舵装置的优化设计

王 平，田 野，李安钰，刘睿伟

(渤海船舶重工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125004)

0 引 言

船舶操纵性是船舶的重要性能之一,与航行的安全性和经济性有着密切关系。从使用者的观点来看,船舶操纵所包含的内容复杂：靠离码头、系带浮筒、在狭窄水道内航行、风浪中操纵、紧急避碰、拖带船舶及海上救助等[1]。

在船舶设计过程中,应采取必要的措施使船舶满足一定的操纵性要求。长期以来,船体的主尺度和船型主要参数都是由稳性、排水量、快速性、总布置及横摇周期的要求决定的,几乎没有操纵性方面的考虑。操纵性主要通过设计合适的舵装置来保证。对一般的船舶,舵的设计已能够使其具有良好的操纵性；另一方面,限于操纵性研究发展的水平,缺乏精确预报操纵性的方法和评价操纵性的标准[2]。

近年来，随着航运市场的导向需求，船型变得越来越肥大，方形系数不断增加,单凭舵的常规设计经常无法保证船舶具有足够的操纵性能。这就需要在初步设计阶段对各方案进行操纵性能的计算预报及衡准核算,实现船型的快速性、操纵性甚至耐波性的综合权衡设计。

1 舵叶面积计算选取

在舵的设计过程中应考虑以下两点:

(1) 不同类型的船舶对操纵性的要求不同,设计时也应有不同的侧重。远洋船一般以航向保持性为主,对回转性要求不高。沿海船和进出港频繁的港作船对回转性有较高的要求。内河船受航道的限制应注意转艏性,同时需满足回转性的特殊要求。船体线型对直线稳定性与回转性的影响是矛盾的,为改善稳定性和跟从性,在回转性和转艏性方面往往需有所侧重。

(2) 舵与船体、螺旋桨组成有机的整体,须考虑其相互作用,尽可能达到降低航行阻力、提高推进效率的目的。

舵装置设计的重要内容是对舵的几何要素及形状的正确选择,其是使船舶具有优良操纵性的保证。

舵装置面积的正确选定是舵设计的重要内容。舵叶面积增大对提高船的回转性和直线稳定性有益,因此其是使操纵性得到全面改善的主要因素。但是，舵叶面积过大将增加舵机功率、舵设备质量和所占空间,船舶航行阻力也有所增加,且舵高受船尾空间限制, 当舵叶面积大到一定程度时,会由于需要保证足够的强度而使展弦比下降,反而使舵效率降低。船模试验表明,当舵叶面积大到一定程度后,对回转性的影响就不再显著。再者，舵的宽度也不宜伸出船体掩蔽范围。因此，选取合适的舵叶面积既可满足最基本的规范要求和船舶所有人的通用要求，也可使船厂节省建造成本，是需要研究解决的问题。

在查阅规范、设计手册和相关参考资料后，总结主要的舵叶面积计算选取方法共有7种，如表1所示。

表1 舵叶面积计算选取方法

在确定船型主要参数后，根据上述7种方法，以“渤船”第五代苏伊士型油船为例，计算其舵叶面积。

1.1 母型船法

母型船设计经验及其与试验结果的对比是开发新项目的重要参考信息和设计基础。课题研究项目的开发设计参考渤船重工建造的第四代苏伊士原油船(BH517)和韩国某船厂15.2万 t油船。对渤船重工已建造的大型船舶的舵叶面积选取及航海试验操纵性试验结果进行分析发现，这些船舶的回转半径大多处于2.3～3.0倍船长。以BH517油船为例，船长为273.7 m，航海试验测试回转战术半径657.76 m(左)/692.07 m(右)，为船长的2.40/2.53倍(航海试验报告结果见图1)。这些试验表明，这些船型的舵叶面积均存在优化的空间。

图1 第四代苏伊士原油船(BH517)航海试验实测数据(回转试验)

BH517油船经过航海试验验证，报告结果显示其操纵特性良好，满足规范及船舶所有人的使用要求。另韩国某船厂建造的15.2万 t油船也为成熟船型，在国际市场上颇受好评，也具有良好的操纵性能。

