7 800 t沥青船操纵性能优化研究

黄光兵，孙海晓，刘慧霞，杨素琴

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433；2.上海船舶研究设计院，上海201203)

0 引言

船舶操纵性是关系到船舶航行安全的重要指标之一。根据国际海事组织(IMO)MSC.137(76)相关法规要求：在船舶设计阶段，可使用船模试验或者数学模型的方法对船舶的操纵性能进行预报，表明船舶操纵性能满足法规要求。在这种情况下，不论实船试航测试结果如何，该船都应该被认定为符合法规要求，除非主管机关认定预报方法不合理，或者认定实船测试结果严重背离法规要求。

7 800 t沥青船是新开发船型，没有母型船操纵性数据可供参考。为保证该船型偏航纠正和航向稳定性满足法规要求，在设计阶段，借助自由船模试验的方法对船舶Z字操纵性能进行研究及优化。

1 操纵性能预报方法

1.1 经验法

经验法是基于经验和已有数据对新设计船型的操纵性能进行预报，即假定新船型操纵性指标和已有相似船型的指标接近，不满足法规要求的可能性极小，可直接在船舶建造完成后通过实船试航对操纵性能指标进行验证。

1.2 船模试验预报法

船模试验预报法是通过同比缩小的船模尺度的水池试验对船舶操纵性能进行预报，分为自由船模试验和约束船模试验2种。

1.2.1 自由船模试验

自由船模试验使用同比缩小的船模在傅汝德数相似条件下，在试验水池或者湖泊中(在不受约束的条件下)完全模拟船舶的各种操纵性能试验，用试验结果直接评估船舶的操纵性能。尽管该方法受尺度效应、转舵时间等因素的影响，模拟结果与实船结果有差别，但目前仍是业内公认的最直接可靠的预报方法。

1.2.2 约束船模试验

约束船模试验方法使用同比缩小的船模在水池中进行约束船模试验，通过对大量试验的分析获得需要的各项水动力参数，再结合特定的数学模型，用数学方法来预报在不同工况下的船舶操纵性能。该方法精度不如自由船模试验，但对于操纵性能的预报更完备，对缩尺比的要求低于自由船模试验。

1.3 数学模型计算法

数学模型计算法一般是指用方程组来描述船舶操纵水动力特性，通过计算机对方程组进行求解，以评估船舶的操纵性能。现有的船舶操纵运动数学模型分为2类：一类被称为“响应模型”，它表达了作为控制的输入条件和作为其操纵性能的输出之间的关系；另一类模型被称为“水动力模型”，它是基于包含相互干扰的水动力，通过改变组成水动力模型的相关力导数和干涉系数，来估算船舶操纵性能随船舶形状或者装载状态的变化而变化的情况。

综上，自由船模试验预报法精度更高，其预报结果和实船试航测试更为接近。因此，在设计阶段进行操纵性预报时，应尽可能采取模型试验法。

2 船型综述和法规要求

7 800 t沥青船为小型液货船，其主尺度及船舶操纵性相关的参数如下：垂线间长112.00 m，型宽20.40 m，艏、艉吃水各6.70 m，方形系数0.78，型排水体积11 940.60 m。

国际海事组织关于船舶操纵性的现行标准为决议MSC.137(76)，其相关要求主要有：

(1)回转能力：通过回转试验进行验证，要求横距不大于5倍的垂线间长，纵距不大于4.5倍的垂线间长。

(2)初始回转能力：初始回转试验执行10°舵角，艏向角偏离初始航向10°时，船舶的航程不超过2.5倍船长，本试验作为Z字试验的一部分。

(3)偏航纠正和航向稳定性能力：通过Z字试验进行验证，具体要求见表1。

表1 Z字试验法规要求

(4)紧急停船能力：通过急停倒车试验进行验证，要求停船距离小于15倍的垂线间长。

根据设计经验，7 800 t沥青船较易满足第(1)、(2)、(4)条要求，但难以满足第(3)条偏航和保向性指标。为确保7 800 t沥青船Z字试验结果满足法规要求，本文采用自由船模试验方法，对该船Z字试验操纵性的合规设计进行研究。

3 船模试验研究

船模试验在上海船舶运输科学研究所海事安全与风浪流试验水池进行，采用自由航模操纵的方式。试验参照IMO决议MSC.137(76)中规定的Z字试验流程进行，包括10°/10°Z字试验和20°/20°Z字试验。试验船模缩小尺比为1∶32.59。试验中需要确保船模的重心纵向位置和垂向位置与实船基本一致。通常，船舶纵向惯性矩统计数值为0.25倍的垂线间长。本船模在设计吃水状态下的纵向惯性矩约为0.25倍的垂线间长，符合要求。在设计吃水状态下要求的船舶重心高度为20.4 cm，船模实际重心高度为20.4 cm，在试验允许范围内。

