林浩東

(寧波海運(yùn)股份有限公司,浙江 寧波 315020)

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49 500 載重噸散貨船襟翼舵的性能優(yōu)勢

林浩東

(寧波海運(yùn)股份有限公司,浙江 寧波 315020)

選取采用常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船和使用襟翼舵的49 500 載重噸散貨船這2種不同形式舵葉的相近船型，進(jìn)行操縱性能的對比。通過試驗(yàn)證明，襟翼舵比常規(guī)舵在船舶操縱性能上更具優(yōu)勢，從而進(jìn)一步說明襟翼舵能夠提升船舶的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

襟翼舵；操縱性；經(jīng)濟(jì)性；回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；Z性試驗(yàn)

0 引言

隨著船舶朝大型化方向發(fā)展，其操縱性越來越受到了人們的重視。

常規(guī)舵只有在來流速度作用下才能為船舶的操縱轉(zhuǎn)向提供足夠的回轉(zhuǎn)力矩和舵力。一旦船舶在限制航道航行時航速會下降或者遇到相對來流過小時舵就無法發(fā)揮正常的舵效。

船用襟翼舵較好地解決了常規(guī)舵這一缺陷。它能夠在限制航道或較低航速時提供更好的舵效以保證船舶具有足夠的操縱性能。所謂襟翼舵，就是將舵葉按一定比例分成一定規(guī)律相對轉(zhuǎn)動的主體和尾翼，通過傳動機(jī)構(gòu)使主體和尾翼之間有一個夾角，使舵面形成一個拱度。當(dāng)主體與普通舵在同一角度下，襟翼舵所達(dá)到的升力隨著拱度的增大而增大。

本文選取采用常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船和使用襟翼舵49 500 載重噸散貨船這2個主尺度和載重噸較為接近的船型進(jìn)行對比，通過回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形試驗(yàn),結(jié)果顯示襟翼舵具有更好的舵效。

1 襟翼舵的特點(diǎn)和組成

當(dāng)襟翼舵處于零位時，舵葉呈對稱機(jī)翼剖面，保證了船舶的航向穩(wěn)定，同時不增加船舶直航時的阻力。但當(dāng)襟翼舵離開中位以后，就變得與變拱度機(jī)翼相似。由于尾翼的作用，同具有對稱機(jī)翼剖面的普通舵相比，襟翼舵的制剎作用和轉(zhuǎn)船力矩均有很大程度的提高，從而大大改善了船舶的應(yīng)舵性能和回轉(zhuǎn)性能。

由于船體線型原因，2種舵的類型不同，常規(guī)舵為半懸掛舵，襟翼舵為懸掛舵。其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

常規(guī)舵舵系組成為舵機(jī)、上舵承、下舵承、舵桿、舵葉。襟翼舵舵系由舵機(jī)、上舵承、下舵承、舵桿、舵葉(由主體和尾翼組成)、傳動裝置、連接套筒組成。與常規(guī)舵相比，襟翼舵增加了連接套筒、傳動裝置、主舵葉和尾翼之間連接用的鉸鏈裝置。

襟翼舵舵葉主體和尾翼用鉸鏈裝置連接，通過傳動裝置帶動尾翼轉(zhuǎn)動。當(dāng)主體轉(zhuǎn)動一個δ角時，尾翼繞連接鉸鏈的中心軸向相同一舷轉(zhuǎn)出一個β角度，兩者轉(zhuǎn)動的方向是一致的，但尾翼的轉(zhuǎn)動角度比主舵的轉(zhuǎn)角大。這樣就相當(dāng)于增加了舵剖面的拱度，從而產(chǎn)生更大的流體動力，提高了轉(zhuǎn)船力矩和舵效。連接套筒是將上、下舵承用結(jié)構(gòu)件進(jìn)行連接，并形成一個整體的構(gòu)件。上、下舵承內(nèi)孔的鏜孔加工，可以在同一次夾裝工藝后完成，保證了上、下舵承的同心度，然后焊接到船體上。這種設(shè)計(jì)可以有效地保證下舵承與舵桿的間隙要求，同時舵桿襯套采用水潤滑、自潤滑的合成材料制造，下舵承無需加潤滑油，減少了潤滑油對海水的污染。

