2 339 TEU集装箱船两种舵的对比分析

王丰

（上海船舶研究设计院，上海201203）

2 339 TEU集装箱船两种舵的对比分析

王丰

（上海船舶研究设计院，上海201203）

在集装箱船的舵系设计中，采用全悬挂舵还是半悬挂舵一直是船东和船厂的关注重点。针对2 339 TEU集装箱船的舵系设计，运用CFD软件，对全悬挂舵与半悬挂舵分别进行建模计算，得出阻力和空泡方面的相关数据，并就舵系的重量及安装等方面进行对比。分析了全悬挂舵与半悬挂舵在各个方面的优劣，为今后集装箱船的舵系设计提供一定的借鉴和参考。

集装箱船；全悬挂舵；半悬挂舵；阻力；空泡

0 前言

在上海船舶研究设计院（SDARI）设计的中小型集装箱中，基本采用半悬挂舵，较少采用全悬挂舵。通常认为全悬挂舵阻力较大，半悬挂舵阻力较小。但全悬挂舵的空泡较少，而半悬挂舵则经常发生空泡剥蚀的现象。因此，在舵系设计中，舵叶型式的选择需着重考虑。本文选取SDARI设计的2 339 TEU集装箱船，对全悬挂舵及半悬挂舵的特点进行对比及分析。

1 舵系基本参数

2 339 TEU集装箱船是由SDARI为德国船东Bernhard Schulte GmbH&Co.KG开发设计，舟山扬帆集团有限公司建造的一型支线集装箱船，其主要参数如下：

总长189.00 m

垂线间长180.20 m

型宽30.40 m

型深16.90 m

设计吃水8.50 m

结构吃水10.50 m

载重量（设计吃水）21 200 t

载重量（结构吃水）30 700 t

装箱数2 345 TEU

冷藏箱数（FEU）500 TEU

航速（在结构吃水状态下，100%MCR）18.68 kn

入级LR

半悬挂舵的外形尺寸见图1，全悬挂舵的外形尺寸见图2。

图1 半悬挂舵外形尺寸

图2 全悬挂舵外形尺寸

舵叶的主要参数和船级社规范计算（正车航速为18.68 kn，倒车航速为9.34 kn）的主要数据见表1。

从表1可以看出，两种舵在舵叶活动面积、舵力、舵杆扭矩和上舵杆直径方面的数据差异不大，舵机完全可以选取同一档次的舵机，使用这两种舵叶的船舶在操纵性上非常接近。半悬挂舵有固定的挂舵臂，需要的空间较大，全悬挂舵则需要的空间较小。其主要差别在于半悬挂舵有舵销，在舵叶的中部有一个支点，下舵杆处的弯距较小，舵杆选取得比较细。全悬挂舵下舵杆处的弯距较大，舵杆较半悬挂舵舵杆粗85%。由于规范要求舵叶上铸件的外径必须大于舵杆直径的1.5倍，所以全悬挂舵舵叶上部的厚度比必须选取的非常大，否则无法容纳舵杆和铸件。下部的舵叶则可以逐步过渡到与半悬挂舵相同的厚度比。2 339 TEU集装箱船实船采用了半悬挂舵的型式，但是后续2 200 TEU集装箱船项目中改用了Rolls-Royce的全悬挂舵。

表1 主要参数

2 阻力

从舵叶外形来看，全悬挂舵舵叶比较厚，但是尺寸较小，半悬挂舵舵叶比较薄，但是尺寸较大。利用GAMBIT软件建立两种舵叶及其所处流场的有限元模型，选取长度从舵前方10 m到后方10 m，半径为10 m的圆柱形空间流场，模型见图3和图4。

通过FLUENT软件进行求解，选取RNG（重整化群）k-epsilon湍流模型，用非耦合的、隐式的、定常的3D求解器。海水密度为1 025 kg/m3，黏度为0.001 2 kg/ms。在0°舵角不同航速下阻力计算结果见表2。

表2中的压力阻力主要是舵叶前后流场的压力差所引起的阻力，是阻力中最主要的部分，从表2可以看出半悬挂舵的压力阻力大于全悬挂舵。黏性阻力主要是流体的摩擦和黏度所产生的阻力，其占比较小，而且全悬挂舵和半悬挂舵的黏性阻力相差也很小。从计算结果看，反而是全悬挂舵的总阻力更小。从实船的模型试验结果来看，也是全悬挂舵略占优势。但是由于CFD模型中并未加入假舵和船体结构，而且舵作为附体所引起的阻力和其他复杂因素相关，无法单独考虑。在另一型2 500 TEU集装箱船全悬挂舵和半悬挂舵的对比试验中，全悬挂舵并没有占优势，最终选用了半悬挂舵。因此，舵叶的阻力大小不能一概而论，需经过船模试验结果具体分析。

