王 鵬，謝 敏

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

舵系是保證操縱性的主要設(shè)備，由于在新船型開發(fā)初步階段不可能獲得操縱性試驗的數(shù)據(jù)，必須進行方案預(yù)估，因而，其成為基本設(shè)計以及船模試驗的要素。舵面積是其中需首先預(yù)選的參數(shù)，尤其對于追求降本減排的船型，其舵桿到艉封板的距離使容納必要大小的舵已經(jīng)很緊張，也就是舵的設(shè)計成為艉部線型設(shè)計的高度相關(guān)因素了。

由于操縱性試驗費用高昂且往往安排靠后，開發(fā)階段按照母型船預(yù)估舵面積是常用方法，但僅基于某單個船顯然有一定風(fēng)險，而依托成熟母型船的分析并做出某種有傾向性的取舍應(yīng)具有相當(dāng)?shù)目煽慷取?/p>

1 船舶操縱性理論分析

為保證船舶航行安全，必須使船舶具有良好的操縱性。船舶操縱性主要包括4個方面的內(nèi)容：大舵角回轉(zhuǎn)性、小舵角轉(zhuǎn)艏性、航向穩(wěn)定性和停船性能。其中與舵密切相關(guān)的性能包括前3個性能，因此，以下的研究和討論不包括停船性能。

船舶操縱性與主尺度和線型以及舵的設(shè)計密切相關(guān)。但是在船舶的初始設(shè)計階段，確定主尺度和線型時，通常優(yōu)先考慮滿足穩(wěn)性、快速性等要求，因此通過改變主尺度和線型的方法提高操縱性是很難實現(xiàn)的，主要從舵的設(shè)計入手來滿足操縱性要求。

目前，IMO（國際海事組織）對操縱性的要求是基于2002年12月通過的MSC137(76)決議《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)明確了對船舶操縱性的考量是通過航行試驗時測試以下操縱性能[2]：

1) 回轉(zhuǎn)能力：回轉(zhuǎn)試驗回轉(zhuǎn)圈的縱距Ad和戰(zhàn)術(shù)直徑DT（越小越好）；

2) 轉(zhuǎn)艏性：操10°舵角艏向角偏離初始航向10°時的船舶縱距（越小越好）；

3) 偏航糾正和航向穩(wěn)定能力：10°/10°Z形操縱試驗的第一超越角和第二超越角，20°/20°Z形操縱試驗的第一超越角（越小越好）。

另外，從文獻[2]對操縱性運動的分析中可以得到以下一些結(jié)論：

1) 船體本身對直線穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性的影響是相互矛盾的，為了改善穩(wěn)定性，在回轉(zhuǎn)性和轉(zhuǎn)艏性方面往往要作出必要的犧牲，反之亦然；

2) 增加舵面積或?qū)⒍孢h(yuǎn)離船舶重心，能夠使回轉(zhuǎn)性變好，而又不損害直線穩(wěn)定性；因此可認(rèn)為，增加舵面積將減小Ad和DT。

3) 提高船舶直線穩(wěn)定性的方法是增加中縱剖面艉部面積、中縱剖面面積形心后移，如增加呆木、增加艉傾等；這些措施應(yīng)將減小Z形操舵試驗的超越角，而相應(yīng)地增加Ad和DT。

遠(yuǎn)洋貨輪由于其航行中航向變化的次數(shù)少，操舵時間也較少，因此在設(shè)計時應(yīng)注重航向穩(wěn)定性；沿海及內(nèi)河船由于其轉(zhuǎn)向頻繁，設(shè)計時應(yīng)注重回轉(zhuǎn)性。

2 根據(jù)系列船資料選擇舵面積比

2.1 定義

為統(tǒng)一分析的口徑，作如下設(shè)定：L：兩柱間長；B：型寬；d：滿載吃水；CB：方形系數(shù)；▽：滿載吃水下的排水量；A：舵可移動部分的面積；μ：舵面積比，A/(Ld)。

需要說明的是：1) 通常情況下，散貨船和油輪在結(jié)構(gòu)吃水工況下運營，而集裝箱船和LNG船在設(shè)計吃水工況下運營，因此這里d概括為滿載吃水，相應(yīng)地，散貨船和油輪取結(jié)構(gòu)吃水，集裝箱船和LNG船取設(shè)計吃水；2) 這里的舵面積不包括掛舵臂等固定部分的面積，這是因為文獻[3]在計算舵力時采用可移動部分的面積，并且因此原因，不管對于普通舵還是半懸掛舵，在最初的設(shè)計中均采用可移動部分的面積進行衡量。

