某耙吸挖泥船呆木設(shè)計

毛建輝，邢 磊，符 毅，張宇凡

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司，上海 200135；3.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引 言

快速性和操縱性是船舶的重要性能，對于耙吸挖泥船來說尤其重要，直接關(guān)系到其航行和疏浚作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為追求裝載最大化，近年來耙吸挖泥船普遍采用肥大型設(shè)計，相比20世紀(jì)90年代中期，其大型化趨勢越來越明顯：船長船寬比（L/B）的平均值由以往的5.54減小為目前的4.40，個別船型的L/B已小于3.90；寬度吃水比（B/T）由以往的2.14增大為目前的3.26，個別船型的B/T突破了3.43；方形系數(shù)（Cb）從20世紀(jì)90年代中期的0.86逐次增大，目前直逼0.90。這些變化雖然能提升船舶的經(jīng)濟(jì)效益，但給其總體性能設(shè)計帶來了很大挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)外有關(guān)耙吸挖泥船快速性的研究已有很多，主要通過對艏部采用球鼻艏、對艉部采用球艉或雙艉鰭等線型優(yōu)化措施提高船舶的阻力性能和推進(jìn)性能。對于耙吸挖泥船的操縱性，由于該類型船具有肥大船型特征，故其回轉(zhuǎn)性能較好，但其航向穩(wěn)定性較差。由于耙吸挖泥船需在繁忙的航道開展疏浚作業(yè)，因此國內(nèi)外學(xué)者對其操縱性研究非常重視，主要通過在艏部設(shè)置艏側(cè)推，在艉部采用雙機(jī)雙槳，甚至采用舵效良好的魚尾舵或襟翼舵，獲得良好的操縱性能。對于耙吸挖泥船的航向穩(wěn)定性，該類型船在低速挖泥時需具有良好的航向穩(wěn)定性，使船舶軌跡近似于直線，避免因航向不穩(wěn)定而引起漏挖或超挖現(xiàn)象，提高挖泥作業(yè)的質(zhì)量和效率，目前國內(nèi)外有關(guān)該內(nèi)容的研究相對較少。董蕾等［2］分析了影響船舶航向穩(wěn)定性的因素，給出了相應(yīng)的補(bǔ)救措施，其提到呆木作為一種改善船舶航向穩(wěn)定性常用的附體形式，廣泛應(yīng)用于肥大型船舶中。曹留帥等［3］采用“分離型”操縱性數(shù)學(xué)模型預(yù)報了呆木對艦船操縱性的影響，得到了呆木面積與航向穩(wěn)定性成正比的結(jié)論。趙小仨等［4］通過研究得到了水動力導(dǎo)數(shù)隨呆木面積變化的趨勢圖。本文以某耙吸挖泥船為例，分析呆木對船舶的阻力性能、操縱性和航行穩(wěn)定性等性能的影響，并介紹2種呆木線型設(shè)計方案，通過開展航行和挖泥作業(yè)2種工況下的阻力和自航模型試驗，比較這2種方案的優(yōu)劣。該耙吸挖泥船長約88 m，寬約22 m，吃水約5.5 m，L/B=4.0，B/T=4.0，Cb≈0.89，肥大船型特征明顯。

1 呆木對船舶總體性能的影響

1.1 對快速性的影響

為得到呆木對船舶快速性的影響，開展有呆木和無呆木2種方案下的快速性模型試驗。根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的模型阻力試驗結(jié)果，有呆木線型（雙艉鰭船型+呆木）與無呆木線型（雙艉鰭船型）相比，在設(shè)計航速（12 kn）附近，有呆木線型的剩余阻力系數(shù)Cr比無呆木線型大6.1%。也就是說，加裝呆木之后，船舶的濕表面積增大，且艉部流態(tài)受呆木的影響，導(dǎo)致船舶的黏壓阻力增大，因此對阻力性能不利（有效功率增加約4.0%），見圖1，其中EHP為有效功率（Effective Horsepower），vs為航速。另外，根據(jù)船模自航試驗，有呆木線型的總推進(jìn)效率比無呆木線型低約0.8%，這也說明無呆木線型螺旋槳處的流場比較均勻，推進(jìn)性能比較好。由此可知，與無呆木線型相比，加裝呆木之后船舶的阻力增加，推進(jìn)性能下降，在相同的推進(jìn)功率下航速下降約0.1 kn。因此，若船舶對航向穩(wěn)定性沒有特殊要求，建議不設(shè)置呆木。

