36 500 DWT大湖船导管舵设计和建造技术分析

柳向阳，李移山

（扬帆集团船舶设计研究院，浙江舟山 316100）

36 500 DWT大湖船导管舵设计和建造技术分析

柳向阳，李移山

（扬帆集团船舶设计研究院，浙江舟山 316100）

对36 500 DWT大湖型船舶的可转动式导管舵设计特点和建造技术进行论述和分析。重点论述该导管舵的基本参数和设计特点以及相关设计计算，特别包括该导管舵的结构建造程序和装配焊接的工艺要点等。通过理论分析以及在实船上的安装调试应用，论证了该船导管舵设计合理，建造工艺优良，相应建造精度完全满足设计和标准要求。

导管舵；稳向叶；铸钢件；装配工序；焊接工艺

36 500 DWT大湖型船的导管舵是具有特定剖面的环状结构[1]，同螺旋桨安装在同一轴线上，螺旋桨位于导流管最小截面处。该项目船只航行于五大湖和圣劳伦斯航道，由于吃水和航道的限制，为提高推进效率和机动能力而采用可转动式导管舵，同普通船用舵相比，能有效改变螺旋桨尾流的方向，提高船舶的操纵性，特别是能提高低速航行时机动性能以及提高桨叶推进效率。该导管舵具有结构复杂[2-3]，安装精度要求高等特点。

因此合理完善的设计和行之有效建造和焊接工艺是导管舵满足设计和精度要求的基本保证[4]。导管舵在车间完成后并在船坞内吊装结束以及出海试验后的各项精度数据，各项试验均已达到或超过造船规格书或标准的设计指标[5]，获得了船东的好评和船级社检验时一次性认可。

1 转动导管舵特点

本船导管舵采用双支点安装形式。导流管的转动轴线通过螺旋桨圆盘面，桨叶端部同该处导流管内壁之间的间隙应尽可能小，通常不超过螺旋桨直径的0.5%或1 cm，此处间隙取25 mm（5 200×0.5%）。导管内最小直径为D=5 250 mm。转动导流管的剖面采用改进的非对称剖面，如图1，具体型值请见表1。相关参数为Dp=5 200 mm，ε=25 mm，Dn=5 250 mm，Ln/Dp= 0.6，Ln=3 120 mm，导流管长宽比Kn=5.286，稳向叶长宽比Kf=4.952，稳向叶宽Lf=1.05 m，稳向叶长Hf=5.2 m，V=14 kn，转动角度θ=35°。

图1 导流管剖面Fig.1 The section of duct tube

表1 导流管截面型值表Tab.1 The value table of duct tube（mm）

稳向时剖面的厚度比为其弦长的，使其后缘应足够尖，以保证后退且导流管转动很小时流向稳向叶处分离，使得舵杆力矩减小。导管舵内外侧外板采用耐低温钢或级并与铸钢件焊接。导流管上的铸钢件由舵杆铸钢件和舵销铸钢件组成。并与内，外壳板，内环形隔板和纵向筋板焊接而成的环形结构。

导流管按大湖船规范和规范进行计算和建造。导流管的稳向叶为流线型翼，垂直设置于导流管尾端后面。处于舵杆轴线平面内。设置稳向叶的导流管具有提高推进效率及降低舵杆力矩等。转动导流管的基本尺寸和参数如图2所示。

图2 导流管基本尺寸和参数Fig.2 The basic dimension and parameter of duct tube

为了满足该船冰级加强要求，导流板的厚度应不小于对船艉部分的冰级加强Speed（at ice Class 1C）要求。为了防止导流管内壁的腐蚀，在螺旋桨区域采用耐腐蚀材料SUS316，所有内侧对接焊缝应磨平。导流管的内壳板同环形隔板的连接应采用双面连续填角焊，外壳板应尽可能同环形隔板采用连续焊，外壳板其它区域采用开孔塞焊。

2 转动导管舵系统的设计

2.1 导管舵所受的侧向力和弯矩计算

根据规范，分别计算出正车和倒车时，导管舵所受的侧向力和弯矩，计算结果见表2和表3。

表2 正车规范计算结果Tab.2 A head Calculation according to the rules

表2中：An为导流管面积；Af为稳向叶面积；Pn为导流管的侧向力；Pf为稳向叶的侧向力；P为导管舵的总侧向力；Mn为导流管扭矩；Mf为稳向叶的扭矩；Mr为导流舵的总扭矩。

表3 倒车规范计算结果Tab.3 A stern Calculation according to the rules

表3中：Pna为倒车状态时，导流管的侧向力；Pfa为倒车装态时，稳向叶的侧向力；Mna为倒车状态时，导流管扭矩；Mfa为倒车装态时，稳向叶扭矩；Mra为倒车状态时，导流舵总扭矩。

