林浩東

(寧波海運(yùn)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(yōu)勢(shì)

林浩東

(寧波海運(yùn)股份有限公司,浙江 寧波 315020)

選取采用常規(guī)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(jìn)行操縱性能的對(duì)比。通過試驗(yàn)證明，襟翼舵比常規(guī)舵在船舶操縱性能上更具優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)一步說明襟翼舵能夠提升船舶的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

襟翼舵；操縱性；經(jīng)濟(jì)性；回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；Z性試驗(yàn)

0 引言

隨著船舶朝大型化方向發(fā)展，其操縱性越來越受到了人們的重視。

常規(guī)舵只有在來流速度作用下才能為船舶的操縱轉(zhuǎn)向提供足夠的回轉(zhuǎn)力矩和舵力。一旦船舶在限制航道航行時(shí)航速會(huì)下降或者遇到相對(duì)來流過小時(shí)舵就無法發(fā)揮正常的舵效。

船用襟翼舵較好地解決了常規(guī)舵這一缺陷。它能夠在限制航道或較低航速時(shí)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(guī)律相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的主體和尾翼，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使主體和尾翼之間有一個(gè)夾角，使舵面形成一個(gè)拱度。當(dāng)主體與普通舵在同一角度下，襟翼舵所達(dá)到的升力隨著拱度的增大而增大。

本文選取采用常規(guī)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(gè)主尺度和載重噸較為接近的船型進(jìn)行對(duì)比，通過回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形試驗(yàn),結(jié)果顯示襟翼舵具有更好的舵效。

1 襟翼舵的特點(diǎn)和組成

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

由于船體線型原因，2種舵的類型不同，常規(guī)舵為半懸掛舵，襟翼舵為懸掛舵。其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

常規(guī)舵舵系組成為舵機(jī)、上舵承、下舵承、舵桿、舵葉。襟翼舵舵系由舵機(jī)、上舵承、下舵承、舵桿、舵葉(由主體和尾翼組成)、傳動(dòng)裝置、連接套筒組成。與常規(guī)舵相比，襟翼舵增加了連接套筒、傳動(dòng)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(dòng)裝置帶動(dòng)尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)主體轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)δ角時(shí)，尾翼繞連接鉸鏈的中心軸向相同一舷轉(zhuǎn)出一個(gè)β角度，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是一致的，但尾翼的轉(zhuǎn)動(dòng)角度比主舵的轉(zhuǎn)角大。這樣就相當(dāng)于增加了舵剖面的拱度，從而產(chǎn)生更大的流體動(dòng)力，提高了轉(zhuǎn)船力矩和舵效。連接套筒是將上、下舵承用結(jié)構(gòu)件進(jìn)行連接，并形成一個(gè)整體的構(gòu)件。上、下舵承內(nèi)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(shè)計(jì)可以有效地保證下舵承與舵桿的間隙要求，同時(shí)舵桿襯套采用水潤(rùn)滑、自潤(rùn)滑的合成材料制造，下舵承無需加潤(rùn)滑油，減少了潤(rùn)滑油對(duì)海水的污染。

2 襟翼舵與常規(guī)舵的性能對(duì)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(yàn)在上海船舶研究所的操縱水池進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)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(yàn)時(shí)間為2015年8月，在702研究所的耐波性/操縱性水池進(jìn)行。

這2個(gè)系列船實(shí)船主尺度相同。總長(zhǎng)LOA為199.99 m，吃水T為10.7 m，船寬B為32.26 m，設(shè)計(jì)航速V為13 kn。唯一不同的參數(shù)是垂線間長(zhǎng)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(shù)值也相當(dāng)接近。

2艘散貨船的操縱性自航模試驗(yàn)包括設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形試驗(yàn)、緊急制動(dòng)試驗(yàn)，本文著重分析設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)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(jī)敏回旋半徑ρ近似成反比關(guān)系來估算A，即A∝1/ρ。當(dāng)然從估算關(guān)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(huì)影響操縱性能。因此，通?？梢哉J(rèn)為在合理的舵面積下，估算關(guān)系是成立的。展舷比也是一個(gè)反應(yīng)舵效的重要參數(shù)。在合理的范圍下，通常可以認(rèn)為展舷比較小則來舵較慢，操縱性能就相對(duì)較差。因此對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2艘船舶主尺度相同，垂線間長(zhǎng)相近，若在同樣使用常規(guī)舵情況下，47 500 載重噸散貨船的操縱性能應(yīng)該比49 500 載重噸散貨船更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果比較

2.2.1 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的目的是確定船舶回轉(zhuǎn)能力。在給定航速和舵角的情況下進(jìn)行左、右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，主要測(cè)量并記錄船模重心軌跡。從測(cè)量的船模重心軌跡量取穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑DS、戰(zhàn)術(shù)回轉(zhuǎn)直徑DT、回轉(zhuǎn)縱距LM，通常對(duì)這些回轉(zhuǎn)特征參量無因次化，表達(dá)成DS/LPP，DT/LPP，LM/LPP。