圖1 呆木對船舶快速性的影響

1.2 對操縱性的影響

隨著船舶Cb/（L/B）的增大，其回轉(zhuǎn)阻尼明顯減小，應(yīng)舵遲鈍，操縱性在零舵角附近具有不穩(wěn)定環(huán)線。文獻(xiàn)［6］介紹了一艘Cb/（L/B）=0.126的油船的螺線試驗結(jié)果，見圖2，其中δ為舵角，r為角速度。由圖2可知，該船的航向不穩(wěn)定。

圖2 Cb/（L/B）=0.126的油船的螺線試驗結(jié)果

本文所述船舶的Cb/（L/B）=0.218，其肥大型特征比圖2所示油船明顯，其操縱特性在零舵角附近也具有不穩(wěn)定環(huán)線，特別是在低速挖泥時表現(xiàn)為應(yīng)舵響應(yīng)慢，需頻繁操舵校正船位，甚至?xí)霈F(xiàn)船尾來回擺動的情況，必須予以特別關(guān)注。

在方案設(shè)計初期，通過經(jīng)驗公式對該船的航向穩(wěn)定性進(jìn)行估算。根據(jù)斯米特對35艘不同類型商船的約束船模試驗數(shù)據(jù)，歸納出判別航向穩(wěn)定性的Δc的簡略計算公式為

式（1）中，Lbp、B、T和Cb分別為船長、船寬、吃水和方形系數(shù)。當(dāng)Δc＞0時，該船航向穩(wěn)定，否則航向不穩(wěn)定［6］。

根據(jù)式（1）得到本文所述船舶的Δc=-13.4，說明該船屬于航向不穩(wěn)定船舶，需采取措施提高其航向穩(wěn)定性。根據(jù)曹留帥等［3］和VANTORRE針對呆木對船舶操縱性的影響開展的研究，初步估算呆木對本文所述船舶操縱性的影響，主要結(jié)論如下：

1）呆木對船舶航向穩(wěn)定性的改善程度與呆木面積成正比，航向穩(wěn)定性指數(shù)最大增加約7.0%；

2）呆木對船舶定常回轉(zhuǎn)直徑的增加量與呆木面積成正比，定常回轉(zhuǎn)直徑最大增加約1.6%；

3）呆木對船舶轉(zhuǎn)艏性（初轉(zhuǎn)期）的影響不敏感，但第一超越角會有所減小，即呆木對改善船舶的轉(zhuǎn)艏性有利。

由此可知，呆木對該船的航向穩(wěn)定性的影響非常明顯，對其回轉(zhuǎn)性和轉(zhuǎn)艏性的影響不是很明顯，因此呆木對該船的操縱性的影響主要體現(xiàn)在改善其航向穩(wěn)定性方面。

綜上所述，設(shè)置呆木會增加船舶的阻力，降低船舶的推進(jìn)效率（在相同推進(jìn)功率下航速下降約0.1 kn）和滿舵時的回轉(zhuǎn)性（定常回轉(zhuǎn)直徑最大增加約1.6%），但能大大改善船舶的航向穩(wěn)定性（航向穩(wěn)定性指數(shù)最大增加約7.0%）。因此，基于耙吸挖泥船對總體性能的實際需求，綜合考慮上述因素，認(rèn)為該船應(yīng)設(shè)置呆木。

2 呆木的線型設(shè)計

在設(shè)計呆木時，主要考慮以下2個方面的內(nèi)容：

1）盡量增大側(cè)投影面積，以提高船舶的航向穩(wěn)定性；

2）在側(cè)投影面積不變的情況下，盡量減小呆木阻力，以提高螺旋槳的推進(jìn)性能。

根據(jù)本文所述船舶艉部的實際線型，以及文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］針對呆木面積對船舶操縱性的影響開展的研究，本文所述船舶的呆木從中縱剖面的舵中心線處延伸至船底，側(cè)面積約為18 m2，約占船舶側(cè)投影面積的5.23%。選取2種呆木線型設(shè)計方案，具體如下：

1）方案一為流線型呆木，前半部分線型先將船舶中心線處的水流引導(dǎo)至螺旋槳面處，以增大螺旋槳盤面處的水流總量，再將其收縮至中線面處，以期通過設(shè)計呆木線型改善螺旋槳槳盤處的伴流，提升螺旋槳的推進(jìn)性能，見圖3；

圖3 流線型呆木

2）方案二為常規(guī)平板型呆木，見圖4。

圖4 常規(guī)平板型呆木

上述2種方案的呆木側(cè)投影面積基本一致，方案一的呆木體積比方案二大17 m3。由于耙吸挖泥船艉部的雙艉鰭線型和附體非常復(fù)雜，艉部流場數(shù)值計算比較困難，因此采用模型試驗的方法比較這2種方案在航行和挖泥作業(yè)2種工況［7］下的阻力和推進(jìn)性能的優(yōu)劣（2種方案僅呆木線型不同，船體線型和導(dǎo)管螺旋槳參數(shù)都相同），以確定最終選用的呆木設(shè)計。