2.2 舵机选择

工作扭矩为1 000 kN·m，最大工作扭矩为1 250 kN·m（在安全释放压力21.3 MPa），舵杆直径为680 mm，舵销直径为450 mm。

2.3 导流管结构

螺旋桨区域的导流管板厚：T=10+3KaS(N/f1)0.5=28 mm(实取32 mm)。在区域I内，导流管板厚不小于0.7T=22.5 mm，实取25 mm（此处S=0.75 m）；在区域II内，导流管板厚不小于0.7T=21.5 mm，实取24 mm（此处S=0.7 m），在导流管外部，区域II延伸并超过最后一块环形隔板；在区域III内，导流管板厚不小于0.6T=18.5 mm，实取20 mm（此处S=0.7 m）。

环形隔板和前后隔板的厚度不小于（考虑导流管内径为大于4 m）。因此取为24 mm。具体请详见图3～4：

图3 纵向隔板Fig.3 Longitudinal partition

图4 环形隔板Fig.4 Circular partition

舵杆与导管舵采用法兰连接，采用8颗螺栓固定，舵销与导管舵采用无键连接形式，舵销与导管舵的锥形联接（液压装配），舵销推入量：0.3～1 mm。

3 导流管制造概述

3.1 导管舵钢板与铸钢件组合件焊接而成，主尺度为3 120 mm×6 350 mm，重量约t，舵杆垂直回转的轴中心要与艉轴螺旋桨转动中心线相交，导管舵的内孔围绕螺旋桨外径按操舵指令的要求随舵角回转，因此本设备各零部件的制作精度要求很高,建造难度较高，如图5。

图5 导流管钢结构件制作示意图Fig.5 The sketch of duct tube steel structure

3.2 导管舵内外侧曲板的成型

导管舵的马鞍型双曲外壳板其型线和结构，决定了其无法用一块整板加工而成，考虑到钢模的制作成本以及焊缝线的分布,决定将前、后马鞍型曲面板均分割成块。钢模的设计和制作，不能简单的依据所成型的曲面板的曲率形状进行制作，需将钢模的曲率略小于工件曲率，这样可以保证成型的零件更接近理论尺寸。另需制作检验样箱，以便检测钢板加工后的线型误差。

3.3 装配工艺和要求

在胎架上按板号装配导管舵内侧板，内侧板与胎架依靠的工艺板连接点焊点位，不锈钢板（）定位的工艺板需与不锈钢材质相同，不应将内侧板和胎架模板直接焊接。

轴向（前后）隔板的安装是由中间向艏艉端顺序吊装，隔板吊装时必须控制其位置的正确以及其外侧面的线型与铸钢件连接区域的线型一致性。环向隔板的安装应检测与轴向隔板上侧面的线型一致性和直线度要求；上下铸钢件采用拉钢丝进行定位，舵中心线位置距圆管底端位置为2 028 mm，上舵杆铸钢件为一平面竖直向下距轴中心线为为，舵销铸钢件的下平面距轴中心线为（扣除机加工余量），利用线锥定位保证断面的垂直度，确定定位托架位置；塞焊孔外侧盖板吊装前应检测轴向、环向隔板衬垫板线型的一致性，其安装时必须保证外缘线型的和顺，无板厚差变化；在上述导管舵装焊工作中必须随机检测舵杆中心线。存在问题立即反馈并立即采取措施妥善处理。完工后应在铸钢件端面划出十字中心线并敲上洋冲印，如图6。

4 导管舵的焊接工艺要求

图6 制作胎架外形图Fig.6 The contour picture of making jig

导管舵的焊接采用手工电弧焊及CO2气体保护焊，焊接材料为低氢型焊条J507，CO2焊丝TWE-711/ 81-K2系列和不锈钢焊条 A022及不锈钢焊丝 E316LT1-1/ SW309L。焊条在焊前需经350～400℃烘焙1～2 h，并保温使用。焊条在使用中不得受潮，否则严禁使用。内部结构的角焊缝可以用CO2气体保护焊代替手工电弧焊；导管舵的构件在焊接前应根据“结构图”上的具体要求开好焊接坡口及塞焊孔；导管舵上凡是铸钢件的所有焊接区域在焊接前应预热到150～250℃，焊接时层间温度不得低于预热温度。焊后立即用保温材料包好保温冷却。焊接坡口及两侧30 mm范围内应打磨干净，不得有铁锈、毛刺、油污、水分等杂质；导管舵焊接时除铸钢件外，其余结构的焊接均采用CO2气体保护焊，角焊缝的焊喉厚度应严格控制在要求的范围内，不得过高，以减少导管舵的焊接变形；焊接舵叶铸钢件与其结构的对接缝和角焊缝时，应采用手工电弧焊，在位置狭小时可采用CO2衬垫焊，在焊缝坡口反面加装加强马板以防止变形，焊接时采用多层多道焊，控制层间温度在100℃以下。焊后将马脚打磨干净；为保证导流罩的圆度，必须在焊接顺序上加以控制，实际工作中，采取对称焊接的工艺，先焊平角焊，后烧立角焊。对于平角焊，由对称的焊工对称烧焊，从中间向两边烧焊即可，对于立角焊，如图7。