在設(shè)計(jì)吃水和設(shè)計(jì)速度相同情況下的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，47 500 載重噸散貨船在左滿舵和右滿舵狀態(tài)下的數(shù)據(jù)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(tài)下的數(shù)據(jù)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(duì)比上述2個(gè)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)吃水相同狀態(tài)下，使用常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑DS約為2倍船長(zhǎng)，而使用襟翼舵的49 500 載重噸散貨船的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑DS約為1倍船長(zhǎng)。由于49 500 載重噸散貨船的戰(zhàn)術(shù)回轉(zhuǎn)直徑和回轉(zhuǎn)縱距優(yōu)于47 500 WDT散貨船，所以在各種工況下的回轉(zhuǎn)航程相對(duì)縮短，從而減少了油耗，提高了船舶操縱性能和經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 Z形試驗(yàn)

Z形試驗(yàn)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(zhuǎn)能力。船模按預(yù)定航速直線航行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，盡可能快速將舵轉(zhuǎn)到右舷規(guī)定的舵角(右舵δ=+10°)。作為第1次操舵，δ成為執(zhí)行舵角；當(dāng)船艏偏離原航向ψ(ψ=10°)時(shí)，立即轉(zhuǎn)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(xù)回轉(zhuǎn)，但回轉(zhuǎn)角度速度逐漸減小，直到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)消失，然后向左回轉(zhuǎn)；當(dāng)船舶艏向偏離直航線達(dá)左ψ時(shí)，再操作右舵δ，作為第3次操舵。

國(guó)際海事組織(IMO)有關(guān)操縱性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以±10°/±10° Z形試驗(yàn)的ψo(hù)v1和ψo(hù)v2，以及±20°/±20°Z形試驗(yàn)的ψo(hù)v1和ψo(hù)v2作為船舶航向糾正和航向保持能力的參數(shù)。而±10°/±10° Z形試驗(yàn)的無因次初縱距L10作為評(píng)價(jià)船舶初始回轉(zhuǎn)能力的參數(shù)。

船舶Z形試驗(yàn)顯示，設(shè)計(jì)吃水相同狀態(tài)下，47 500 載重噸散貨船的L10分別為1.664和1.420，小于IMO標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值2.5，也小于使用常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船的值。

同樣，也是在設(shè)計(jì)吃水相同的狀態(tài)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ψo(hù)v1=11.95°和ψo(hù)v2=19.88°，+10°/+10°舵角下分別為ψo(hù)v1=11.93°和ψo(hù)v2=19.63°；裝有常規(guī)舵的47 500 載重噸散貨船在-10°/-10°的舵角下的超越角分別為ψo(hù)v1=6.8°和ψo(hù)v2=16.8°，+10°/+10°舵角下的超越角分別為ψo(hù)v1=8.1°和ψo(hù)v2=20.8°。

從測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，裝有襟翼舵的49 500 DWT散貨船的ψo(hù)v1和ψo(hù)v2要大于裝有常規(guī)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(yàn)的時(shí)間曲線看，襟翼舵的船艏滯后時(shí)間明顯小于常規(guī)舵，而且初始回轉(zhuǎn)能力L10明顯優(yōu)于常規(guī)舵。49 500 DWT散貨船的初始回轉(zhuǎn)縱距約為1倍船長(zhǎng)，而47 500 DWT散貨船約為1.5倍船長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑和初始回轉(zhuǎn)直徑的減小，在改善船舶避讓性能，提高航行安全的同時(shí)，大大地縮短了船舶轉(zhuǎn)向所航行的距離；在起錨航行時(shí)，能夠更短時(shí)間，更短距離地達(dá)到所需航線，無形之中減少了油耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。而且由于襟翼舵存在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以一般會(huì)再增設(shè)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(wěn)定性，使其在海上航行需要保持航向時(shí)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)家正在部署建設(shè)綜合立體交通走廊，打造長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶，研究推廣江海直達(dá)船型，鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)能環(huán)保船舶。海船進(jìn)江，船舶穩(wěn)定性、強(qiáng)度、安全等方面沒問題，但是江水較淺，航道狹窄，船只數(shù)量大，而且航速相對(duì)較低，這時(shí)候常規(guī)舵的舵效就無法正常發(fā)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(wěn)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。

[1] 孫魯閔.襟翼舵的開發(fā)利用[J].船舶工程,2015,37(9):37-44.

[2] 郭春雨,楊晨俊,馬寧.襟翼舵的敞水及槳后水動(dòng)力性能研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(11):108-111.

[3] 趙琦.襟翼舵水動(dòng)力性能及設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009.

[4] 黃昊.民用船舶常規(guī)舵系設(shè)計(jì)的比較分析[D].上海：上海交通大學(xué),2012.

2016-10-19

林浩東(1986—)，男，工程師，主要從事新船監(jiān)造和機(jī)務(wù)管理工作。

U664.36

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