基于CFD的舵機選型方法

龍進軍，李 艷

(南通航運職業技術學院 船舶與海洋工程系, 江蘇 南通 226010)

0 引 言

舵機是船舶保持航向、改變航向及旋回的重要操縱設備，目前舵機的選型工作基本上在船舶設計階段已完成，但是在實際工作中，有時會發現在船舶試航階段、在船舶營運階段出現的舵機問題很多都與舵機的選型有關。如某型多用途船在試航時，發現舵機無法推動舵葉轉動，后經反復實驗，重新選用舵機才滿足試航要求；有些船舶在高速行駛或在激流中航行時，會在某一特定舵角卡死；有些船舶在試航時，會出現舵機工作壓力高于設計壓力的情況。分析上述問題時，通常的做法大多從舵機的性能、可靠性方面進行分析[1]，而從舵機選型角度的分析較少。這里的原因主要有3個方面：一是規范對舵機選型的要求采用的是經驗公式，無法進行精確的計算，另對一些特殊船型還不適用；二是現行舵機選型方法未考慮舵葉的水動力曲線、轉舵扭矩曲線與舵機的特性曲線的配合問題，僅用計算最大轉舵扭矩值來進行舵機選型，但因舵桿最大轉舵扭矩時的轉舵角與舵機發出最大扭矩時的轉舵角不是同一舵角，因而存在雖然舵機最大扭矩大于舵桿最大轉舵扭矩，但舵機扭矩曲線不能全舵角覆蓋舵桿轉舵扭矩的情況；三是舵機選型工作僅處在船舶設計階段，舵機選型工作與舵機廠家的生產過程、船廠的舵機安裝過程脫節。針對上述3個原因，本文給出了相應的解決方案。對于原因一的解決方法是采用Fluent軟件進行舵力計算和舵桿轉舵扭矩計算，由于舵的水動力性能數值模擬計算技術的不斷進步，用Fluent軟件進行舵水動力計算來代替經驗公式的方法已比較成熟，計算精度經過實驗驗證已能得到保證[2]；對于原因二的解決方法是用舵桿轉舵扭矩曲線與舵機的特性曲線對比的方法進行舵機的選型工作；對于原因三的解決方法是進一步深化舵機選型工作深度，以往選舵機只確定舵機額定扭矩值，現在則要確定舵機的舵柄尺寸參數、推舵油缸尺寸參數及推舵油缸工作壓力，使船舶設計單位、舵機生產單位及船廠共同參與舵機選型工作。

本文通過對現行舵機選型方法分析，針對該方法的不足之處，以某型舵球舵為實例，應用Fluent軟件進行舵的水動力性能分析，計算舵桿扭矩值，繪制舵桿轉舵扭矩曲線，通過對比舵桿轉舵扭矩曲線與舵機的特性曲線最終確定舵機工作參數。本文結論可為船舶舵的選型設計提供一定參考。

1 舵力數值模擬計算

1.1 舵參數介紹

本文以按綠色環保理念設計的39 000 t散貨船為例，設計航速14 kn，采用的舵型為NACA0018，展弦比為1.65，該船舵系統組成及舵葉尺寸如圖1所示。以舵球舵為例主要考慮隨著一系列國內外綠色船舶標準的出臺，有著低碳、環保特點的綠色船舶日益得到推廣應用，綠色船舶基本上都采用舵球舵作為船用舵，舵球處于螺旋槳槳縠后的低壓區，對槳后的水流有較好的整流作用[3]，能夠減少紊流渦流造成的能量損失；由于舵球的存在，將槳后尾流向外推擠，減少了尾流收縮，提高了螺旋槳推進效率[4]。但相對未安裝舵球的舵葉，舵球的存在改變了舵葉的舵力和舵桿力矩，而現行規范在計算舵葉的舵力時，僅考慮舵葉的側投影面積，如按現行規范計算舵力，就會出現偏差。

