新型50 000 t油船舵系設計流程

李文亮

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

50 000 t油船是新開發的MR型油船項目的首制船，是一款低油耗、高航速且滿足第三階段能效設計指數的節能環保型油船，對其線型、分艙布置、設備配置等進行全方位優化設計后，與之相匹配的舵系也進行了優化設計。

在設計初期，由于舵參數需要根據船體線型等參數及時快速的確認，所以，可以將整個舵系計算書在Excel表中編輯，便于校核時修改。編制規范直接計算表格也是目前舵系設計人員主要的設計方式，可以通過此計算表格對舵系各參數進行持續優化。各舵系參數基本確定后，為了有效地保證舵系設計的準確性，減少后期可能存在的設計變更，可以運用BV舵系設計軟件對舵系設計進行二次校驗。

本文采用規范直接計算表格對50 000 t油船舵系主要參數進行分析選取，并運用BV舵系設計軟件校核舵系設計流程和方法。

1 舵系統簡介

操縱性是船舶的重要性能之一，包含航向穩定性和回轉性。操縱性良好的船舶具備足夠的航向穩定性、中小舵角良好的應舵性能、符合要求的大舵角回轉性能、適中的主機停車和主機逆轉的停船性能，而良好的操縱性必須依靠操縱設備來保證。

船用舵是小展弦比的平板或機翼型結構，設置在船尾。當它轉動時，舵上產生的水動力的合力在垂直于船體中心線的方向上的分力相對于船體剖面形成了轉船力矩。舵的形式很多，除了普通舵之外還有襟翼舵、制流板舵、魚尾舵、轉柱舵等。

舵系由舵葉、舵桿、舵銷、上舵承、下舵承、止跳裝置、舵角限位裝置、舵機及其自身控制系統、相關聯的自動舵系統等組成。舵系材料除需要滿足規范要求外，還應滿足角度限位、操舵時間限制、操作位置、自動舵等操縱要求，以及額外的水下檢驗要求。

2 舵葉參數的選擇

舵葉外形主要配合船舶尾部線型和螺旋槳的布置，并考慮舵葉的強度及制作便利性等。50 000 t油船為單槳船，在綜合考慮船舶操縱性及建造成本的基礎上，選用單舵形式。在初步設計階段，船舶線型及艙室劃分完成，大致輪廓已經成型。按常規布置，為了提高舵效，將舵設置于螺旋槳正后方，使其位于螺旋槳的尾流中。為了提高船舶的航向穩定性，并減小舵桿處彎矩和扭矩的影響，本船設置掛舵臂，采用半懸掛舵形式。舵葉的下緣高于基線，上緣接近船底。為了進一步提高船舶的航向穩定性，減少舵葉上緣的繞流以提高舵效，本船設置了假舵。另外，如果船舶有相關冰區的要求，需要提前設計預留尾部冰刀的空間。

為了減少船舶自身的結構重量，進一步提高船舶的載重量，對艉部的結構進行局部優化后，艉封板距舵桿中心線的長度縮小了300 mm，相關線型也進行調整。由于艉部線型的設計直接關系到舵系的布置及舵葉面積的選取，因此需依據優化后的結構線型對舵系的整體設計進行優化更新，并校驗舵系設計是否符合規范要求。優化前后的舵葉主要參數見表1，選取的參數隨著設計的深入需要不斷地迭代優化。

表1 結構優化前后舵葉參數對比

2.1 舵面積的選取

舵葉面積的選擇直接影響船舶的操縱性。雖然在初步設計階段對艉部結構線型優化后，相關舵葉面積的選取空間已經不大，但是舵葉面積的最終選取仍需進行比對分析，并按照最小規范計算面積的計算方法和參照母型船對最終選取的舵葉面積進行驗證。

參照散貨船共同結構規范，為達到充分的操縱性能，建議可移動舵葉面積應不小于下式計算值：

(1)

式中：為舵葉面積；為舵型因子；為舵類型因子；為舵形狀因子；為舵系布置因子；為規范船長；為型吃水。

以某56 000 t油船為母型船，對舵葉面積進行參照分析：

(2)

式中：為母型船的舵葉面積；為母型船的船長；為母型船的型吃水。

根據式(1)計算，規范要求的最小舵葉面積為32.69 m。根據式(2)計算，本船的舵葉面積結構線型優化前應為44.78 m，相關數據見表1。結合本船優化后的艉部線型，實際選取的舵葉面積為42.87 m，大于規范最小計算面積，滿足規范要求。

與母型船的相關舵葉面積參數對比見表2。通過對比發現，本船最終的舵面積比略高于母型船，可以滿足后期使用的要求。

表2 舵葉面積參數表

2.2 舵葉外形和剖面翼型等參數的選取

舵剖面是指由垂直于舵桿軸線的平面截得的舵葉剖面，通常沿高度方向厚度不變的矩形舵的各個剖面的形狀完全相同。非矩形舵雖然各個剖面的弦長不同，但一般均采用相同的厚度比，因而其各個剖面的形狀相似。國內采用較多的流線型是NACA流線型剖面。NACA剖面的升力系數較大，阻力系數較小，前緣不是太肥大，對提高螺旋槳的推進效率有利。從工藝來說，NACA剖面為對稱型剖面，較易施工，結構強度較好，不用特殊加強。

舵葉厚度比的選擇主要取決于舵葉和舵桿的強度，常用厚度比為0.15～0.25。一般來說，厚度比增大后，升力系數的斜率略有減小，阻力系數略有增大，失舉角和最大升力系數在一定的厚度比范圍內略有增加。

