江衛(wèi)東

（中遠海運重工有限公司 設計研究院 上海200135）

引 言

舵系是實現(xiàn)船舶操縱性能的最主要的設備，其性能會關系到船舶的航行安全、經濟性和快速性。舵系設計是船舶設計中非常重要的一部分。設計人員一般都是以船舶所入級的船級社規(guī)范為依據(jù)、結合積累數(shù)據(jù)和經驗公式的計算結果來進行舵系設計的［1］，其設計效果往往需要到船舶海試時進行驗證。因此，一旦出現(xiàn)舵系設計問題，解決過程會非常麻煩，甚至會導致延期交船或交不了船的風險。本文通過對首制25 000 t 化學品船（以下簡稱“本船”）在第一次試航時出現(xiàn)的舵系相關試驗結果不能滿足規(guī)范要求問題的原因進行梳理、分析，找到問題的癥結所在，并實施相對簡單可行的解決對策，最終解決了實際問題。

1 本船主要參數(shù)

本船船體及舵系相關的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 船體及舵系主要參數(shù)表

2 相應規(guī)范要求

在國際規(guī)范中涉及到在船舶航海試驗時與舵系試驗相關要求的規(guī)范主要有兩個：一是國際海事組織（IMO）制定的《國際海上人命安全公約》（SOLAS）；二是國際海上安全委員會關于船舶操縱性標準的MSC.137（76）決議。具體要求如下：

SOLAS 公約的第Ⅱ- 1 章29 條第3 款規(guī)定：主操舵裝置應能在船舶處于最深航海吃水并以最大營運航速前進時將舵自一舷的35°轉至另一舷的35°以及于相同條件下在不超過28 s 內將舵自任一舷的35°轉至另一舷30°； 第2 款規(guī)定了承受內部液壓的管系和部件的設計壓力是在此運行狀況下可能出現(xiàn)的最大工作壓力的1.25 倍，并且應設置安全閥以避免過度升高的壓力超過設計值；第6 款規(guī)定了對于貨船，當所有動力設備都運轉時，主操舵裝置應能按照第3 款的要求操舵。［2］因此，在舵機試驗時的實際扭矩不能超過最大扭矩，液壓系統(tǒng)的工作壓力不能超過最大油壓。

MSC.137（76）決議第5 條規(guī)定船舶的操縱性應符合下列衡準：

（1）偏航糾正和航向穩(wěn)定能力

10°/10° Z 形試驗時，第一次的航向超越角值不能超過（5+1/2L/V）°；第二次的航向超越角不能 超 過（17.5 + 0.75L/V）°。20°/20° Z 形 試 驗 時，第一次的航向超越角值不能超過（5+1/2L/V）°。（式中：L為船舶垂線間長，m；V指不小于相應的85%主機最大輸出功率時，船速的90%，m/s）。

（2）回轉能力

回轉圈操縱時，船舶縱距離應不超過4.5 倍船長，回轉圈直徑應不超過5 倍船長。［3］

3 舵系試驗問題

舵系是實現(xiàn)船舶轉向、直航等操縱的重要裝置［4］。根據(jù)本船的航海試驗大綱，舵機試驗是在船舶結構吃水（9.2 m）以及全速航行（15.5 kn）情況下進行的。操舵過程是：0°→ 右35°→左35°→0°→ 恢復直線航行和航速→ 左35°→ 右35°→ 0°；測試分為三種組合情況，即：No.1 動力單元、No.2 動力單元以及No.1 & No.2 動力單元。第一次試航時舵機試驗的結果如表2 所示。

表2 第一次海試時舵機試驗結果

從中可以看出，在三種組合試驗時，舵機液壓油的壓力接近或達到23 MPa，是最大工作壓力18.4 MPa 的1.25 倍左右。此時系統(tǒng)的安全閥是已經或接近開啟；另外，馬達運轉時的最大電流也超過了它的額定電流。因此，舵機試驗結果無法滿足SOLAS 公約要求。