2 襟翼舵與常規(guī)舵的性能對比

2.1 船舶主尺度及舵要素

47 500 載重噸散貨船于2012年建造完成，船模試驗(yàn)在上海船舶研究所的操縱水池進(jìn)行，試驗(yàn)時間為2010年11月1日。49 500 載重噸散貨船為在建船，裝有襟翼舵，船模試驗(yàn)時間為2015年8月，在702研究所的耐波性/操縱性水池進(jìn)行。

這2個系列船實(shí)船主尺度相同。總長LOA為199.99 m，吃水T為10.7 m，船寬B為32.26 m，設(shè)計(jì)航速V為13 kn。唯一不同的參數(shù)是垂線間長LPP，49 500 載重噸散貨船為194.50 m，47 500 載重噸散貨船為192.00 m，其數(shù)值也相當(dāng)接近。

2艘散貨船的操縱性自航模試驗(yàn)包括設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形試驗(yàn)、緊急制動試驗(yàn)，本文著重分析設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。

舵要素的情況見表1。

表1 舵要素

一般情況下，舵面積的選取將直接影響船舶的操縱性能，其值可以利用舵面積A與機(jī)敏回旋半徑ρ近似成反比關(guān)系來估算A，即A∝1/ρ。當(dāng)然從估算關(guān)系來講，舵面積越大舵效就越高，操縱性能就越佳，但是隨著舵面積的加大而推舵功率隨之增加，同樣也會影響操縱性能。因此，通?？梢哉J(rèn)為在合理的舵面積下，估算關(guān)系是成立的。展舷比也是一個反應(yīng)舵效的重要參數(shù)。在合理的范圍下，通?？梢哉J(rèn)為展舷比較小則來舵較慢，操縱性能就相對較差。因此對比表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2艘船舶主尺度相同，垂線間長相近，若在同樣使用常規(guī)舵情況下，47 500 載重噸散貨船的操縱性能應(yīng)該比49 500 載重噸散貨船更具優(yōu)勢。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果比較

2.2.1 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的目的是確定船舶回轉(zhuǎn)能力。在給定航速和舵角的情況下進(jìn)行左、右回轉(zhuǎn)運(yùn)動試驗(yàn)，主要測量并記錄船模重心軌跡。從測量的船模重心軌跡量取穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑DS、戰(zhàn)術(shù)回轉(zhuǎn)直徑DT、回轉(zhuǎn)縱距LM，通常對這些回轉(zhuǎn)特征參量無因次化，表達(dá)成DS/LPP，DT/LPP，LM/LPP。

在設(shè)計(jì)吃水和設(shè)計(jì)速度相同情況下的測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，47 500 載重噸散貨船在左滿舵和右滿舵狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分別為：DS/LPP=1.893和2.168，DT/LPP=2.398和2.697，LM/LPP=2.945和3.094；49 500 載重噸散貨船在左滿舵和右滿舵狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分別為：DS/LPP=1.061和1.043，DT/LPP=1.747和1.665，LM/LPP=2.277和2.378。

對比上述2個回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)吃水相同狀態(tài)下，使用常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑DS約為2倍船長，而使用襟翼舵的49 500 載重噸散貨船的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑DS約為1倍船長。由于49 500 載重噸散貨船的戰(zhàn)術(shù)回轉(zhuǎn)直徑和回轉(zhuǎn)縱距優(yōu)于47 500 WDT散貨船，所以在各種工況下的回轉(zhuǎn)航程相對縮短，從而減少了油耗，提高了船舶操縱性能和經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 Z形試驗(yàn)

