞水域载荷下舵销的支反力。

表6 极地重载甲板运输船舵销支反力

极地航行船舶舵系中舵销、舵杆等组件尺寸的确定与常规船舶的计算方法一致，只要将相应冰载荷工况下计算得出的支反力代入规范中的公式即可。

2.3 极地航行船舶舵叶计算方法

按照规范要求，舵叶板厚应按照所处船体部位对应的冰载荷进行计算。极地重载甲板运输船按照PC3冰级船尾冰带和尾部下部区域的冰压计算舵叶板厚，要求的最小板厚treq见式（3）：

式中：tnet——抗冰载荷要求的板厚，mm；

ts——规范要求的腐蚀和磨耗增量，PC3级船尾部区域取值为2 mm

关于抗冰载荷要求的板厚，DNV规范［2］中有详细的计算说明，此处不再展开讨论。采用DNV Nauticus Hull软件进行计算，计算结果如表7所示。

表7 极地重载甲板运输船舵叶板厚计算

3 结语

通过对冰载荷和开敞水域舵系载荷的计算和结果分析可以看出，冰区航行船舶舵系承受的载荷远远大于开阔水域的载荷，冰区船舶舵系设计的关键点在于保证舵系部件的强度能够承受上述较大载荷，并设置一定的保护措施使舵系免受破坏。另外，冰区舵系部件的材料性能以及相关密封件应满足低温环境下的要求。

关于极地航行船舶舵系强度计算方法，POLAR CODE没有给出具体的计算方法，而各船级社规范给出的计算方法的原理不同，且计算的结果也相差较大。希望将来在POLAR CODE中统一舵系强度的计算方法。