使用母型船法进行舵叶面积换算公式为

(1)

式中：A为目标船的舵叶面积；L和d分别为目标船的船长和吃水；A0为母型船的舵叶面积；L0和d0分别为母型船的船长和吃水。

将数据代入式(1)得到计算结果如表2所示。

表2 母型船法的舵叶面积计算结果

1.2 IACS对散货船的推荐

为使船舶具有可靠的操纵性，IACS发布建议，对于船长为90 m或以上的无限航区单舷侧和双舷侧散货船，其可移动舵叶面积不小于式(2)的计算结果：

(2)

式中：Ar为推荐舵叶面积，m2；C1为系数，取0.9；C2为类型系数，取0.9；C3为形状系数，取1.0；C4为布置系数，取1.0；L为船长，取263.5 m；T为吃水，取17.15 m。

将各数值代入式(2)，计算结果为64.06 m2。

1.3 DNV推荐

DNV发布的《船舶入级规范》关于舵叶面积的推荐为直接作用在推进器后的舵总面积应不小于式(3)的计算结果：

(3)

式中：CB为方形系数，取0.814 4；L为船长，取263.5 m；B为船宽，取48 m；T为吃水，取17.15 m。

将各数值代入式(3)，计算结果为94.92 m2。其中，对于布置在螺旋桨后的舵装置，可将挂舵臂侧面积的一半计入舵叶面积。

1.4 图谱法1

船舶设计实用手册(舾装分册)[3]是舵装置设计的主要参考依据，在设计时可按照图谱确定舵叶面积。为满足IMO A.751(18)决议《船舶操纵性临时标准》要求，可按图2确定舵叶面积。

图2 图谱法1

船长L取263.5 m，船宽B取48 m，吃水d取17.15 m，方形系数CB取0.814 4，则可得图谱横坐标CB·B/L= 0.148 3，将该数据代入图谱可得纵坐标L·d/Ar=51.63，则Ar为 87.53 m2。

1.5 图谱法2

日本船舶设计手册推荐可以按照村桥、山田图谱选择舵叶面积，其图谱(见图3)以k=2·d/L为参数，以p=CB·B/d为横坐标。对此图谱分析可得：当p≤2.2时,曲线较平坦,所确定的舵叶面积可满足船舶前进3倍船长后艏向改变60°的转艏性要求；当p>2.2时,曲线急剧上升,此时按稳定性要求,即无因次的稳定性条件决定舵面积。

各参数的取值与图谱1相同，得到k为0.13、横坐标为2.28，查图谱得纵坐标Ar/(L·d)=0.016，则Ar=72.3 m2。

图3 图谱法2

1.6 图谱法3

在日本船舶设计手册[3]中，从确保船舶航行稳定性角度出发，舵叶面积可按如图4所示的图谱确定。

各参数的取值与图谱1相同，得到横坐标为2.80，纵坐标CB·B/L=0.148，查图谱得Ar/(L·d)=0.017 5，则Ar=79.1 m2。

1.7 图谱法4

在日本船舶设计手册[3]中，从确保船舶具有良好的回转特性角度出发，舵叶面积可按如图5所示的图谱确定。

各参数的取值与图谱1相同，得到k为0.13、横坐标为2.28，查图谱得纵坐标Ar/(L·d)=0.014 95，则Ar=67.56 m2。

图4 图谱法3

图5 图谱法4

1.8 舵叶面积选择

按照计算公式和图谱得到的舵叶面积如表3所示。

表3 舵叶面积计算对比

对比发现，出发点不同，得到的计算结果差异较大。这就需要综合各种要求选择适用于本项目的数据。

此次研究项目为“渤船”第五代苏伊士船型，因此与第四代设计方案(舵叶面积)进行优化。对比发现，本项目的主尺度等各主要参数与韩国某船厂建造15.2万 t油船非常接近，因此选择韩国某船厂建造15.2万t油船的舵叶尺寸作为开发设计基础数据。该型船为韩国船厂近些年来建造的成熟船型之一，操纵性可满足国际船舶所有人的通用要求和惯例。