展弦比是決定舵流體動力特性的主要因素，它決定著升力系數曲線的斜率與失舉角的大小。展弦比越大，升力系數斜率越大，失舉角越小。在同樣展弦比下，平衡舵的失舉角較小，帶舵的不平衡舵和帶掛舵臂的半平衡舵的失舉角較大。帶掛舵臂的半平衡舵的展弦比常在1.5～2.4之間。本船設計時最終選取的展弦比為1.621。

在艉部線型和舵面積已確定的情況下，舵的外形可供變動的余地是很小的。試驗表明，在展弦比一定時，舵外形的變化對其流體動力特性的影響極微。因此，本船舵葉剖面的選取重點是舵葉的強度及后期制造的便利性等方面。

經過綜合分析以后，最終選用厚度比為0.19的NACA0019型流線型舵葉剖面翼型。

3 舵系主要數據的計算校核

3.1 舵系主要參數的選取

在舵葉外形、剖面等參數已經明確的基礎上(見圖1)，按照規范的要求，校核優化整個舵系設計。通過計算，可以得到整個舵系設計的重要支撐參數，如正車和倒車時的舵力、舵桿扭矩、舵桿直徑、舵銷直徑、舵桿舵銷壓入量、舵葉強度等參數。

圖1 舵葉外形參數圖(單位：mm)

本船在研發初期申請了美國船級社(ABS)的原則認可，故舵系計算依據ABS規范進行。將舵葉相關設計參數輸入前期依據規范公式編輯好的計算表中，可以得到表3的舵系主要參數，并依據相應要求，選取最終的參數。

表3 舵系主要參數

在舵系主要參數的計算過程中，舵扭矩參數的選取很重要，直接關系到舵機的選型。在確定舵機扭矩時除了水動力造成的舵桿扭矩外，還應計及舵系統各支承處的摩擦力矩，其中最主要的是舵桿軸承的摩擦力矩。常規舵機扭矩的選取為計算舵扭矩的1.2倍左右，本船為1 055.04 N·m。考慮到MSC對電液舵在試航時舵機扭矩和試驗壓力的關注，50 000 t油船在試航時可以達到滿載試航工況的要求，后期無需進行扭矩和系統壓力的推算，但是本船實際選用的舵機扭矩仍在此基礎上增加一定的裕度。

舵桿和舵銷作為舵系統主要的傳、受力構件，依據規范要求一般選用鍛鋼件，其化學成分及力學性能也都要滿足規范中相應要求。其材料最小屈服強度的選取不僅將直接關系到舵桿和舵銷直徑的選取，進而影響舵葉剖面厚度比的選取，還會對后期的采購成本及加工等造成影響。故在實際選取時，需要進行通盤考慮，多次迭代選取。

本船采用焊接結構的舵葉，主要由舵葉旁板、垂直隔板、水平隔板及連接舵桿和舵銷的鑄鋼件組成。相關的舵板厚度也按照規范要求進行了計算驗證，見表4。

表4 舵葉板厚的選取 單位：mm

3.2 運用BV舵系設計軟件的二次校核

整個舵系按照ABS規范直接計算完成以后，又使用BV舵系軟件對舵系設計進行了二次校核。BV的舵系計算軟件是依據BV最新規范要求設計的舵系直接計算軟件。將主要的舵系幾何參數逐步輸入軟件后，軟件將按照其規范的要求進行驗證，并生成最終直接計算的數據。雖然計算得出的數據后續仍需要送ABS社審核確認，但是在初步設計階段可用作舵系設計的校核參考。

4 舵系統的布置

在規范計算完成以后，需要對相關的參數進行整合，并對部分細節參數進行確認和優化完善。此外，還需重點關注以下幾點：

(1)作為舵系控制系統的舵機形式需要確認。在設計初期，為了便于后期安裝及控制空船重量，選擇了體積小、重量輕的轉葉式舵機。在技術談判階段，船東按照其使用習慣，最終選擇了更便于后期維護保養的柱塞式舵機。

(2)舵葉整體為狹小密閉空間，在舵葉結構設計時，需要充分考慮施工人員的進出通道，且內部狹小空間作業不僅會增加施工的難度，而且對施工人員的安全也會帶來一定的影響。故實際設計時需盡最大努力減少舵葉內部的作業量，可在滿足規范要求的前提下，后續安裝的舵葉旁板盡量多采用塞焊形式。塞焊孔的長度一般為75 mm，寬度為2倍舵板厚度，兩端為半圓，間距最大不超過125 mm。

(3)為了舵葉的安裝和拆卸，在舵葉上常規需設置吊舵孔。考慮到舵桿和舵銷液

壓螺母的拆裝，相應安裝位置需設置為可拆板形式。根據ABS的要求，舵桿和舵銷液壓螺母處在水下檢驗時需設置可以檢查舵桿和舵銷安裝狀態的裝置，這就要求設置帶玻璃的水下密封觀察孔。

在綜合考慮以上的一系列事項的基礎上，最終順利繪制完成首制船的相關舵系計算書、舵系布置圖、舵葉、舵桿、舵銷、鑄鋼件、液壓螺母、軸套、襯套及其他相關零件圖，并提交ABS審核完成，相關設計滿足規范的相應要求。

5 結論

(1)舵系的設計過程中涉及的參數很多，而且很多參數之間是相悖的。這就會出現，為了滿足或優化某個參數，卻引起其他參數的不利變化，從而導致舵效降低。

(2)舵系設計并不能一蹴而就，其設計過程需要不斷循環往復，要在不同的參數組合中選擇相對優化的方案。

(3)理論上講，舵系設計方案并不能保證其最優性或者唯一性，后續仍需持續進行優化設計。