25000t化学品船舵系试验问题的分析与对策

江卫东

（中远海运重工有限公司 设计研究院 上海200135）

引 言

舵系是实现船舶操纵性能的最主要的设备，其性能会关系到船舶的航行安全、经济性和快速性。舵系设计是船舶设计中非常重要的一部分。设计人员一般都是以船舶所入级的船级社规范为依据、结合积累数据和经验公式的计算结果来进行舵系设计的［1］，其设计效果往往需要到船舶海试时进行验证。因此，一旦出现舵系设计问题，解决过程会非常麻烦，甚至会导致延期交船或交不了船的风险。本文通过对首制25 000 t 化学品船（以下简称“本船”）在第一次试航时出现的舵系相关试验结果不能满足规范要求问题的原因进行梳理、分析，找到问题的症结所在，并实施相对简单可行的解决对策，最终解决了实际问题。

1 本船主要参数

本船船体及舵系相关的主要参数如表1 所示。

表1 船体及舵系主要参数表

2 相应规范要求

在国际规范中涉及到在船舶航海试验时与舵系试验相关要求的规范主要有两个：一是国际海事组织（IMO）制定的《国际海上人命安全公约》（SOLAS）；二是国际海上安全委员会关于船舶操纵性标准的MSC.137（76）决议。具体要求如下：

SOLAS 公约的第Ⅱ- 1 章29 条第3 款规定：主操舵装置应能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自一舷的35°转至另一舷的35°以及于相同条件下在不超过28 s 内将舵自任一舷的35°转至另一舷30°； 第2 款规定了承受内部液压的管系和部件的设计压力是在此运行状况下可能出现的最大工作压力的1.25 倍，并且应设置安全阀以避免过度升高的压力超过设计值；第6 款规定了对于货船，当所有动力设备都运转时，主操舵装置应能按照第3 款的要求操舵。［2］因此，在舵机试验时的实际扭矩不能超过最大扭矩，液压系统的工作压力不能超过最大油压。

MSC.137（76）决议第5 条规定船舶的操纵性应符合下列衡准：

（1）偏航纠正和航向稳定能力

10°/10° Z 形试验时，第一次的航向超越角值不能超过（5+1/2L/V）°；第二次的航向超越角不能 超 过（17.5 + 0.75L/V）°。20°/20° Z 形 试 验 时，第一次的航向超越角值不能超过（5+1/2L/V）°。（式中：L为船舶垂线间长，m；V指不小于相应的85%主机最大输出功率时，船速的90%，m/s）。

（2）回转能力

回转圈操纵时，船舶纵距离应不超过4.5 倍船长，回转圈直径应不超过5 倍船长。［3］

3 舵系试验问题

舵系是实现船舶转向、直航等操纵的重要装置［4］。根据本船的航海试验大纲，舵机试验是在船舶结构吃水（9.2 m）以及全速航行（15.5 kn）情况下进行的。操舵过程是：0°→ 右35°→左35°→0°→ 恢复直线航行和航速→ 左35°→ 右35°→ 0°；测试分为三种组合情况，即：No.1 动力单元、No.2 动力单元以及No.1 & No.2 动力单元。第一次试航时舵机试验的结果如表2 所示。

表2 第一次海试时舵机试验结果

从中可以看出，在三种组合试验时，舵机液压油的压力接近或达到23 MPa，是最大工作压力18.4 MPa 的1.25 倍左右。此时系统的安全阀是已经或接近开启；另外，马达运转时的最大电流也超过了它的额定电流。因此，舵机试验结果无法满足SOLAS 公约要求。

船舶的Z 形试验是一种衡量船舶机动性能的试验方法［5］。该实验的试验条件与上面提及的舵机试验条件一致。根据本船试验大纲，10°/10° Z形试验试验过程为：舵0°→ 舵右10°→航向右10° → 舵左10° → 航向左10° → 舵右10°→ 航向右10° → 舵左10° → 航向0°；20°/20° Z 形试验也是按照上述程序进行，只是把舵的转角由10°改为20°。本船第一次海试时Z 形试验的结果记录如表3 所示。从试验结果中可以看出，10°/10° Z形试验的第一超越角值（26°）超出了规范计算值（16.5°）达9.5°，20°/20° Z 形试验第一超越角值（27°）超出了规范规定值（25°）2°。显然，Z 形试验结果无法满足MSC.137（76） 决议要求。

船舶的回转试验是检验船舶回转性能的试验方法。其主要试验过程为：舵右35°→ 航向约右540°→ 舵0°→ 航向0°；舵左35°→ 航向约左540°→ 舵0°→ 航向0° 。本船第一次试航时回转试验结果记录如表4 所示。虽然回转试验的结果是能完全满足MSC.137（76） 决议要求，但是回转圈的直径大约是规范允许值的一半，余量偏大。