1.2 利用Fluent軟件計算舵力及舵桿扭矩

舵葉的升力系數CL、阻力系數CD和壓力中心系數CX定義如下：

式中：PL為舵的升力；PD為舵的阻力；b為舵截面的弦長；XC為舵壓力中心至舵端部的距離。舵的受力分析如圖2所示。

由式（1）～式（3），可得：

舵力的法向力

舵力對舵桿的力矩

由式（5）可作出對應各轉舵角度下的舵桿扭矩曲線。

舵球舵舵力數值計算選用RANS[5]方程方程作為求解翼型三維粘性流場的基本方程，湍流模型為RNG kε模型[6]。采用Gambit建模時，將舵和掛舵臂看成一整體考慮，邊界條件設置如下：計算域大小為15倍弦長×8倍弦長×12倍（長×寬×高）[7]；計算域的出口距舵球舵隨邊的距離為10倍弦長，邊界條件設置為壓力出口，壓力初值設定為未擾動時的邊界壓力值；計算域外邊界左右距舵球舵的縱向中心線的距離為4倍弦長，上下距舵球舵中心線的距離為6倍弦長，速度設定為未受擾動的主流區速度；舵表面定義為無滑移、不可穿透邊界條件。在整個計算域采用非結構網格，在近舵表面區域對網格加密，網格劃分見圖3所示。正車情況下，舵桿力矩計算結果如表1所示。

2 舵桿扭矩校核

采用Fluent軟件計算的舵桿扭矩需滿足CCS《鋼質海船入級規范2015》（以下簡稱規范）第2篇第3章的要求[8]，按規范舵力按下式計算：

表1 應用Fluent軟件計算的舵桿力矩值Tab. 1 rudder torque computed by fluent software

式中：K1，K2，K3均為系數，規范規定此3個系數的計算與選取方法。其中，K1與舵葉尺寸有關，K2與舵葉類型有關，K3與舵位置有關；A為舵葉面積；Vd為舵設計速度。

根據該規范要求，舵桿扭矩按下式計算：

式中：F為舵力，按式（1）計算；R為臂距，分為無缺口舵葉和有缺口舵葉2種情況進行計算，對照本文案例，應采用有缺口舵葉臂距計算公式：

同時，臂距R的取值應不小于。

在式（3）和式（4）中，α1和α2均為系數，按規范要求選取；c1和c2分別是A1和A2的平均寬度，其余參數與尾軸中心線和舵桿中心線切割舵葉所形成的4塊面積大小及占比有關，如圖4所示。

將本文所選舵的相關參數分別代入式（1）～式（4）后，可得正車時舵桿扭矩為233 kN·m。現行舵機選型方法是先按規范要求計算舵力和舵桿扭矩[9]，然后再加0.5倍的舵桿扭矩用于克服船航行中受到的附加扭矩和舵系的摩擦扭矩，最終以大于1.5倍舵桿扭矩值即大于350 kN·m進行舵機選型，至于最終所選舵機的扭矩值則由設計者根據經驗決定。

表2總結了不同國家的研究者們對典型EDCs在傳統污水處理廠中的進水和出水濃度情況，由表2可以看出，在不同的污水處理廠其進出水濃度顯示出很大的時空差異，這可能由很多因素引起，如含內分泌干擾物產品生產和使用量、排泄速率、每人每天的水消耗量、污水處理廠的規模、處理工藝等.

利用Fluent軟件計算出的舵桿扭矩最大值為274 kN·m，大于根據規范計算出的舵桿扭矩最大值為233 kN·m，可按大于1.5倍值即411 kN·m進行舵機選型，可見利用Fluent軟件進行舵球舵的水動力性能預估是安全的。這里主要有幾個原因：一是利用Fluent軟件計算舵桿扭矩時，考慮了掛舵臂的對舵力的影響因素，而根據規范計算舵桿扭矩時，則未考慮掛舵臂的影響因素；二是考慮了舵球的影響因素，舵球不僅改變了舵葉的整體面積，同時對舵的升力和壓力中心位置也有影響。

3 舵機選型

3.1 舵機扭矩的確定

本文案例選用電動撥叉式液壓舵機，舵機生產廠家在生產舵機時，會將輸出扭矩在一定范圍內的舵機定為同一級別，同一級別的舵機，其結構件尺寸相同，只是工作壓力不同，通過調整工作壓力，達到輸出扭矩不同，而不同廠家型號的舵機結構參數略有不同。根據本文規范計算結果舵機扭矩需大于350 kN·m，根據Fluent軟件計算值則需大于411 kN·m，本文以Fluent軟件計算值為舵機選型依據，為便于比較，按正車、舵機在35°舵角情況下，以扭矩為470kN·m、490 kN·m和510 kN·m分別作出舵機扭矩曲線進行舵機選型工作。

本文所選某型舵機主要構件參數如下：推舵油缸直徑0.17 m，舵柄直徑0.47 m，在進行舵機選型時，不僅要確定舵機輸出扭矩，還需確定系統工作壓力。舵機推舵結構受力情況如圖5所示。

