民用船舶减摇鳍规范适用性分析

于洋,黄昊,朱艳,刘晓琼

(中船邮轮科技发展有限公司,上海 200137)

1 常用减摇鳍设计规范标准

1.1 GJB2860A-2020

该标准属于中国军用规范,全称为《舰船减摇鳍装置通用规范》,起草单位为中船704所及其军事代表室,由中央军委装备发展部于2021年1月发布用于替代GJB2860-1997(已作废),规定了军用水面舰船减摇鳍的基本技术要求、质量保证、交货准备等,适用于军用水面舰船减摇鳍的设计、制造、验收,相对GJB2860-1997增加了可靠性、维修性、测试性、保障性、环境适应性的内容,质量一致性检验也由不分组修改为分为两组进行检验。是目前国内已经发布的有关减摇鳍设计内容较为详细的一个标准。

1.2 LR《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》

该规范是英国劳氏船级社(LR)制定的军船入级规范,其中章节:“船舶控制系统”对军用水面舰船减摇鳍装置的布置、部件受力计算等技术要求做出了较为详细的规定,是目前国外船级社已经发布的有关减摇鳍设计内容较为详细的一个规范。

1.3 DNV-ST-0309

该标准由挪威船级社(DNV)于2020年3月发布,全称为《船舶减摇装置系统》(Vessel motion stabiliser systems)。该标准规定了减摇鳍的技术设计要求、认证要求、风险评估指南,列举了减摇鳍关键部件、总结了各种机械故障失效情况、提出了对减摇鳍后续维护服务的建议。该标准为减摇鳍提供了统一要求以提高减摇鳍的质量和可靠性。

2 对比分析

2.1 布置相关要求

1)GJB2860A-2020。布置减摇鳍时应使鳍轴轴线OO1与 OG(鳍压力中心O和船重心G间的连线)的夹角不大于15°;沿船体纵向,鳍的位置应在第7号至第13号理论站之间。鳍轴中心线距船首或船尾原则上应不小于三分之一船长,若沿纵向布置两对鳍,则前后鳍鳍轴中心距离一般不小于鳍叶平均弦长的十倍;鳍横剖面中心线与设计航速下形成的船体流线一致时鳍位为零位[1]。

2)LR《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》(后文统称为LR-RN)。减摇鳍应布置在水密舱壁之间;收放式减摇鳍的所处的水密舱段的首尾水密舱壁距减摇鳍鳍轴中心线应不小于此长度(鳍轴末端至鳍叶末梢的长度)[2]。

3)DNV-ST-0309。鳍箱拟定布置位置时应综合考虑其布置处所的水密舱段进水风险。风险分析应考虑减摇鳍所处水密舱段进水对该舱段其他重要设备产生的后果和对船舶安全造成的影响。如果分析结果显示不利状况发生概率较高,则减摇鳍应布置于独立水密舱段,且鳍箱应与最近的船体水密舱壁“距离合适”[3]。

通过上述规范对比可以发现:GJB2860A-2020对减摇鳍布置位置要求较为具体,该规范对布置的要求旨在使减摇力臂最大化且尽可能减小鳍叶对航速的影响;LR-RN对减摇鳍距其所处水密舱段首尾水密舱壁距离的要求,旨在尽可能减少减摇鳍损坏时对该水密舱段造成的影响,该要求对船体舱段划分影响较大;DNV-ST-0309仅对减摇鳍布置位置有概述性要求,对设计人员的约束程度相对较低。

2.2 鳍叶、鳍轴相关计算方法及要求

1)GJB2860A-2020:无具体要求。

2)LR-RN。

(1)鳍叶受力FF。LR建议鳍叶受力由减摇鳍设计方提供。

(2)鳍叶转矩QF。

鳍正车工况下转矩可按下列公式确定。

QF=FF×xPF

(1)

式中:FF为鳍叶受力,kN;xPF为鳍轴中心线与鳍叶压力中心间水平距离,m。

鳍倒车工况下转矩可按下列公式确定。

QF=FF×xPA

(2)

式中:FF为鳍叶受力,kN;xPA为鳍轴中心线与鳍叶压力中心间水平距离,m。

(3)鳍叶弯矩。

对于鳍叶弯矩MF,可按下列公式确定。

(3)

式中:FF为鳍叶受力,kN;y1,y3,x1,xu为鳍叶相关尺寸,m,见图1。

图1 减摇鳍尺寸图

(4)鳍轴直径(转鳍鳍柄处)dFU。

该直径不应小于下列公式计算值。

(4)

式中:QF为鳍叶扭矩,kN·m;k为材料系数。

(5)鳍轴直径(轴承处)dF。

该直径不应小于下列公式计算值。

(5)