該船的所有船模試驗都在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司的拖曳水池內(nèi)完成，該水池長192 m，寬10 m，水深4.2 m。船模縮尺比為16.470 5，船模水線長5.555 4 m，推進(jìn)器為導(dǎo)管槳SKEW-4，槳徑為0.17 m。呆木模型見圖5。阻力試驗和自航試驗中的水池阻塞修正公式為

圖5 呆木模型

式（2）中：ΔV為水池阻塞修正的速度修正量；V為拖車速度；m1=a/A為阻塞比；a為船模舯橫剖面面積；A為水池斷面面積；Frh=v/為水深弗勞德數(shù)；h為試驗水深。

全附體阻力試驗采用二因次法將船模阻力試驗結(jié)果換算到水溫為15 °C的實船上［7］，其中摩擦阻力采用1957年國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）公式計算，對實船補(bǔ)貼時，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)取0.7×10-3。試驗結(jié)果見表1和表2［5］。

表1 自由航行工況下2種方案的阻力性能比較

表2 挖泥工況下2種方案的阻力性能比較

自航試驗是按強(qiáng)迫自航方法進(jìn)行的，每種船速vm下變換4個螺旋槳轉(zhuǎn)速，分別測量螺旋槳的推力Tpm、轉(zhuǎn)矩Qm、轉(zhuǎn)速nm、導(dǎo)管推力Tnm和作用在船模上的強(qiáng)制力F。對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到自航點F=Fd（Fd為摩擦阻力修正值）處的螺旋槳推力Tpm、轉(zhuǎn)矩Qm、轉(zhuǎn)速nm和導(dǎo)管推力Tnm。摩擦阻力修正值Fd的計算公式為

試驗結(jié)果見表3和表4［5］。

表3 自由航行工況下2種方案的推進(jìn)性能比較

表4 挖泥工況下2種方案的推進(jìn)性能比較

在自由航行工況下，由表1和表3可知：

1）在阻力試驗中，方案一的阻力比方案二大，這主要是由于流線型呆木的濕表面積較大，因此摩擦阻力較大，但二者差距不大（在設(shè)計航速12 kn下二者的有效功率相差0.76%）。

2）在自航試驗中，由于螺旋槳盤面處存在勢伴流、摩擦伴流和波浪伴流，對于本文所述船舶來說摩擦伴流是總伴流中的主要成分，因此方案一雖然濕表面積較大，摩擦伴流通常會比較大，但因其具有流線型特征，伴流分?jǐn)?shù)ω比方案二小；方案一的呆木體積較大，這使得其推力損失較大，因此其推力減額t比方案二大。

總體來說，在設(shè)計航速（12 kn）下，方案一的總推進(jìn)效率比方案二小約4%。

在挖泥工況下，由表2和表4可知：

1）在阻力試驗中，由于航速較低，方案一的阻力與方案二基本相同（二者相差約1 kW）。

2）在自航試驗中，由于摩擦伴流在總伴流中占比較大，因此與自由航行工況類似，方案一的伴流分?jǐn)?shù)ω比方案二小，二者差異比較大（航速為4.0～6.5 kn時，ω相差0.17%～24%，這主要是由于此時航速較慢，伴流更不均勻），二者的推力減額差異較小（0～7%）。

總體來說，挖泥工況下2種方案的總推進(jìn)效率差異沒有自由航行工況明顯（相差1%～2%）。此外，挖泥工況下最重要的螺旋槳除了用于推進(jìn)船舶前進(jìn)以外，還能提供拖力Fts，方案一的拖力Fts比方案二略小（航速為6.5 kn時，拖力小3.6 kN）。

綜上所述，不管是自由航行工況還是挖泥工況，方案一與方案二的阻力性能和推進(jìn)性能差異不大，方案二略好些，主要原因是流線型呆木的推力減額比較大。此外，方案二具有建造簡單的優(yōu)勢。因此，綜合考慮之后，建議采用方案二。

3 結(jié) 語

通過對耙吸挖泥船的呆木設(shè)計進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

1）對于肥大型耙吸挖泥船來說，呆木雖然會略微增加船舶的阻力和略微降低船舶的推進(jìn)效率，但能大大改善船舶的航向穩(wěn)定性，因此建議設(shè)置呆木；

2）通過開展模型試驗發(fā)現(xiàn)，對于耙吸挖泥船來說，不管是航行工況還是挖泥工況，常規(guī)平板型呆木在阻力性能和推進(jìn)性能方面的表現(xiàn)都比流線型呆木更好，因此建議采用常規(guī)平板型呆木。