图3 半悬挂舵模型

图4 全悬挂舵模型

表2 阻力计算结果N

3 空泡

通常集装箱船的航速较高，舵叶周围水的高速流动导致低压力。如果压力下降到饱和水蒸气压力以下，就会形成空泡并爆破；当压力增大时，不会发生空泡现象。空泡的形成与爆破极为迅速。一旦空泡形成，就会在舵叶表面或靠近舵叶表面的地方产生内爆，导致舵叶面的小裂纹和表面油漆材料剥蚀，海水会进一步扩大其腐蚀程度。空泡现象包括非线型多相流的高复杂物理过程，可以通过FLUENT软件对舵叶周围的流场压力分布进行分析，其压力较低处为空泡现象的高发部位。将图3和图4模型中舵叶可移动部分沿Z轴转动35°，并设置来流面的迎流速度为船舶的最大航速19 kn（9.773 6 m/s）。通过FLUENT软件进行求解，可得半悬挂舵和全悬挂舵的低压表面的压力分布，见图5～6。

分析两种舵的低压力表面的压力分布可以看出，半悬挂舵除了在下部的前缘靠后处外，在挂舵臂上部与舵叶之间以及舵臂下部与舵叶缺口的间隙后部有两条非常清晰的低压区域。这两个区域存在间隙，水流会变得紊乱，极易发生空泡现象。全悬挂舵的低压区域都位于舵叶前缘处，表面平滑，发生空泡的可能性大大低于半悬挂舵的间隙后的区域。

图5 半悬挂舵低压力表面的压力分布

图6 全悬挂舵低压力表面的压力分布

4 舵叶的质量

舵叶的质量也是设计中必须关注的重点。这会影响全船的空船质量、重箱数和船厂的建造成本。表3为2种舵叶的质量对比。

表32 种舵叶的质量对比t

虽然半悬挂舵的舵叶中多一个铸钢件而且厚板的数量多于全悬挂舵，但是全悬挂舵的铸钢件尺寸远大于半悬挂舵的铸钢件，其质量大于半悬挂舵2个铸钢件质量之和，所以全悬挂舵的舵叶质量约重3.8 t。全悬挂舵的舵杆的下端直径较半悬挂舵下舵杆粗85%，其质量多出近9 t。最主要的质量差距来自挂舵臂和附体。半悬挂舵的挂舵臂和附体内有上下2个铸钢件。由于挂舵臂所需板厚难以加工，船厂将挂舵臂做成整体铸钢件的型式，其质量非常惊人。全悬挂舵只有一段较小的附体，没有挂舵臂，板厚也比较小，所以质量较轻，2种形式的挂舵臂和附体质量差约15 t。最终半悬挂舵的质量超出全悬挂舵约3.3 t，全悬挂舵在质量方面有一定的优势。

在安装方面，半悬挂舵的舵叶与舵杆和舵销的连接均需要使用液压螺母安装，对于舵叶和挂舵臂的安装精度和误差控制的要求比较高。全悬挂舵的舵叶只与舵杆连接，安装精度和误差控制的要求相对较低。

如果舵叶上需要加装舵球或其他节能装置，由于半悬挂舵有固定的挂舵臂和舵球或其他节能装置，必须避开挂舵臂，空间紧张，安装难度较大。而全悬挂舵前缘很平整，安装空间较大且比较方便。

目前国内的舵叶设计中仍然以半悬挂舵为主，其主要原因是船厂和设计方的习惯及价格因素。随着全悬挂舵在性能方面优势凸显，越来越多的集装箱船上采用了全悬挂舵。

通常舵设备厂商只提供舵叶和舵杆舵销，挂舵臂和附体等由船厂制作。如果只考虑舵叶、舵杆、舵销，全悬挂舵的舵叶和舵杆比较重，价格较贵。但经综合考虑，全悬挂舵和半悬挂舵的成本比较接近。

国外的舵设备厂商已经通过将舵杆插入全悬挂舵的舵叶内部，以及让舵杆套筒参与舵杆强度等手段来减小全悬挂舵的下舵杆直径，舵叶厚度也可以减小，进一步加大了全悬挂舵的优势。

5 结语

通过GAMBIT软件对2种形式的舵建模，并通过FLUENT软件分析其阻力和表面压力分布的特点，可以看出，2 339 TEU集装箱船上选用的全悬挂舵在空泡的表现上优于半悬挂舵，阻力较小。虽然CFD软件的数值模拟和流场的简化会使计算结果产生一定误差，但其仍然具有较高的参考价值。全悬挂舵在质量和其他方面的优势也不可忽视。希望本文能对集装箱船上全悬挂舵上的使用和优化方面提供帮助。

Comparative Analysis of Two Rudder Systems of the 2 339 TEU Container Vessel

WANG Feng
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

During the rudder system design of a container vessel，both owner and shipyard focus on the selection of full-spade rudder or semi-spade rudder.In allusion to the rudder system design of the 2 339 TEU container vessel，CFD software was used to build the model and calculate two rudder types，leading to the data of resistance and cavitation.The weight and installation of full-spade or semi-spade rudder were compared and advantages and disadvantages were analyzed as well，serving as reference for the future rudder system design of container vessels.

container vessed；full-spade rudder；semi-spade rudder；resistance；cavitation

U674.13+1

A

1001－4624（2016）02－0034－04

2016-08-20；

2016-11-15

王丰（1979—），男，工程师，从事船舶舾装设计工作。