式中:dFU为鳍轴直径(转鳍鳍柄处),mm;MF为鳍叶弯矩,kN·m;QF为鳍叶扭矩,kN·m。

(6)鳍轴等效应力σe。

鳍轴既承受转矩叶承受弯矩,其等效应力不应超过下列公式。

(6)

式中:k为材料系数。

鳍轴等效应力按下列公式计算。

(7)

式中:σb为鳍轴弯曲应力见式(8);τt为鳍轴剪切应力见式(9)。

鳍轴弯曲应力按下列公式计算。

(8)

式中,MF为鳍叶弯矩,kN·m;dF为鳍轴直径(轴承处),mm。

鳍轴剪切应力按下列公式计算。

(9)

式中,QF为鳍叶扭矩,kN·m;dF为鳍轴直径(轴承处),mm。

(7)鳍叶板厚。①鳍叶侧板板厚t应不小于下列公式计算值。

(10)

式中:PF为鳍叶压强,kN/m2,见式(12);k为材料系数;s为鳍叶最大加强隔板间距,mm。

β为鳍叶展弦比修正系数,见式(11)。

β=AR(1-0.25AR)(如果AR≤2)

(11)

式中:AR为鳍叶展弦比,如果AR>2,则β直接取值为1。

②鳍叶压强PF按下列公式计算。

(12)

式中:T为船体最大吃水,m;FF为鳍叶受力,kN;AF为鳍叶面积,m2。

③鳍叶导缘板厚应不小于鳍叶侧板板厚t的1.25倍。

④鳍叶内部加强隔板板厚应不小于鳍叶侧板板厚t的0.7倍或6 mm,取二者中大值。

3)DNV-ST-0309。鳍叶的屈服强度应不少于最大静载荷的1.5倍,同时,疲劳强度的安全系数应至少为1.5,还应考虑水动力载荷变化引起的振动,以及可能的共振效应。

通过上述规范对比可以发现:GJB2860A-2020对减摇鳍该部分相关计算无任何要求;LR-RN对减摇鳍鳍叶转矩、鳍叶板厚确定、鳍轴弯矩、鳍轴直径计算、鳍轴等效应力校核等都给出了计算校核公式,这些计算公式与舵系计算公式较为相似,对设计人员有较大帮助,但该规范依然没有提供减摇鳍鳍叶面积确定方法及鳍叶受力计算公式,建议由减摇鳍设计单位提供鳍叶受力;DNV-ST-0309仅对鳍叶结构屈服强度等有概述性要求,对设计人员的约束程度相对较低。

2.3 减摇鳍结构与加强的尺寸、材质

1)GJB2860A-2020。减摇鳍中的焊接结构件(鳍、鳍箱)材质选用应符合中国船级社《材料与焊接规范》的规定;鳍轴材质应符合GJB15.2的要求。

2)LR-RN。鳍叶的总体结构及材质应符合本规范对舵的要求;减摇鳍设备本体和周围结构应得到充分的支撑和加强。当低碳钢结构有可能被循环弯曲应力降低疲劳寿命时,其所受最大应力不超过39 N/mm2。在使用其他材料作为支撑加强结构时,需特别考虑极限应力值;减摇鳍通过插入外板的形式与舷侧船体外板开口焊接安装,插入板的板厚至少要比船底外板板厚增加50%,插入板范围长度方向需超出外板开口的长度不少于鳍叶根部弦长的25%(其他方向为12.5%);减摇鳍的鳍箱板厚度应不小于其附近船底外板规范板厚加2 mm,并按本规范相关章节要求加强。

3)DNV-ST-0309。鳍箱:应视为船体结构和水密完整性的一部分。船级社对设计、材料、质量保证的要求应被执行,设计鳍箱时应考虑减摇鳍鳍叶对鳍箱结构产生的载荷。

鳍叶伸缩机构。该机构部件尺寸应考虑由于磨损而增加的摩擦力、水动力载荷、鳍叶伸缩过程中的阻力所带来的影响。该机构的各部件的屈服强度,应不少于最大静载荷的1.5倍,同时,疲劳强度的安全系数应至少为1.5。该机构的支撑结构尺寸需同时考虑强度与挠曲。

鳍叶转鳍机构。该机构部件尺寸应考虑由于磨损而增加的摩擦力所带来的影响。该机构的各部件的屈服强度,应不少于最大静载荷的1.5倍。同时,疲劳强度的安全系数应至少为1.5。

通过上述规范对比可以发现:GJB2860A-2020仅对减摇鳍材质有规范导向性总体要求,对减摇鳍相关结构加强尺寸无具体要求;LR-RN除了明确减摇鳍设备本体及其附属结构可能被循环弯曲应力影响疲劳寿命的低碳钢所受最大应力外,更是对减摇鳍鳍箱插入板最小板厚及延伸尺寸、鳍箱及其加强结构的最小板厚做出了明确规定以保证减摇鳍的安装后强度;DNV-ST-0309对鳍箱、鳍叶伸缩转鳍机构结构强度安全系数等仅有概述性要求,对设计人员的约束程度相对较低。

