常規海運船型開發中舵面積的預選研究與驗證

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備，由于在新船型開發初步階段不可能獲得操縱性試驗的數據，必須進行方案預估，因而，其成為基本設計以及船模試驗的要素。舵面積是其中需首先預選的參數，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很緊張，也就是舵的設計成為艉部線型設計的高度相關因素了。

由于操縱性試驗費用高昂且往往安排靠后，開發階段按照母型船預估舵面積是常用方法，但僅基于某單個船顯然有一定風險，而依托成熟母型船的分析并做出某種有傾向性的取舍應具有相當的可靠度。

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個方面的內容：大舵角回轉性、小舵角轉艏性、航向穩定性和停船性能。其中與舵密切相關的性能包括前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計密切相關。但是在船舶的初始設計階段，確定主尺度和線型時，通常優先考慮滿足穩性、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的，主要從舵的設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《船舶操縱性標準》。該標準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) 回轉能力：回轉試驗回轉圈的縱距Ad和戰術直徑DT（越小越好）；

2) 轉艏性：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論：

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

2) 增加舵面積或將舵遠離船舶重心，能夠使回轉性變好，而又不損害直線穩定性；因此可認為，增加舵面積將減小Ad和DT。

3) 提高船舶直線穩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；這些措施應將減小Z形操舵試驗的超越角，而相應地增加Ad和DT。

遠洋貨輪由于其航行中航向變化的次數少，操舵時間也較少，因此在設計時應注重航向穩定性；沿海及內河船由于其轉向頻繁，設計時應注重回轉性。

2 根據系列船資料選擇舵面積比

2.1 定義

為統一分析的口徑，作如下設定：L：兩柱間長；B：型寬；d：滿載吃水；CB：方形系數；▽：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，散貨船和油輪在結構吃水工況下運營，而集裝箱船和LNG船在設計吃水工況下運營，因此這里d概括為滿載吃水，相應地，散貨船和油輪取結構吃水，集裝箱船和LNG船取設計吃水；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，在最初的設計中均采用可移動部分的面積進行衡量。

2.2 船型與回轉性、航向穩定性的關系

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、線型有著密切的聯系。在設計舵的時候，需要找出一些規律性的東西，以使舵的設計更適合船型。舵面積作為基本要素尤其重要。

參考大量設計資料后，采用修長度?/(L2d)=CB/(L/B)作為初步參考的依據。參考文獻[3～6]中均指出：修長度減小，回轉阻尼增加，船舶回轉性能變差，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 船型統計

對船型的舵面積資料進行統計分析，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，即當修長度<0.123時，修長度越小（船體越瘦長），舵面積比越大；這符合“修長度小的船型直線穩定性好而回轉性差”這一規律。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，以提高轉艏性。

圖1中的虛線為文獻[4]設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，未超出設計圖譜要求的上限。

2.3 舵面積比的選擇

在船型開發的初步階段，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計舵的形狀和布置。舵面積比與修長度相結合評價方式可較合理地預估新船舵面積，對于已有設計也可作為判別參數高低的基準。

3 根據操縱性試驗結果優化舵面積

根據母型船資料初步完成舵的設計之后，其優劣仍需操縱性試驗結果來驗證，并依據試驗結果對原先的設計進行優化。以87000t散貨船為例，基于操縱性試驗結果優化舵面積。

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果進行分析。這是因為散貨船都是在壓載狀態下進行航行試驗，舵未全浸沒水中，此試驗結果對舵設計并無幫助。

3.1 87000t散貨船船模試驗結果

從圖2中可以看出，87000t散貨輪的回轉性能和直線穩定性都能滿足IMO規范，應該說，操縱性試驗結果是十分優秀的。

3.2 舵面積設計的優化分析

雖然 87000t散貨船操縱性能優秀，但由于掛舵臂面積偏小，若要滿足結構強度要求，掛舵臂的板厚需要設計得很大，又因掛舵臂外形曲度變化很大，這大大增加了掛舵臂結構的建造和施工難度。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，相應地，船舶的回轉能力也必然下降；但是考慮到 87000t散貨輪的回轉能力很優秀，適當地減小舵面積仍能保證回轉能力滿足規范要求；

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定性；這與遠洋貨輪應注重直線穩定性的設計思想不謀而合；

3) 舵力減小，相應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小；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濟性；

4) 舵面積減小，可移動部分的重量減少，而承重結構掛舵臂面積增大，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能力要求的情況下提高直線穩定性，并使船舶總體設計更趨合理。

值得注意的是，很多肥大船型通常回轉性富余而航向穩定性不足，增加舵面積可以同時提高其回轉性和穩定性。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，與現在節能降耗的趨勢不符。更好的方法是不增加舵面積甚至適當減小舵面積，同時大幅度增加呆木部分的面積。

3.3 舵面積比的優化

對設計的散貨船進行比較分析，將相似散貨船的設計結果繪于圖3中。

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

關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。87000t散貨船原來的系數為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，只是根據修長度等不同，側重點會有變化。設計方向的探討還需要船模及實船試驗的驗證。一旦這樣的優化效果得到試驗驗證，再加以數據的積累，即可將此方法作為以后舵系開發的基本思路和設計參考。

圖3 舵面積比

4 結 語

船舶的操縱性與舵的設計、船體形狀密切相關，舵面積的選取與船體的修長度有一定的規律性，通過對一些成熟母型船的分析對比認為，舵面積比應與船體修長度成負相關關系，但當修長度大過某一數值時，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化設計思路可運用到其他船型，為船型開發設計中舵面積優化提供借鑒。

[1] 唐寧生. 對IACS《散裝貨船共同結構規范》中有關舵設備的幾點意見[J]. 船舶，2008.

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

[3] 盛振邦，劉應中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學出版社，2003.

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

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

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