根據圖5 可推出舵機扭矩公式：

式中：MQ為±α時舵機的公稱扭矩；F為柱塞上的作用力，；Ro為舵柄半徑，Ro=0.47 m；A為柱塞面積，；D為柱塞直徑，D=0.17；ΔP為推舵機構最大工作壓差；n為液壓缸對數；η為滑式機構機械效率；一般取0.75～0.85。

本文選用雙對液壓缸撥叉式液壓舵機，機械效率取0.8[10]，通過式（5），再考慮舵機管路損失取1.6 MPa后，可得出舵機在不同系統工作壓力下的扭矩值，見表2所示。

表2 舵機扭矩計算表Tab. 2 Torque calculation of the steering gear

3.2 舵機選型

利用表2數據可做出不同系統壓力下的系列舵機扭矩曲線，再將表1中的數據在此圖中做出舵桿扭矩圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，當舵機系統壓力為20.1 MPa時，舵機在35°舵角時輸出扭矩為470 kN·m，大于1.5倍舵桿扭矩411 kN·m，但在18.9°～28°舵角之間，舵桿扭矩大于舵機扭矩，不符合要求；當系統壓力為20.9 MPa時，在20.5°～26.5°舵角之間，舵桿扭矩大于舵機扭矩，不符合要求；當舵機系統壓力為21.7 MPa時，舵機在35°舵角時輸出扭矩為510 kN·m，在全舵角范圍內符合要求。

在舵機選型工程中，目前難以解決的問題是舵承的摩擦阻力預估問題，摩擦阻力與舵承結構、潤滑油品種、舵承安裝工藝及現場安裝手法都有關系[11]，以現有的技術手段還不能準確預估舵承摩擦阻力，通常做法是加舵桿扭矩的0.5倍值用于克服舵承摩擦阻力。但在試航中有時會出現加0.5倍舵桿扭矩還不足以克服舵承摩擦阻力的現象，本文給出的解決方法是在滿足舵機結構強度和液壓系統設計要求的條件下，給出舵機系統壓力的上限值，在試航時根據舵機的負荷情況，最終確定舵機系統壓力和舵機扭矩。

4 結 語

本文利用CFD技術在船舶設計階段得出了舵球舵的舵桿扭矩曲線，再將舵機設計技術直接運用在舵機選型工作中，改變由舵桿扭矩值選取舵機扭矩值的傳統做法，改為通過舵機系列系統壓力下的扭矩曲線與舵桿扭矩曲線對比，進而選擇合適的舵機系統壓力和舵機扭矩，從而實現了舵機選型由按經驗選型變為通過曲線數據對比選型。

在舵機選型工程中，通過將舵機選型指標參數由舵機扭矩值改為舵機系統壓力值，使設計單位、舵機生產單位、船廠三方技術人員能夠共同參與舵機的選型工作，從而使舵機選型工作更能滿足實際工況。

參考文獻：

[ 1 ]王孝霖, 許歷, 韓星星, 等. 船用舵機液壓系統分析及典型故障處理[J]. 機床與液壓, 2015(22): 187–189.

[ 2 ]HOU Li-xun, Wang Chao, Chang Xin, et al. Hydrodynamic performance analysis of propeller-rudder system with the rudder parameters changing[J]. Journal of Marine Science and Application, 2013(4): 406–412.

[ 3 ]何苗, 王超, 郭春雨, 等. 舵球幾何參數對螺旋槳水動力性能的影響[J]. 武漢理工大學學報, 2011(7): 68–72.

[ 4 ]程枳寧, 陳正壽, 黃聰漢, 等. 船舶附加水動力節能裝置研究進展[J]. 浙江海洋學院學報(自然科學版), 2016(1): 70–75.

[ 5 ]周廣禮, 董文才, 姚朝幫. 半懸掛舵敞水水動力性能數值計算方法研究[C]//2013年船舶水動力學學術會議論文集,2013, 104–112.

[ 6 ]林友紅. 半懸掛舵的敞水水動力性能與舵力預估方法研究[J]. 艦船電子工程, 2015(10): 142–147.

[ 7 ]周廣禮, 姚朝幫. 小展弦比翼大攻角水動力數值計算方法[J].艦船科學技術, 2016(6): 337–341.

[ 8 ]中國船級社. 鋼質海船入級與建造規范[S]. 北京人民交通出版社, 2015.

[ 9 ]梅琴生. 船用舵[M]. 北京: 人民交通出版社, 1981: 97–98.

[10]蘇東海, 黃鑫. 船舶舵機液壓參數設計[J]. 液壓與氣動,2008(6): 14–16.

[11]汪家政, 翟連忠. 大型船舶舵系安裝精度控制關鍵技術研究[J]. 船舶工程, 2011(2): 71–73.