船舶的Z 形試驗是一種衡量船舶機動性能的試驗方法［5］。該實驗的試驗條件與上面提及的舵機試驗條件一致。根據(jù)本船試驗大綱，10°/10° Z形試驗試驗過程為：舵0°→ 舵右10°→航向右10° → 舵左10° → 航向左10° → 舵右10°→ 航向右10° → 舵左10° → 航向0°；20°/20° Z 形試驗也是按照上述程序進行，只是把舵的轉角由10°改為20°。本船第一次海試時Z 形試驗的結果記錄如表3 所示。從試驗結果中可以看出，10°/10° Z形試驗的第一超越角值（26°）超出了規(guī)范計算值（16.5°）達9.5°，20°/20° Z 形試驗第一超越角值（27°）超出了規(guī)范規(guī)定值（25°）2°。顯然，Z 形試驗結果無法滿足MSC.137（76） 決議要求。

船舶的回轉試驗是檢驗船舶回轉性能的試驗方法。其主要試驗過程為：舵右35°→ 航向約右540°→ 舵0°→ 航向0°；舵左35°→ 航向約左540°→ 舵0°→ 航向0° 。本船第一次試航時回轉試驗結果記錄如表4 所示。雖然回轉試驗的結果是能完全滿足MSC.137（76） 決議要求，但是回轉圈的直徑大約是規(guī)范允許值的一半，余量偏大。

表3 第一次海試時Z形試驗記錄

表4 第一次海試時回轉試驗結果m

4 問題分析與對策

4.1 問題分析

經分析，舵機油壓偏高的原因可能有以下幾個方面：舵機選型問題（包括計算錯誤、舵機選擇扭矩過小等）、舵桿轉動問題（包括舵系校中問題、舵葉止跳塊間隙過小、舵葉被異物卡阻、舵機本身卡阻等）、舵葉制作問題（實際舵葉尺寸與圖紙不符）、試驗儀表問題、以及舵葉面積設計偏大等。除舵葉面積偏大，其他原因通過各種簡單易行的方法被逐一排除。比如：通過再次計算及核對舵機出廠報告，排除了計算錯誤和舵機扭矩過小問題；通過外觀檢查及測量，排除了舵葉被漁網(wǎng)卡阻及止跳塊間隙過小的原因；通過碼頭轉舵時的油壓小于2 MPa 以及應變片測試舵桿扭矩較小的結果，排除了舵系校中及舵機本身被卡阻問題；通過測量實際舵葉尺寸并對比圖紙，排除了舵葉制作偏大的原因；通過壓力表及電流表在試驗臺的校驗，排除了測試儀表不準的問題。因此，舵葉面積偏大成為舵機油壓偏高最為可能的原因。

另外，Z 形試驗的第一超越角值偏大，說明舵葉的操縱性能好，也間接說明舵葉面積可能偏大。根據(jù)半經驗公式諾賓（Norrbin）公式（表5 中的公式1）可知，回轉圈直徑越小，舵葉面積越大［6］。而試驗結果中回轉圈的直徑大約是規(guī)范允許值的一半，也說明了本船選用的舵葉面積可能偏大。

表5 舵葉面積計算公式

4.2 解決對策

根據(jù)4.1 節(jié)的分析，舵機液壓油壓力過高、Z形試驗的第一超越角值偏大以及船舶回轉圈的直徑偏小的原因很可能是由于選用的舵葉面積偏大造成的。因此選用面積較小的舵葉成為最有效的解決方案。

船舶舵葉面積的確定主要有以下幾種方式［7］：據(jù)大量實船統(tǒng)計資料來選擇、按半經驗的公式和圖譜來確定、根據(jù)船級建造規(guī)范推薦的公式來確定或者根據(jù)船模操縱性試驗結果來確定。本船為首制船，設計時選用舵葉的型式為NACA-0020，舵葉面積則是按照之前挪威船級社（DNV）規(guī)范推薦的計算公式（表5 中的公式2）確定的。按照推薦公式的計算結果為舵葉面積應不小于28.1 m2，再加上經驗余量，最終確定舵葉總面積為30.51 m2。

