基于母型船偏差一致的舵面积估算方法

王志刚，周 旭

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引 言

舵系是决定船舶操纵性好坏的重要设备，在开发船舶初期，由于难以获得准确的操纵性试验数据，只能根据操纵性要求进行方案预估，其中舵面积是首先需确定的预选参数。尤其是当前绿色环保船型追求降本减排，舵杆到艉封板的空间非常有限，需在该范围内紧凑地布置一定大小的舵，因此需对舵进行合理预估，在保证船舶的操纵性满足要求的前提下，使艉部能紧凑地布置一定大小的舵。在此情况下，舵的预选设计为艉部线型设计的高度相关因素。

1 船舶操纵性理论

为保证船舶能安全地航行，必须使其具有良好的操纵性。船舶的操纵性主要包括停船性能、小舵角转艏性能、航向稳定性能和大舵角回转性能。目前国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)对船舶操纵性的要求是2002年12月通过的MSC.137(76)决议《船舶操纵性标准》。该标准明确指出船舶的操纵性根据对船舶进行航行试验时分析的操纵性能指标考量[1]，这些指标包括：

1)回转性能，即回转试验中回转圈的纵距Ad和战术直径DT的大小(越小越好)；

2)转艏性能，即10°舵角下艏向相对初始航向偏离10°时船舶纵距的大小(越小越好)；

3)偏航纠正和航向稳定性能，即10°/10° Z 形操纵性试验的第一超越角和第二超越角的大小，以及20°/20° Z形操纵性试验的第一超越角的大小(越小越好)。

船舶的操纵性与其主尺度、线型和舵的设计密切相关[2]。但是，对于具有舵和推进器的海船而言，在船舶设计初期，在船型和主尺度确定之后，通过估算确定舵的大小，由此考虑满足操纵性的要求，以便开展线型设计等后期设计工作。在船舶线型设计完成之后，可通过经验预报、模拟计算和模型试验等方式进行操纵性预报，并在船舶建造完成之后进行实船操纵性试验，试验结果应满足上述《船舶操纵性标准》的要求。若后期对船舶的操纵性不满意，需对舵进行改进，甚至对艉部线型进行调整，工作量非常大。因此，在船舶设计初期，准确预估舵面积的大小至关重要。

2 舵面积估算方法

在船型和舵型确定之后，舵面积的大小一定程度上决定船舶操纵性的好坏。在选择舵面积过程中，常用的参数为舵面积比μ，其表达式为

(1)

式(1)中：A为舵面积大小，m2；L为船长，m；d为吃水，m。

针对不同船型的特点，在船舶设计初期，收集整理几种常用的舵面积估算方法。

2.1 船舶入级规范要求的舵面积

挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)和德国劳氏船级社(Germanischer Llogd,GL)都曾在规范中给出最小舵面积的计算公式。2006年1月,国际船级社协会(International Association of Classification Societies,IACS)在《油船散货船共同结构规范》中给出了可动舵叶面积的最小值[3]。DNV的《船舶入级规范》曾规定，直接安装在推进器后面的舵(单舵或多舵)的总面积A应不小于按照下述公式计算得到的值，即

(2)

对于需在运河、港湾和其他狭窄水道内频繁地机动航行的船舶，应在式(2)确定的舵面积的基础上增加舵面积。若船舶设有流线型舵柱，则舵柱侧面积的1/2可计入舵面积。若船舶设有挂舵臂，则位于舵顶部水平线以下的挂舵臂的面积可计入舵面积。若舵不在推进器的水流正后方，则在式(2)计算给出的舵面积的基础上至少增加30%计入舵面积。具有特殊剖面或形状的高效舵(如襟翼舵和导流管等)可具有较小的舵总面积。若船舶具有大的干舷和高的连续上层建筑，则必须考虑增加舵面积。

2.2 村桥法

对于采用普通单桨单舵的散货船、油船及其他货船而言，可按设计船的Cb(B/d)和k=2d/L的值，查阅村桥法图谱(见图1)得出舵面积比μ=A/(Ld)[4]。

图1 村桥法图谱

2.3 山田村桥法

对于采用单桨单舵的肥大型船(L/B=6.0～6.5，Cb>0.8)而言，可由航向稳定性观点和回转性观点选择舵面积(见图2和图3)，由此决定可动舵面积比[4]，其中AR为可动舵面积，m2。