将此舵叶数据提供给水池方，经过模拟计算后发现，该方案可满足本项目的开发使用要求。但是，水池方提出一个新的理念：考虑(半)平衡舵，将15°舵角工况(水池方认为船舶在实际营运过程中最多的操舵工况)下，舵机负荷(扭矩)尽可能降至最低。水池方给出优化方案：增加舵叶在舵杆轴线前部分(平衡)面积，将图6中舵叶底部艉垂线前部的尺寸(BD1)由原来的2 000 mm增加至2 050 mm。优化后的方案在15°舵角工况下，舵机负荷(扭矩)降至0.76 t·m。具体数据对比如表4所示。

表4 舵叶面积优化前后舵机扭矩对比

综上所述，最终舵系布置及舵叶尺寸选定如图6和图7所示。

图6 优化后舵系布置

图7 优化后舵叶尺寸

2 舵系受力计算

(1) 船舶主要参数如表5所示。

表5 船舶主要参数

(2) 舵系参数。舵型式为半悬挂平衡舵/ NACA-00 系列。

舵叶面积(包括挂舵臂100%)为

At=AR+100%Ah=93.7 m2

(4)

舵叶面积(包括挂舵臂50%)为

At50=AR+50%Ah=86.0 m2

(5)

式(4)和式(5)中：AR为舵叶面积(不包括挂舵臂)，取78.3 m2；Ah为挂舵臂面积，取15.38 m2。

舵叶面积比(包括挂舵臂)为

Rt=At/(L·T)= 2.07%

(6)

舵叶面积比(不包括挂舵臂)为

R=AR/(L·T)= 1.73%

(7)

舵平衡比为

R=(A1f+A2f)/AR=26.24%

(8)

(3) 舵系按照相关规范计算[4-7]。

① 受力计算：

正车时舵叶受力为

(9)

倒车时舵叶受力为

(10)

代入数据得正车时舵叶受力为3 657 655 N，倒车时舵叶受力为665 028 N。

② 扭矩计算：

正车时舵叶扭矩为

MT=M1+M2=PL1·xp1+PL2·xp2

(11)

缺口下部分受力为

PL1=PL·A1/AR

(12)

缺口上部分受力为

PL2=PL·A2/AR

(13)

缺口下部分受力臂距为

xp1=bR1(α1-k1)

(14)

缺口上部分受力臂距为

xp2=bR2(α2-k2)

(15)

式(14)和式(15)中：bR1为缺口下部分平均宽度，bR1=A1/h1=7.330 m；bR2为缺口上部分平均宽度，bR1=A1/h1=5.309 m；k1为缺口下部分平衡系数，k1=A1f/A1=0.345 1；k2为缺口上部分平衡系数，k2=A2f/A2=0.123 3；正车时α1为0.25、α2为0.33，倒车时α1为0.55、α2为0.66。

代入数据得正车时舵叶扭矩为-102 629 N·m，倒车时舵叶扭矩为1 332 893 N·m。

规范要求舵受到的最小扭矩MTmin为

MTmin=0.1PL(bR1·A1+bR2·A2)/AR

(16)

代入数据得正车时最小扭矩为2 405 426 N·m，倒车时最小扭矩为437 350 N·m。综合各工况计算结果，将扭矩MT=2 405 426 N·m作为舵机选型的基础依据。

在保证船舶操纵性能的情况下，“渤船”第五代苏伊士船型舵装置优化设计结果(舵叶受力和扭矩)对比如表6所示。由表6可知，优化后舵叶受力降低2.4%，舵叶扭矩降低5.2%。

表6 舵叶优化前后结果对比

3 分析和总结

从船舶操纵性对舵叶面积的要求出发，对多个舵选型公式进行研究和对比，优化舵叶面积的计算和选取，减小舵叶面积，从而达到降低舵机、舵杆等设备选型的要求，并总结适合船型研发阶段舵系的设计流程：在参考同类型先进船型信息的同时，结合规范要求和水池方意见，最终确定舵装置设计参数。如果该船型在某些操纵性方面具有特殊要求，则参考相关设计要求。该设计流程可在较大程度上提高工作效率和质量，提高船舶建造的经济性和船型的市场竞争力，为快速研发新船型提供支持。