2.4 性能特性

1)GJB2860A-2020。减摇鳍有效工作时,横浪下的减摇效果按减摇后舰船剩余横摇角有益值计算,应不大于5°;减摇鳍模拟海况和航速进行加载的一次连续运行时间应不少于156 h;舰船在静水中航行,利用减摇鳍生摇,生摇幅值应不超过GJB4000-2000中附录的054C-2规定的舰船耐波性衡准“最严重航行情况下水面舰船横摇界限曲线”。生摇周期以舰船固有周期为准,偏差在正负20%范围内;收放式减摇鳍的自动收、放鳍时间应不超过3 min;对于非全航速减摇鳍,当舰船航速低于4～6 kn时,鳍叶应能自动回到零位并停机;减摇鳍装置的总重量(收放式减摇鳍不包括鳍箱)宜不超过舰船设计排水量的1%。

2)LR-RN。无具体要求。

3)DNV-ST-0309。由于作用在减摇鳍上的水动力载荷不断变化,预计鳍会产生噪音振动。制造商应综合考虑优化整体结构、转鳍机构、其固有频率和不利振动概率。以便使买方和制造商皆可接收相应的噪音振动。

通过上述规范对比可以发现:GJB2860A-2020对减摇鳍减摇性能相关要求相对细致明确,不仅对减摇鳍减摇后剩余横摇角最大值做出要求,也对减摇鳍生摇幅值上限、生摇周期、及生摇周期偏差做出规定,旨在保证舰船生摇工况的安全且保证生摇效率。对收放鳍所需时间的最大值规定旨在保证减摇鳍的收放鳍操作效率。对低航速收鳍航速规定了范围值旨在规避减摇鳍失效区间并避免计程仪航速误差带来的频繁触发鳍叶归零动作。对减摇鳍重量相对排水量占比做出规定以控制设备总重及体积;LR-RN明确减摇效率等性能指标非该船级社审核范围,所以对此部分性能特性无具体规定;DNV-ST-0309对振动、噪音等性能特性仅有概述性建议,对设计人员的约束程度相对较低。

2.5 安全性

1)GJB2860A-2020。设备外壳应可靠接地;收放式减摇鳍应具有从应急电源供电的鳍收入/放出指示器,并能自动收回鳍箱;减摇鳍应具有减摇/生摇极性判断措施,启动系统进入减摇状态,不应使减摇操作的结果成为生摇;减摇鳍的生摇启动开关与减摇启动开关应互锁。生摇开关应采用钥匙开关或其他能避免产生误操作的措施;当鳍叶处于完全放出位置时,才可以进行减摇、生摇操作,减摇、生摇操作按钮应互锁;减摇鳍若设置两个以上的操作部位,各部位间的操作应互锁。

2)LR-RN:无具体要求。

3)DNV-ST-0309。无具体要求。

通过上述规范对比可以发现:仅GJB2860A-2020对减摇鳍安全性做出了相关要求。对减摇鳍极性判断、生摇与减摇启动开关互锁、生摇开关防误操作、鳍叶放出到位才可以激活减摇生摇、各操作部位互锁等做出要求旨在保证减摇鳍相关工况的运行安全。LR-RN及DNV-ST-0309皆对此部分性能特性无具体规定。

2.6 风险分析

1)GJB2860A-2020。无具体要求。

2)LR-RN。无具体要求。

3)DNV-ST-0309。以下所列选项(故障现象:故障原因)作为在减摇鳍风险分析最基本范围。

(1)船体漏水。产品缺陷,焊接缺陷,材料缺陷,船体加强结构;安装缺陷;不可预测的外力(疲劳载荷);意外载荷(搁浅等)(塑性屈服);腐蚀;严重挠曲变形超过设计载荷。

(2)油液泄漏(至海水)。密封装置磨损;密封装置破裂;润滑油水解;滑油污染;为操作失误。

(3)油液进水。密封磨损;密封撕裂;水/润滑油水解;润滑油污染;人为操作失误;重力油箱压力过低。

(4)鳍叶伸出位置卡滞。轴承故障,缺乏润滑;轴承间隙不足;因超载产生的鳍叶挠曲变形或对特种翼型变形预估不足;安装时焊接引起的挠曲变形、加强结构对齐缺陷。例如,襟翼铰链或其他机械结构故障;转鳍执行机构故障;液压系统故障;转鳍鳍角反馈机械故障。