图7 导管包板焊接顺序Fig.7 The welding sequence of duct tube plate

焊接铸钢件时，应由双数焊工同时进行对称焊接，焊速应尽量均匀一致。在焊接过程中，应有质检员予以配合，每焊完一道焊缝，检测一次舵杆孔中心精度，若有异常变形情况，应立即采取适当工艺，及时调整焊接程序或焊接速度予以解决。铸钢件焊完后，以防止其焊后快速冷却；采用单面焊接时，打底焊道若采用手工焊时须采用φ3.2焊条，对接缝应保证根部焊透。每道焊缝的焊接接头要错开，焊下道焊缝前，彻底清除焊渣、飞溅等。打磨清洁后方可进行下道焊接。每道焊道宜连续焊完。焊缝中不能有气孔、夹渣、裂纹等缺陷，否则要将缺陷消除后方可继续焊接；不得在不锈钢上随意引熄弧，无论是对接焊缝定位焊还是角焊缝内定位焊，引熄弧均需在引熄弧板上或焊缝内进行，且定位焊药渣必须清除。在于不锈钢板与异种钢焊接时，第一道焊须靠异种钢一侧先打底焊作为过渡，然后再对过渡层与不锈钢进行焊接，以此类推。

导管舵需先焊接内侧的纵向板缝，再焊上下内侧板与不锈钢的环缝，该焊缝采用十字交叉逐步退焊法，焊接时注意采用小电流；表面焊缝焊完后，反面焊缝清根必须用批铲清除，严禁采用碳刨。为避免仰焊，环向肋板与内测板的焊接下部分角焊位置，必需在所有轴向、环向（除仰焊部分）均焊接完成后，翻身定位，再焊接；焊后打磨完整报验。

5 精度要求

保证桨叶与导管舵内壁表面间隙达到理论值，而导管舵的结构焊接量非常大，为此制作胎架及零件放样需加放收缩余量：内圈中板内径5 250 mm加放2 mm余量放样，制作胎架时所有内径同时加放2 mm；导管舵前后方向按1 mm/m加放余量。

胎架制作要求：轴向胎板与导管舵轴向肋板对应，在距胎架基线mm高度处喷水平线和板缝断线，并在2 092 mm水平线处打定位点方便结构定位安装。具体精度要求如下：轴向胎板垂直直度；轴向胎板与胎架平台理论划线偏差±1 mm；水平胎板高度与理论高度尺寸±1 mm；轴向和水平胎板位置偏差≤2.0 mm；导管舵最小直径处与实际尺寸偏差±2 mm。

装配工序流程:导管舵环向肋板与轴向肋板先预制，先装焊后火工校正。因导管舵外侧为锥形，环向肋板面板装配时需有一定角度及弧度，以保证外锥筒与大、小圆钢的线型光顺。装配和焊接工艺，以及焊接完毕导管舵需测量数据并记录,导管舵制造检验除按船体部件检验标准检查外观和焊缝质量外，导管舵的制作还需满足相关中国船舶建造质量标准。

6 结论

大湖散货船的导管舵成功设计和顺利建造，重点解决了大型转动导管舵在设计和建造过程中所面临的设计重点和难点,得到了船东的称赞。该项目船导流管的提前完工并进坞安装，加快了船坞内的周期，使项目船能按期下水。同时船厂对复杂导流管等舵系舾装的建造水平也得以进一步的提高，完善和提高了船厂建造水平和焊接工艺，并取得了良好的经济效益，对后续船舶的设计和建造积累了宝贵经验。

[1]《船舶设计实用手册》编委会.船舶设计实用手册:总体分册[M].北京:中国交通科技出版社,2007.

[2]中国造船工程学会,中国船舶工业集团公司,中国船舶重工集团公司.船舶设计实用手册:舾装分册[M].北京:国防工业出版社,2013.

[3]黄 浩.船体工艺手册[M].第3版.北京:国防工业出版社,2013.

[4]劳氏船级社.船舶入级规范和规则[S].劳氏船级社(亚洲)上海代表处,译.2004.

[5]CSA 2001.Load Line Regulation:Part 2 diamond load line[S].2003.

The Design and Construction Analysis of 36 500 DWT Great Lakes Ship Rudder

LIU Xiang-yang,LI Yi-shan
(Yangfan Group Ship Design and Research Institute,Zhoushan 316100,China)

The discourse and analysis of 36 500 DWT great lakes ship rotary rudder design characteristics and construction technology.The paper focused on the basic parameter,design characteristics and relative design calculation of ship rudder,including the construction procedure and assembly welding technology. Through theoretical analysis and installation on ship,the analysis verified reasonable design of the ship rudder, fine construction technology and the construction accuracy fully meet the requirements of design and standard.

duct rudder;stable leaf;steel casting;assembly procedure;welding technology

U664.36

A

1008-830X(2016)04-0337-05

2016-05-10

浙江省科技厅重大科技专项重点社会发展项目（2013C13003）

柳向阳（1978-），男，浙江景宁人，工程师，研究方向：船舶结构设计.