吳 兆 陽

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

船舶回轉性能是重要的船舶操縱性能指標之一，回轉性能良好的船舶在海上航行時，易于轉向操縱，便于繞過其他船舶或者障礙物，避免碰撞海損事故的發(fā)生，對船舶航行安全意義重大。海上航行試驗中，各型油船的回轉試驗都是按照規(guī)格書要求在設計吃水下進行的，而 MSC.Res.137(76)國際船舶操縱性能標準要求回轉試驗數(shù)據(jù)需要在滿載吃水下得到[1]，不同吃水時的回轉性能存在差異。本文分析了影響船舶回轉性能的各個因素，在一定誤差允許范圍內(nèi)，為回轉性能換算提供一種計算方法。

1 回轉性能

船舶的回轉性能分析可參照一般操縱方程[2]，但是計算非常復雜，見公式（1）。若進行水池模型試驗，費用很高。油船規(guī)格書要求在設計吃水下進行海上航行試驗，若要調(diào)整到滿載吃水下進行回轉試驗，會延長試航時間，增加試航成本。本文應用赫夫加特和桑海等人的估算公式進行分析計算，在一定誤差允許范圍內(nèi)，得到一種近似換算方法。

回轉性能通常用船舶的回轉圈特征量來衡量，回轉圈主要的特征量為戰(zhàn)術直徑TD 、穩(wěn)定回轉直徑D、縱距AD 和橫距RT，穩(wěn)定回轉圈直徑一般比戰(zhàn)術直徑略小，戰(zhàn)術直徑用赫夫加特公式進行估算，穩(wěn)定回轉圈可以用桑海公式分析，縱距和橫距可以通過李斯特公式計算[3]，見公式（2）。式中PPL 為垂線間長。

通過公式（2）可以看出，回轉圈的縱距和橫距是戰(zhàn)術直徑的一次函數(shù)，有了戰(zhàn)術直徑的規(guī)律，就可以很容易地得到其他回轉圈特征量的規(guī)律。因此，首要的任務是找出戰(zhàn)術直徑的變化規(guī)律。為了簡化計算，戰(zhàn)術直徑采用赫夫加特公式進行計算[3]，見公式（3）。

圖1 縱傾和速長比對回轉直徑的修正

圖2 估算回轉直徑的系數(shù)K3

穩(wěn)定回轉直徑D采用桑海公式[3]進行計算，見公式（5），K1和K2為修正系數(shù)，由圖3和圖4查得。圖3曲線的橫坐標為/LA L?，?為排水體積，LA為水線下的縱向投影面積，L為船長。設計吃水到滿載吃水之間的/LA L?比值約為1，K1曲線在這個吃水范圍內(nèi)變化很小，35°舵角時的K2有唯一值，K1和K2的比值近似為一定值，即設計吃水到滿載吃水之間的穩(wěn)定回轉圈直徑與排水體積或排水量呈線性變化。

圖3 K1-?/ALL曲線

圖4 K2-δ曲線

2 戰(zhàn)術直徑影響因素分析

2.1 正交試驗分析

按照赫夫加特公式，當船舶在海上回轉時，排水體積、航速、縱傾和舵角是影響戰(zhàn)術直徑的4個因素，在定量分析4個因素對戰(zhàn)術直徑的影響程度時，如果每個因素選取4個水平，在這4個因素下進行全面分析，將需要256次計算，計算工作量非常大，故采用正交分析法簡化為16次計算，表中 K1～K4分別代表各因素同一水平之和； k1～k4分別代表各因素同一水平的平均值；R為各因素極差。通過極差計算，可以得到排水體積、航速、縱傾和舵角對戰(zhàn)術直徑的影響程度，如表1所示。

表1 正交分析計算

2.2 影響因素

按照表1的計算數(shù)據(jù)，將影響戰(zhàn)術直徑的4個因素按照影響程度進行排序，可以看到，舵角對戰(zhàn)術直徑的影響最大，排水量對戰(zhàn)術直徑的影響最小，依次為舵角＞縱傾＞航速＞排水體積。以下逐一分析各個因素對回轉圈戰(zhàn)術直徑的影響。

2.2.1 舵角影響

排水量一定，縱傾和航速保持不變，選取不同的舵角，通過數(shù)值計算，得到各舵角下的戰(zhàn)術回轉直徑數(shù)據(jù)和擬合曲線，見表2與圖5。從圖5中可以看到，回轉圈戰(zhàn)術直徑隨舵角的增加而變小，呈曲線變化。

表2 各舵角下的戰(zhàn)術回轉直徑

2.2.2 縱傾影響

排水量一定，航速和舵角保持不變，選取不同的縱傾值，通過數(shù)值計算，得到各縱傾下的回轉圈數(shù)據(jù)和擬合曲線，見表3和圖6。從圖表中可以看到：船舶艉傾時，回轉圈戰(zhàn)術直徑隨艉傾值增加而增大；艏傾時，戰(zhàn)術直徑隨艏傾值增加而減小，可見航行中艉傾對船舶的回轉性能是不利的，應給予一定的關注。

表3 各縱傾下的戰(zhàn)術回轉直徑

圖5 舵角-戰(zhàn)術直徑曲線

2.2.3 航速影響

排水量一定，舵角保持不變，選取不同的航速，通過數(shù)值計算，得到各航速下的回轉圈數(shù)據(jù)和擬合曲線，見表4和圖7，戰(zhàn)術直徑隨航速的增加而增大，呈曲線變化。

表4 各航速下的戰(zhàn)術回轉直徑

圖6 縱傾-戰(zhàn)術直徑曲線

2.2.4 排水體積影響

航速一定，船舶回轉舵角保持不變，選取不同的排水體積，通過數(shù)值計算，得到不同排水體積下的回轉圈數(shù)據(jù)和擬合曲線，如表5和圖8所示，戰(zhàn)術直徑隨排水體積增加而增大，呈曲線變化。

表5 不同排水體積時的戰(zhàn)術回轉直徑

圖7 航速-戰(zhàn)術直徑曲線

從圖 8可以看到，在一定的排水量范圍內(nèi)，戰(zhàn)術直徑隨排水量的變化可以近似地看作線性關系。按照公式 6對戰(zhàn)術直徑進行近似求解，其中DT1、DT2——分別為設計吃水和結構吃水時的戰(zhàn)術回轉直徑；1?、2?——分別為設計吃水和結構吃水時的排水體積。從設計吃水換算到結構吃水，戰(zhàn)術直徑DT的誤差在1%左右，結果是可以接受的。這個近似換算公式可以幫助設計人員將設計吃水時已知的回轉圈戰(zhàn)術直徑，利用排水量的比值，轉化為滿載吃水時的戰(zhàn)術直徑。

圖8 排水體積-戰(zhàn)術直徑曲線

3 結 語

船舶回轉中的縱距、橫距和穩(wěn)定回轉直徑均與戰(zhàn)術直徑密切相關，分析戰(zhàn)術直徑，則可以進而得到其他衡量指標的變化規(guī)律。通過定量計算，繪制舵角、縱傾、航速、排水體積對戰(zhàn)術直徑的擬合曲線，直觀地看到各因素對戰(zhàn)術直徑的影響。在一定的排水量范圍內(nèi)，戰(zhàn)術直徑可用線性關系進行簡單換算，完成設計吃水和滿載吃水之間的近似轉化。

[1] MSC. Res. 137 (76). 國際船舶操縱性能標準[S]. 2002.

[2] 蘇興翹. 船舶操縱性[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[3] 黃宏波. 船舶設計實用手冊（總體分冊）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1997.