图2 从航向稳定性观点选择舵面积

图3 从回转性观点选择舵面积

2.4 小田法

对于万吨级以上油船而言，可根据设计船的Cb(L/B)值，查阅小田法图谱(见图4)求得舵面积比[4]。

图4 小田法图谱

2.5 风压侧面积法

风压侧面积法是按风压大小确定舵面积的方法。对于上层建筑和受风面积较大的船舶而言(如集装箱、滚装船和渡船等)，应由承受一定风压的观点选择舵面积[4]。图5为风速与航速之比小于4.5时仍能操船的舵面积，其中：a90为水上侧面积的形心到船中的距离与船长之比，以舯前为正；AY为船舶水线以上侧投影面积，m2。

图5 风压侧面积法图谱

2.6 基于公开方法的舵面积估算

收集整理系列散货船、油船、矿砂船、集装箱船和滚装船的主尺度及舵面积等参数。这些船舶均采用半悬挂舵，选用的舵面积均为可动部分的舵面积，且都已完成实船操纵性试验，证明船舶实际的操纵性能良好。采用上述2.1～2.5节的估算方法进行舵面积估算，并将所得结果与实际舵面积相对比，偏差见表1和2，其中舵面积偏差等于计算舵面积与实际舵面积的差值与实际舵面积之比。

表1 散货船、油船和矿砂船等低速肥大型船的舵面积估算偏差 单位：%

从表1和表2中可看出，采用上述方法估算的舵面积偏差普遍较大，且偏差因船型的不同而波动较大。分析原因，主要在于这些图谱公开的时间比较早，是基于早期船型和舵数据统计归纳而来的。当前，无论是船型还是舵均有所改进，尤其是舵叶的形状得到了优化，使得舵效相比以往有所提高，满足相同操纵性要求的舵面积减小。DNV入级规范中的舵面积公式原来是作为指导性统计归纳性公式的，已于2009年1月取消，这意味着在能保证操纵性的前提下，设计者有了较大发挥空间[5]。

表2 集装箱和滚装船等侧面积较大型船的舵面积估算偏差 单位：%

另外，从表1和表2中还可看出：小田法对散货船、油船和矿砂船等低速肥大型船的估算偏差相对较小；风压侧面积法对集装箱和滚装船等侧面积较大型船的估算偏差相对较小。

3 基于母型船偏差一致的舵面积估算方法

首先，根据船型特点选择合适的基础估算方法。对于散货船、油船和矿砂船等低速肥大型船，选择小田法作为基础估算方法；对于集装箱船、滚装船和兼装集装箱的多用途船等侧面积较大的船舶，选择风压侧面积法作为基础估算方法。

然后，选择船型和主尺度与设计船接近的母型船。利用基础方法估算其舵面积比μ0，并将所得结果与实际值相对比，偏差为δ0(δ0等于估算舵面积比与实际舵面积比的差值与实际舵面积比之比)。利用同样的基础方法估算设计船舵面积比μ1，并利用母型船的估算偏差进行修正，得到设计船的舵面积比μ为

μ=μ1·(1-δ0)

(3)

最后，分别选择不同类型的已建造船舶，按基于母型船偏差一致的方法进行舵面积预估，并将所得结果与实际值相对比，最终误差见表3，其中：82 000载重吨散货船、209 000载重吨散货船和311 000载重吨超大型油船选择小田法作为基础估算方法；19 000 TEU集装箱船和3 800车汽车滚装船选择风压侧面积法作为基础基础估算方法。

表3 基于母型船偏差一致法的估算误差 单位：%

由表3可知，基于母型船偏差一致法估算的误差相比基础方法大幅度减小，且对于不同船型而言，误差比较稳定。由此，可基于该方法，在船舶设计初期准确预选舵面积大小，保证船舶具有良好的操纵性。

4 结 语

本文提出了一种基于母型船偏差一致的方法，在船舶设计初期对舵面积进行估算。相比现有的舵面积估算方法，该方法能准确预估舵面积，可靠地保证船舶具有良好的操纵性，为船体型线及后续设计提供参考，大大降低后期修改的风险。该方法的关键在于基础方法和母型船的选择。基础方法要选择适合设计船的船型、偏差小的方法。对于母型船的选择，应尽量选择船型和主尺度与设计船接近的船舶。