本船當時已經接近完工待交付狀態(tài)，通過船模操縱性試驗或重新設計來制作舵葉顯然不太可能，于是修改現(xiàn)有舵葉便成為比較明確的解決方向。船廠又根據(jù)其他舵葉的經驗公式計算出舵葉的最小面積進行比較分析，比如：根據(jù)寶田公式（表5 中的公式3）計算結果為27.5 m2；根據(jù)國際船級社組織（IACS）《散貨船結構共同規(guī)范》（CSR）中推薦的舵葉面積計算公式（表5 中的公式4）計算結果為26.4 m2。

綜合以上信息，船東、船級社、舵機廠家及船廠最終確定了修改后舵的總面積是27.48 m2。實施方案為：把現(xiàn)有的舵葉后緣切掉375 mm，并以半圓鋼焊接封閉后緣。此外，決定修改成這個數(shù)值還有一個原因是，這種尺寸的半圓鋼在市場上有現(xiàn)貨供應，從而可以減少物料的供應時間。

圖1 為舵葉典型截面修改前后對比圖。從圖中可以看出，修改后的舵葉后緣形狀沒有修改前的平滑，因此可能會造成船舶尾流突變，進而會影響到航速以及容易在流線突變處產生空泡腐蝕?？紤]到本船在實際營運航速較低（一般低于13 kn），因此空泡腐蝕的影響有限。

圖1 舵葉修改典型截面圖

4.3 試驗驗證

舵葉修改以后，本船進行了第二次航海試驗以確定舵葉修改后的最終效果。表6 列出了船舶進行舵機試驗、Z形試驗以及回轉試驗的試驗結果。由此可以看出，舵機試驗時的油壓為15 MPa左右，低于其最大工作壓力18.4 MPa；馬達的電流為42 A 左右，低于其額定電流50 A。因此，舵機試驗結果能夠滿足SOLAS 公約的要求。

10°/10° Z 形試驗時的第一超越角值為11°，第二超越角值為12°，分別低于規(guī)范計算值16.5°和34.5°；20°/20° Z 形試驗時的第一超越角值為22°，低于規(guī)范規(guī)定值25°。因此，Z 形試驗結果能滿足MSC.137（76）決議的要求。

根據(jù)回轉試驗的結果，縱距相對于第一次海試增加了60 m 左右，回轉圈直徑約增加180 m，但都分別低于規(guī)范計算值756 m 和840 m。因此，試驗結果也能完全滿足MSC.137（76）決議的要求。

第一次海試時測試的服務航速為15.64 kn，第二次海試時測試結果為15.71 kn。據(jù)此可以排除舵葉的修改對航速的影響。

另外，船廠對船舶營運情況進行了近一年的跟蹤，從船東反饋的信息看，舵葉后緣半圓鋼部分沒有發(fā)生明顯的氣蝕現(xiàn)象。

表6 第二次海試試驗記錄

5 結 論

本文針對25 000 t 化學品船在試航時出現(xiàn)的舵機試驗結果不能滿足規(guī)范要求的情況，結合與舵機相關的船舶性能試驗結果，進行了較為細致深入的分析，最終找到了比較切合實際的解決方案。在舵系設計時，舵葉面積基本是根據(jù)經驗公式或規(guī)范推薦公式計算確定的，具有一定的不準確性，并且船級社都是根據(jù)海試結果對舵系進行最終認可的。因此，在首制船的舵葉設計時，應盡量找到母型參考船，并采用不同的計算公式進行結果相互驗證，必要時再通過自航模操縱性試驗進行驗證，以便將舵葉面積在設計階段就控制在合理范圍內，避免將問題延伸到實船試驗階段。