2.2 船型與回轉(zhuǎn)性、航向穩(wěn)定性的關(guān)系

雖然很難通過改變主尺度和線型來改善船舶操縱性，但操縱性仍與主尺度、線型有著密切的聯(lián)系。在設(shè)計舵的時候，需要找出一些規(guī)律性的東西，以使舵的設(shè)計更適合船型。舵面積作為基本要素尤其重要。

參考大量設(shè)計資料后，采用修長度?/(L2d)=CB/(L/B)作為初步參考的依據(jù)。參考文獻[3～6]中均指出：修長度減小，回轉(zhuǎn)阻尼增加，船舶回轉(zhuǎn)性能變差，需要的舵面積也因此增加。選取三十幾條已建造的船舶（散貨船、油輪、集裝箱船），樣本范圍設(shè)為海洋運輸型船、非高升力舵、NACA或類似流線型舵、單槳船且舵位于螺旋槳艉流中。這里僅列出各樣本船型的概況：

表1 船型統(tǒng)計

對船型的舵面積資料進行統(tǒng)計分析，通過二階擬合繪出如圖1所示曲線。

圖1 舵面積曲線

根據(jù)三十多個離散點擬合出的曲線方程為y=186.16x2-45.77x+4.22。曲線的最低點在修長度?/(L2d)=0.123附近，在此之前，即當(dāng)修長度<0.123時，修長度越?。ùw越瘦長），舵面積比越大；這符合“修長度小的船型直線穩(wěn)定性好而回轉(zhuǎn)性差”這一規(guī)律。而在修長度>0.123時，修長度越大（船體越肥大），舵面積比越大；雖然修長度變大，回轉(zhuǎn)性變好，但是舵面積比仍變大，這是因為這些船過于豐滿而在艉部產(chǎn)生水流分離或舭部渦流，致使船在小舵角下操縱困難，因此需要通過增大舵面積來增大舵力，以提高轉(zhuǎn)艏性。

圖1中的虛線為文獻[4]設(shè)計圖譜所推薦的舵面積上限，這里一并畫出供參考。圖中大部分點都在推薦的值以下，由此擬合出的曲線也處在推薦線以下，未超出設(shè)計圖譜要求的上限。

2.3 舵面積比的選擇

在船型開發(fā)的初步階段，船體線型確定后即可計算出修長度，然后在圖1的舵面積曲線附近取點選擇舵面積比作為參照，基于此面積比再綜合考慮艉部空間、航速、展弦比和平衡比等因素設(shè)計舵的形狀和布置。舵面積比與修長度相結(jié)合評價方式可較合理地預(yù)估新船舵面積，對于已有設(shè)計也可作為判別參數(shù)高低的基準(zhǔn)。

3 根據(jù)操縱性試驗結(jié)果優(yōu)化舵面積

根據(jù)母型船資料初步完成舵的設(shè)計之后，其優(yōu)劣仍需操縱性試驗結(jié)果來驗證，并依據(jù)試驗結(jié)果對原先的設(shè)計進行優(yōu)化。以87000t散貨船為例，基于操縱性試驗結(jié)果優(yōu)化舵面積。

需要說明的是，雖然 87000t散貨船已進行過多次實船航行試驗，但這里仍采用船模試驗結(jié)果進行分析。這是因為散貨船都是在壓載狀態(tài)下進行航行試驗，舵未全浸沒水中，此試驗結(jié)果對舵設(shè)計并無幫助。

3.1 87000t散貨船船模試驗結(jié)果

從圖2中可以看出，87000t散貨輪的回轉(zhuǎn)性能和直線穩(wěn)定性都能滿足IMO規(guī)范，應(yīng)該說，操縱性試驗結(jié)果是十分優(yōu)秀的。

3.2 舵面積設(shè)計的優(yōu)化分析

雖然 87000t散貨船操縱性能優(yōu)秀，但由于掛舵臂面積偏小，若要滿足結(jié)構(gòu)強度要求，掛舵臂的板厚需要設(shè)計得很大，又因掛舵臂外形曲度變化很大，這大大增加了掛舵臂結(jié)構(gòu)的建造和施工難度。綜合以上因素考慮按照這樣的思路對舵進行優(yōu)化：減小舵可移動部分的面積，增加掛舵臂部分的面積。由此會取得以下一些效果：