表3 第一次海试时Z形试验记录

表4 第一次海试时回转试验结果m

4 问题分析与对策

4.1 问题分析

经分析，舵机油压偏高的原因可能有以下几个方面：舵机选型问题（包括计算错误、舵机选择扭矩过小等）、舵杆转动问题（包括舵系校中问题、舵叶止跳块间隙过小、舵叶被异物卡阻、舵机本身卡阻等）、舵叶制作问题（实际舵叶尺寸与图纸不符）、试验仪表问题、以及舵叶面积设计偏大等。除舵叶面积偏大，其他原因通过各种简单易行的方法被逐一排除。比如：通过再次计算及核对舵机出厂报告，排除了计算错误和舵机扭矩过小问题；通过外观检查及测量，排除了舵叶被渔网卡阻及止跳块间隙过小的原因；通过码头转舵时的油压小于2 MPa 以及应变片测试舵杆扭矩较小的结果，排除了舵系校中及舵机本身被卡阻问题；通过测量实际舵叶尺寸并对比图纸，排除了舵叶制作偏大的原因；通过压力表及电流表在试验台的校验，排除了测试仪表不准的问题。因此，舵叶面积偏大成为舵机油压偏高最为可能的原因。

另外，Z 形试验的第一超越角值偏大，说明舵叶的操纵性能好，也间接说明舵叶面积可能偏大。根据半经验公式诺宾（Norrbin）公式（表5 中的公式1）可知，回转圈直径越小，舵叶面积越大［6］。而试验结果中回转圈的直径大约是规范允许值的一半，也说明了本船选用的舵叶面积可能偏大。

表5 舵叶面积计算公式

4.2 解决对策

根据4.1 节的分析，舵机液压油压力过高、Z形试验的第一超越角值偏大以及船舶回转圈的直径偏小的原因很可能是由于选用的舵叶面积偏大造成的。因此选用面积较小的舵叶成为最有效的解决方案。

船舶舵叶面积的确定主要有以下几种方式［7］：据大量实船统计资料来选择、按半经验的公式和图谱来确定、根据船级建造规范推荐的公式来确定或者根据船模操纵性试验结果来确定。本船为首制船，设计时选用舵叶的型式为NACA-0020，舵叶面积则是按照之前挪威船级社（DNV）规范推荐的计算公式（表5 中的公式2）确定的。按照推荐公式的计算结果为舵叶面积应不小于28.1 m2，再加上经验余量，最终确定舵叶总面积为30.51 m2。

本船当时已经接近完工待交付状态，通过船模操纵性试验或重新设计来制作舵叶显然不太可能，于是修改现有舵叶便成为比较明确的解决方向。船厂又根据其他舵叶的经验公式计算出舵叶的最小面积进行比较分析，比如：根据宝田公式（表5 中的公式3）计算结果为27.5 m2；根据国际船级社组织（IACS）《散货船结构共同规范》（CSR）中推荐的舵叶面积计算公式（表5 中的公式4）计算结果为26.4 m2。

综合以上信息，船东、船级社、舵机厂家及船厂最终确定了修改后舵的总面积是27.48 m2。实施方案为：把现有的舵叶后缘切掉375 mm，并以半圆钢焊接封闭后缘。此外，决定修改成这个数值还有一个原因是，这种尺寸的半圆钢在市场上有现货供应，从而可以减少物料的供应时间。

图1 为舵叶典型截面修改前后对比图。从图中可以看出，修改后的舵叶后缘形状没有修改前的平滑，因此可能会造成船舶尾流突变，进而会影响到航速以及容易在流线突变处产生空泡腐蚀。考虑到本船在实际营运航速较低（一般低于13 kn），因此空泡腐蚀的影响有限。

图1 舵叶修改典型截面图

4.3 试验验证

舵叶修改以后，本船进行了第二次航海试验以确定舵叶修改后的最终效果。表6 列出了船舶进行舵机试验、Z形试验以及回转试验的试验结果。由此可以看出，舵机试验时的油压为15 MPa左右，低于其最大工作压力18.4 MPa；马达的电流为42 A 左右，低于其额定电流50 A。因此，舵机试验结果能够满足SOLAS 公约的要求。

10°/10° Z 形试验时的第一超越角值为11°，第二超越角值为12°，分别低于规范计算值16.5°和34.5°；20°/20° Z 形试验时的第一超越角值为22°，低于规范规定值25°。因此，Z 形试验结果能满足MSC.137（76）决议的要求。

根据回转试验的结果，纵距相对于第一次海试增加了60 m 左右，回转圈直径约增加180 m，但都分别低于规范计算值756 m 和840 m。因此，试验结果也能完全满足MSC.137（76）决议的要求。

第一次海试时测试的服务航速为15.64 kn，第二次海试时测试结果为15.71 kn。据此可以排除舵叶的修改对航速的影响。

另外，船厂对船舶营运情况进行了近一年的跟踪，从船东反馈的信息看，舵叶后缘半圆钢部分没有发生明显的气蚀现象。

表6 第二次海试试验记录

5 结 论

本文针对25 000 t 化学品船在试航时出现的舵机试验结果不能满足规范要求的情况，结合与舵机相关的船舶性能试验结果，进行了较为细致深入的分析，最终找到了比较切合实际的解决方案。在舵系设计时，舵叶面积基本是根据经验公式或规范推荐公式计算确定的，具有一定的不准确性，并且船级社都是根据海试结果对舵系进行最终认可的。因此，在首制船的舵叶设计时，应尽量找到母型参考船，并采用不同的计算公式进行结果相互验证，必要时再通过自航模操纵性试验进行验证，以便将舵叶面积在设计阶段就控制在合理范围内，避免将问题延伸到实船试验阶段。