对于本船Z字试验结果的优化，主要采取了增加舵叶面积、改善舵效、加装附体增加船舶固定操纵控制面等措施。基于最初的舵叶设计方案，本文共进行了3次优化及2轮船模试验验证。

3.1 第1轮优化设计和船模试验

初步舵叶方案中1号舵的主要参数如下：舵高5.30 m，平均舵宽2.84 m，展弦比1.64，舵面积比2.144%，舵数目1。

考虑到初步设计方案中的操纵性指标可能不满足要求，在船模试验前，设计了2号舵，其面积相对1号舵有了明显的增加。2号舵的主要参数如下：舵高5.50 m，平均舵宽3.13 m，展弦比1.55，舵面积比2.447%，舵数目1。

1号舵和2号舵进行了第1轮船模试验。根据MSC.137(76)的要求：试验初始航速应不小于85%主机最大功率对应船舶航速的90%，本船航速约为12.65 kn。为了增加一定的安全裕度，本试验实际初始航速设定为12.95 kn，试验结果见表2。

表2 第1轮船模试验结果 单位：(°)

试验结果表明：1号舵所有指标均不能满足法规要求；2号舵在超越角指标上有了一定幅度的提升，但是仍然不能满足法规要求。

3.2 第2轮优化设计和船模试验

为了提高舵效，将舵叶面积基本做到了艉部空间所允许的最大值，设计了3号舵。其主要参数如下：舵高5.50 m，平均舵宽3.35 m，展弦比1.64，舵面积比2.453%，舵数目1。配合3号舵，在艉部加装2块呆木，见图1。同时在舵叶底部设置制流板，见图2。进行了第2轮的船模试验，试验初始航速设定为12.95 kn，试验结果见表3。

图1 3号舵+呆木+制流板布置图(单位：mm)

图2 舵叶下制流板示意图(单位：mm)

表3 第2轮船模试验结果 单位：(°)

试验结果表明：3号舵方案试验结果有了较大的改善，但是10°/10°Z字试验第一超越角和20°/20°左舵Z字试验第一超越角仍不能满足法规要求；采用3号舵+呆木+制流板的方案，所有指标均满足了法规要求。

根据上述试验结果，本船型最终选用3号舵+呆木+制流板的方案。

4 试航验证

实船的试航验证在中国东海进行，试验水域水深约60 m，航行状态为满载平浮，海上风力蒲氏3～4级，海浪3级。为尽可能缩短打舵时间，试验时使用2台泵驱动舵机。试航实测结果见表4。

表4 实船测试结果 单位：(°)

受风、浪、流等环境因素的影响，同时考虑尺度效应和转舵时间的影响，试航测试结果和船模试验结果有一定的差别，但变化趋势基本相当。实船试航结果亦满足了法规要求。试航结果进一步表明：本次针对7 800 t沥青船Z字操纵性能的优化设计是非常成功的。

同时，试航时回转试验、初始回转试验及急停倒车试验的测试结果如下：

(1)回转试验：左、右回转战术直径分别为2.19倍和2.15倍垂线间长，纵距分别为3.02倍和3.00倍垂线间长。

(2)初始回转试验：初始回转试验执行10°舵角，艏向角偏离初始航向10°时，船舶的航程为1.2倍垂线间长。

(3)急停倒车试验：船舶停船距离为9.45倍垂线间长。

经试航验证，上述试验均满足法规要求，并有较大的安全裕度。

5 影响船舶快速性的因素

5.1 船舶湿表面积的增加

该船船模试验预报采用“二因次方法”进行实船阻力换算。相比初步设计方案，最终方案由于优化舵叶及增加呆木、制流板导致的水下湿面积增加共计13.6 m。在设计航速13.5 kn时，计算得出：摩擦阻力相应增加约0.4%，总阻力系数增加约0.3%，航速降低不超过0.02 kn，影响十分有限。

5.2 伴流的影响

实际对伴流的影响未做进一步定量研究，但考虑该船呆木和制流板设计时安装位置已避开高伴流区，基本可避免对艉部伴流场产生过分不利影响。

6 结论

(1)通过增加舵叶面积，或者在艉部适当位置增加呆木、制流板等附体，均能有效改善小型低速液货船的Z字操纵性试验指标。

(2)7 800 t沥青船仅通过增加舵叶面积的措施，不能保证满足Z字操纵性试验对于超越角的要求；加装呆木和制流板之后，经试验验证，船舶Z字试验操纵性满足了法规要求。

(3)受船模尺度效应、转舵时间和风、浪、流等试航环境条件的影响，实船试航测试结果和船模试验结果往往会有一定的差异，但只要设计阶段的船模试验结果满足法规要求，且试验结果被主管机关接受，均应认定船舶的操纵性合规。因此对于一些操纵性指标合规存在不确定性的船型，在设计阶段通过船模试验对操纵性进行验证是十分必要的。