圖2 87000t散貨船模操縱性試驗結(jié)果

1) 由于舵力與舵可移動部分面積成正比，減小舵可移動部分面積必然會減小舵力，相應(yīng)地，船舶的回轉(zhuǎn)能力也必然下降；但是考慮到 87000t散貨輪的回轉(zhuǎn)能力很優(yōu)秀，適當(dāng)?shù)販p小舵面積仍能保證回轉(zhuǎn)能力滿足規(guī)范要求；

2) 增加掛舵臂部分的面積即增大了艉部呆木的面積，這樣可以提高船舶的直線穩(wěn)定性；這與遠(yuǎn)洋貨輪應(yīng)注重直線穩(wěn)定性的設(shè)計思想不謀而合；

3) 舵力減小，相應(yīng)的舵桿扭矩和彎矩減小，因此在選擇舵機的時候可以選擇功率較小的型號，舵桿的尺寸也可以減??；這樣可以降低船舶的材料成本，并同時降低了船舶的能耗，提高了船舶的使用經(jīng)濟性；

4) 舵面積減小，可移動部分的重量減少，而承重結(jié)構(gòu)掛舵臂面積增大，這樣解決了減小掛舵臂板厚的問題。

綜上所述，適當(dāng)減小舵可移動部分面積而增加掛舵臂部分面積，可使船舶在滿足回轉(zhuǎn)能力要求的情況下提高直線穩(wěn)定性，并使船舶總體設(shè)計更趨合理。

值得注意的是，很多肥大船型通?；剞D(zhuǎn)性富余而航向穩(wěn)定性不足，增加舵面積可以同時提高其回轉(zhuǎn)性和穩(wěn)定性。但通過上面的分析可知，增加舵面積就需要增加舵機扭矩并加強掛舵臂的強度，與現(xiàn)在節(jié)能降耗的趨勢不符。更好的方法是不增加舵面積甚至適當(dāng)減小舵面積，同時大幅度增加呆木部分的面積。

3.3 舵面積比的優(yōu)化

對設(shè)計的散貨船進行比較分析，將相似散貨船的設(shè)計結(jié)果繪于圖3中。

圖中，2、4、6點均是已設(shè)計的船型，選取的舵面積比相近，在1.3%～1.35%范圍內(nèi)，而其他公司已經(jīng)采用了很小的舵面積比，日本的設(shè)計甚至低于1.2%。因此考慮可以選取舵面積比參照點在1.3%左右并向下優(yōu)化。

關(guān)于掛舵臂面積的選取，通常用可移動部分面積乘以一個系數(shù)。87000t散貨船原來的系數(shù)為0.195，考慮到不對舵的總面積和展弦比作大的改動，掛舵臂的面積系數(shù)考慮選取0.24左右。

以上對散貨船的思路也可適用于其他船型，只是根據(jù)修長度等不同，側(cè)重點會有變化。設(shè)計方向的探討還需要船模及實船試驗的驗證。一旦這樣的優(yōu)化效果得到試驗驗證，再加以數(shù)據(jù)的積累，即可將此方法作為以后舵系開發(fā)的基本思路和設(shè)計參考。

圖3 舵面積比

4 結(jié) 語

船舶的操縱性與舵的設(shè)計、船體形狀密切相關(guān)，舵面積的選取與船體的修長度有一定的規(guī)律性，通過對一些成熟母型船的分析對比認(rèn)為，舵面積比應(yīng)與船體修長度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)修長度大過某一數(shù)值時，由于船體過于肥大，需要相對較大的舵面積比提高操縱性。本文對散貨船舵面積比的優(yōu)化設(shè)計思路可運用到其他船型，為船型開發(fā)設(shè)計中舵面積優(yōu)化提供借鑒。

[1] 唐寧生. 對IACS《散裝貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》中有關(guān)舵設(shè)備的幾點意見[J]. 船舶，2008.

[2] International Maritime Organization. Standards for Ship Maneuverability[S]. Resolution MSC.137(76), 2002.

[3] 盛振邦，劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[4] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計實用手冊（舾裝分冊）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[5] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計實用手冊（總體分冊）[M]. 國防工業(yè)出版社，1998.

[6] 黃 昊. 對舵系設(shè)計中幾個主要參數(shù)的對比分析[J]. 船舶，2010.