(5)鳍角处于大角度时卡滞。襟翼铰链或其他机构故障;转鳍执行机构故障或轴承故障;转鳍鳍角反馈机械故障。

(6)鳍角异常(可手动操作)。液压动力不足(是否有足够压力锁定鳍角,是否失去控制);液压阀件故障(功能性、异物堵塞等);泵故障或液压管路破裂。

(7)控制系统造成不利横摇(生摇)或减摇能力变差。控制线缆故障;控制系统失电;循环指令故障;通信错误;计算机硬件故障;传感器硬件故障;人为操作失误。

(8)在鳍叶伸出/缩回过程中发生意外事件产生过载,造成减摇鳍运行停止。供电不足/泵压力不足;液压系统在这种情况下的运行情况如何,是否存在堵塞。

(9)鳍叶在伸出位置无法收回(需要手动操作)。控制系统故障;液压系统故障;所处水密舱段起火;所处水密舱段进水。

(10)鳍叶遭遇意外载荷,鳍叶严重损坏或掉落:鳍叶遭遇异物撞击;搁浅。

(11)船内液压油泄漏,失火风险。液压管路破裂;鳍部分功能失效(转鳍/收放);EAL闪点较低(监测系统显示EAL远低于220℃)。

(12)泵故障。

(13)液压管路或油缸爆裂。泄压阀组故障。

(14)振动和噪声。水动力引发的结构共振;机械因素引发(阳极松动、粘滑效应等);液压或类似因素引发的结构噪音,新型替代材料应进行风险评估,新设计、新制造方法、新的替代供应商应进行风险评估。

通过上述规范对比可以发现:GJB2860A-2020及LR-RN对于风险分析相关内容没有规定;DNV-ST-0309则提出了减摇鳍风险分析最基本推荐范围,涵盖故障现象及其可能导致该现象的故障原因。

3 结论

1)GJB2860A-2020。对减摇鳍布置位置的要求最为具体,有利于设计人员参照执行,该规范对鳍在船长纵向长度的安装位置要求可使鳍叶处于船体线型相对较宽的区域,进而尽可能使减摇力臂最大化以提高设备的减摇性能;该规范对减摇鳍安全性相关要求都较为合理,尤其是生摇、减摇互锁要求对船舶安全性较为重要。这些要求对民用船舶同样适用,所以民用船舶减摇鳍布置、安全性设计相关问题,适用参考GJB2860A-2020。

2)LR-RN。减摇鳍鳍叶产生的升力通过鳍轴及十字轴传递到鳍箱,鳍箱再通过鳍箱与船体的焊接加强结构及插入板将该升力传递至船体,进而产生减摇力矩实现船舶减摇。所以鳍叶、鳍轴、鳍箱的强度是否足够对减摇鳍的安全运行及减摇功能实现至关重要,该规范是现行常用减摇鳍相关规范中唯一提供了相关计算方法的规范,但该规范没有提供减摇鳍鳍叶面积确定方法,如果可以提供相关鳍叶面积计算公式或者类似舵面积比的鳍叶面积比系数推荐值,则在船舶设计初始阶段总体单位设计人员就可以通过估算减摇鳍鳍叶面积进而预估整个减摇鳍设备的重量、鳍箱主尺度、泵站功率体积等重要指标,这对船舶设计初始阶段的减摇鳍及其所处舱室综合布置方案确定大有裨益,所以鳍叶面积数值不仅对船舶设计初始阶段总体单位设计人员选型减摇鳍具有较大影响,还对减摇鳍所处舱室的综合布置有所影响;另外该规范同样没有提供鳍叶受力计算方法,而是建议由减摇鳍设计单位提供鳍叶受力,此项规定有待商榷,鳍叶受力参数极其重要关系到后续鳍叶扭矩、鳍轴弯矩各参数的计算,应效仿该规范中舵计算部分,提供计算方法使规范要求的最低计算值偏安全。虽然LR-RN没有提供提供鳍叶面积和受力的计算方法,但其依然是现行常用减摇鳍规范中相关受力计算最为全面的规范,这对民用船舶同样适用,所以民用船舶减摇鳍鳍叶、鳍轴、鳍箱等相关受力计算问题,适用参考LR-RN。

3)DNV-ST-0309。该规范是现行常用减摇鳍相关规范中唯一提供了转鳍等机械机构屈服强度、疲劳强度安全系数的规范,这些机械机构的强度是否足够关系到减摇鳍转鳍、收放鳍功能的可靠性,对减摇鳍的安全运行较为重要;该规范风险分析部分还对减摇鳍设备本身可能的故障现象及原因做出了较为详细的规定,减摇鳍制造厂商等设备设计单位可将其作为风险、故障分析指南参考借鉴,这对民用船舶同样适用,所以民用船舶减摇鳍转鳍等机械机构屈服强度、疲劳强度安全系数、风险分析等相关问题,适用参考DNV-ST-0309。