Z形試驗(yàn)的目的是確定船舶偏航糾正和航向角保持能力及初始回轉(zhuǎn)能力。船模按預(yù)定航速直線航行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，盡可能快速將舵轉(zhuǎn)到右舷規(guī)定的舵角(右舵δ=+10°)。作為第1次操舵，δ成為執(zhí)行舵角；當(dāng)船艏偏離原航向ψ(ψ=10°)時，立即轉(zhuǎn)舵到反向相同舵角(左舵δ=-10°)，作為第2次操舵，ψ稱為換舵首向角。上述操舵后，船仍朝原方向繼續(xù)回轉(zhuǎn)，但回轉(zhuǎn)角度速度逐漸減小，直到回轉(zhuǎn)運(yùn)動消失，然后向左回轉(zhuǎn)；當(dāng)船舶艏向偏離直航線達(dá)左ψ時，再操作右舵δ，作為第3次操舵。

國際海事組織(IMO)有關(guān)操縱性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以±10°/±10° Z形試驗(yàn)的ψo(hù)v1和ψo(hù)v2，以及±20°/±20°Z形試驗(yàn)的ψo(hù)v1和ψo(hù)v2作為船舶航向糾正和航向保持能力的參數(shù)。而±10°/±10° Z形試驗(yàn)的無因次初縱距L10作為評價(jià)船舶初始回轉(zhuǎn)能力的參數(shù)。

船舶Z形試驗(yàn)顯示，設(shè)計(jì)吃水相同狀態(tài)下，47 500 載重噸散貨船的L10分別為1.664和1.420，小于IMO標(biāo)準(zhǔn)值2.5；49 500 載重噸散貨船的L10分別為1.110和1.012，不僅小于IMO標(biāo)準(zhǔn)值2.5，也小于使用常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船的值。

同樣，也是在設(shè)計(jì)吃水相同的狀態(tài)下，裝有襟翼舵的49 500 載重噸散貨船在-10°/-10°的舵角下的超越角分別為ψo(hù)v1=11.95°和ψo(hù)v2=19.88°，+10°/+10°舵角下分別為ψo(hù)v1=11.93°和ψo(hù)v2=19.63°；裝有常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船在-10°/-10°的舵角下的超越角分別為ψo(hù)v1=6.8°和ψo(hù)v2=16.8°，+10°/+10°舵角下的超越角分別為ψo(hù)v1=8.1°和ψo(hù)v2=20.8°。

從測量的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，裝有襟翼舵的49 500 DWT散貨船的ψo(hù)v1和ψo(hù)v2要大于裝有常規(guī)舵的47 500 DWT散貨船，說明在操舵后，襟翼舵使船體保持了更大的角速度。另外，從試驗(yàn)的時間曲線看，襟翼舵的船艏滯后時間明顯小于常規(guī)舵，而且初始回轉(zhuǎn)能力L10明顯優(yōu)于常規(guī)舵。49 500 DWT散貨船的初始回轉(zhuǎn)縱距約為1倍船長，而47 500 DWT散貨船約為1.5倍船長。

3 結(jié)語

綜上所述，襟翼舵使得49 500 DWT散貨船具有更好的舵效，極大地提高了船舶操縱性能。穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑和初始回轉(zhuǎn)直徑的減小，在改善船舶避讓性能，提高航行安全的同時，大大地縮短了船舶轉(zhuǎn)向所航行的距離；在起錨航行時，能夠更短時間，更短距離地達(dá)到所需航線，無形之中減少了油耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。而且由于襟翼舵存在傳動機(jī)構(gòu)，所以一般會再增設(shè)假舵，即增加了船舶縱中剖面尾部的剖面面積，從而有效地提高了船舶的航行穩(wěn)定性，使其在海上航行需要保持航向時具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

目前，國家正在部署建設(shè)綜合立體交通走廊，打造長江經(jīng)濟(jì)帶，研究推廣江海直達(dá)船型，鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保船舶。海船進(jìn)江，船舶穩(wěn)定性、強(qiáng)度、安全等方面沒問題，但是江水較淺，航道狹窄，船只數(shù)量大，而且航速相對較低，這時候常規(guī)舵的舵效就無法正常發(fā)揮。使用襟翼舵能夠很好地改善上述狀況，不但能夠保證航行穩(wěn)定，而且可以提高船舶的操縱性能，很大程度保證船舶的安全航行。

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2016-10-19

林浩東(1986—)，男，工程師，主要從事新船監(jiān)造和機(jī)務(wù)管理工作。

U664.36

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