49 500 載重噸散貨船襟翼舵的性能優勢

林浩東

(寧波海運股份有限公司,浙江 寧波 315020)

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49 500 載重噸散貨船襟翼舵的性能優勢

林浩東

(寧波海運股份有限公司,浙江 寧波 315020)

選取采用常規舵的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，進行操縱性能的對比。通過試驗證明，襟翼舵比常規舵在船舶操縱性能上更具優勢，從而進一步說明襟翼舵能夠提升船舶的安全性和經濟性。

襟翼舵；操縱性；經濟性；回轉試驗；Z性試驗

0 引言

隨著船舶朝大型化方向發展，其操縱性越來越受到了人們的重視。

常規舵只有在來流速度作用下才能為船舶的操縱轉向提供足夠的回轉力矩和舵力。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揮正常的舵效。

船用襟翼舵較好地解決了常規舵這一缺陷。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律相對轉動的主體和尾翼，通過傳動機構使主體和尾翼之間有一個夾角，使舵面形成一個拱度。當主體與普通舵在同一角度下，襟翼舵所達到的升力隨著拱度的增大而增大。

本文選取采用常規舵的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行對比，通過回轉試驗和Z形試驗,結果顯示襟翼舵具有更好的舵效。

1 襟翼舵的特點和組成

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

由于船體線型原因，2種舵的類型不同，常規舵為半懸掛舵，襟翼舵為懸掛舵。其結構圖見圖1。

常規舵舵系組成為舵機、上舵承、下舵承、舵桿、舵葉。襟翼舵舵系由舵機、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動。當主體轉動一個δ角時，尾翼繞連接鉸鏈的中心軸向相同一舷轉出一個β角度，兩者轉動的方向是一致的，但尾翼的轉動角度比主舵的轉角大。這樣就相當于增加了舵剖面的拱度，從而產生更大的流體動力，提高了轉船力矩和舵效。連接套筒是將上、下舵承用結構件進行連接，并形成一個整體的構件。上、下舵承內孔的鏜孔加工，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。這種設計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，船模試驗在上海船舶研究所的操縱水池進行，試驗時間為2010年11月1日。49 500 載重噸散貨船為在建船，裝有襟翼舵，船模試驗時間為2015年8月，在702研究所的耐波性/操縱性水池進行。

這2個系列船實船主尺度相同。總長LOA為199.99 m，吃水T為10.7 m，船寬B為32.26 m，設計航速V為13 kn。唯一不同的參數是垂線間長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，其數值也相當接近。

2艘散貨船的操縱性自航模試驗包括設計吃水和壓載吃水狀態下的回轉試驗、Z形試驗、緊急制動試驗，本文著重分析設計吃水狀態下回轉試驗和Z形試驗的試驗結果。

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與機敏回旋半徑ρ近似成反比關系來估算A，即A∝1/ρ。當然從估算關系來講，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，通常可以認為在合理的舵面積下，估算關系是成立的。展舷比也是一個反應舵效的重要參數。在合理的范圍下，通常可以認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中的數據發現，2艘船舶主尺度相同，垂線間長相近，若在同樣使用常規舵情況下，47 500 載重噸散貨船的操縱性能應該比49 500 載重噸散貨船更具優勢。

2.2 試驗結果比較

2.2.1 回轉試驗

回轉試驗的目的是確定船舶回轉能力。在給定航速和舵角的情況下進行左、右回轉運動試驗，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定回轉直徑DS、戰術回轉直徑DT、回轉縱距LM，通常對這些回轉特征參量無因次化，表達成DS/LPP，DT/LPP，LM/LPP。

在設計吃水和設計速度相同情況下的測量數據結果顯示，47 500 載重噸散貨船在左滿舵和右滿舵狀態下的數據分別為：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下的數據分別為：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個回轉試驗的數據發現，在設計吃水相同狀態下，使用常規舵的47 500 載重噸散貨船的穩定回轉直徑DS約為2倍船長，而使用襟翼舵的49 500 載重噸散貨船的穩定回轉直徑DS約為1倍船長。由于49 500 載重噸散貨船的戰術回轉直徑和回轉縱距優于47 500 WDT散貨船，所以在各種工況下的回轉航程相對縮短，從而減少了油耗，提高了船舶操縱性能和經濟性。

2.2.2 Z形試驗

Z形試驗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能力。船模按預定航速直線航行達到穩定狀態后，盡可能快速將舵轉到右舷規定的舵角(右舵δ=+10°)。作為第1次操舵，δ成為執行舵角；當船艏偏離原航向ψ(ψ=10°)時，立即轉舵到反向相同舵角(左舵δ=-10°)，作為第2次操舵，ψ稱為換舵首向角。上述操舵后，船仍朝原方向繼續回轉，但回轉角度速度逐漸減小，直到回轉運動消失，然后向左回轉；當船舶艏向偏離直航線達左ψ時，再操作右舵δ，作為第3次操舵。

國際海事組織(IMO)有關操縱性標準規定：以±10°/±10° Z形試驗的ψov1和ψov2，以及±20°/±20°Z形試驗的ψov1和ψov2作為船舶航向糾正和航向保持能力的參數。而±10°/±10° Z形試驗的無因次初縱距L10作為評價船舶初始回轉能力的參數。

船舶Z形試驗顯示，設計吃水相同狀態下，47 500 載重噸散貨船的L10分別為1.664和1.420，小于IMO標準值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標準值2.5，也小于使用常規舵的47 500 載重噸散貨船的值。

同樣，也是在設計吃水相同的狀態下，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ψov1=11.95°和ψov2=19.88°，+10°/+10°舵角下分別為ψov1=11.93°和ψov2=19.63°；裝有常規舵的47 500 載重噸散貨船在-10°/-10°的舵角下的超越角分別為ψov1=6.8°和ψov2=16.8°，+10°/+10°舵角下的超越角分別為ψov1=8.1°和ψov2=20.8°。

從測量的數據結果分析，裝有襟翼舵的49 500 DWT散貨船的ψov1和ψov2要大于裝有常規舵的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，從試驗的時間曲線看，襟翼舵的船艏滯后時間明顯小于常規舵，而且初始回轉能力L10明顯優于常規舵。49 500 DWT散貨船的初始回轉縱距約為1倍船長，而47 500 DWT散貨船約為1.5倍船長。

3 結語

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。穩定回轉直徑和初始回轉直徑的減小，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，更短距離地達到所需航線，無形之中減少了油耗，提高了經濟效益。而且由于襟翼舵存在傳動機構，所以一般會再增設假舵，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定性，使其在海上航行需要保持航向時具有相當大的優勢。

目前，國家正在部署建設綜合立體交通走廊，打造長江經濟帶，研究推廣江海直達船型，鼓勵發展節能環保船舶。海船進江，船舶穩定性、強度、安全等方面沒問題，但是江水較淺，航道狹窄，船只數量大，而且航速相對較低，這時候常規舵的舵效就無法正常發揮。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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[2] 郭春雨,楊晨俊,馬寧.襟翼舵的敞水及槳后水動力性能研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2008,36(11):108-111.

[3] 趙琦.襟翼舵水動力性能及設計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[4] 黃昊.民用船舶常規舵系設計的比較分析[D].上海：上海交通大學,2012.

2016-10-19

林浩東(1986—)，男，工程師，主要從事新船監造和機務管理工作。

U664.36

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