概念设计阶段的邮船横移操纵性评估方法

何晓宁，卜龙煜，陈 鸽，曾 骥，邵朱芸

(1.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226116;2.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

0 引 言

邮船市场在全球都有着较好的市场，中国是全球邮船市场的重要分支，也是最具有发展潜力的新兴市场[1]。邮船是以多点海上旅游为主要目的一种高端船型，是“可航行的海上星级酒店”[2]，其载客量和靠港离岸次数都远高于常规船舶。邮船码头环境复杂，安全要求较高，邮船在码头靠泊通常是在接近零航速的情况下，利用桨、舵和艏侧推器实现船舶横移靠港。涉及邮船的营运效益和安全性，在不同风况下的横移操纵性能对于邮船而言是十分重要的。船舶操作运动是一个船-桨-机相互作用的动态过程[3]，相较于常规船舶，邮船上层建筑高大，侧向受风面积较大，码头靠泊更加困难。同时，邮船的上层建筑造型复杂，各角度船体所受风载荷及其力矩大小差异明显，为保证邮船横移时的运动姿态稳定，侧推器功率、螺旋桨转速、舵角在不同角度下进行调整配合非常关键。目前，评估横移能力通常依赖模型试验，尽管准确性高，但对前期开发而言设计成本过高，同时设计和验证周期较长，并不能满足初期概念设计需求。因此在概念和合同设计阶段，需寻找具有一定精度且比较便捷计算邮船横移操纵性能的设计方法。

邮船上层建筑所能承受的风速即风载荷在不同方向上存在较大差异。为准确评估横移操纵性能，需将风载荷及力矩的作用方向从0°～180°每15°划分1次，并添加到由侧推器、螺旋桨、舵和船体形成的横移操作模型中，使计算模型的精度进一步提高，并可调整转速、舵桨、输出功率等参数，预估邮船横移操纵时在各角度所能承受的最大风速。

1 横移平衡计算方程

邮船靠离泊进行的横移可看作是一种特殊的操纵性工况，采用船舶操纵运动数学模型研讨小组(Ship Maneuvering Mathematical Model Group，MMG)建模方法将作用于船舶上的流体动力和力矩按照物理意义分解于风、裸船体、敞水桨和敞水舵产生的流体动力和力矩及其相互作用[4]。

图1为邮船进行横移操纵时具体的受力情况。邮船横移时主要依靠螺旋桨、舵、艏艉侧推器的相互配合实现，对于各主要动力设备的力矩，可通过力乘以轴距计算得到。轴的位置一般根据船体重心位置确定。根据邮船受力情况将+FX、+FY、+N设置为力与力矩的正方向。

图1 邮船进行横移操纵时受力情况

与一般的操纵性分析不同，横移操纵能力分析时，由于船舶的移动速度较为缓慢，可以近似地认为船舶与水的相对位移很小，从而忽略船舶受到水的反作用力。因此，船舶在进行横移运动时，应满足如下条件：

X=XP+XR-XW=0

(1)

Y=YR+YBT+YST-YW≥0

(2)

N=NR+NBT+NST+NW≈0

(3)

式(1)～式(3)中：船舶横向受力X为0；纵向受力Y≥0，转速N≈0;下标P、R、BT、ST和W分别为螺旋桨、舵、艏侧推器、艉侧推器及风向[5]。

2 作用于船体诸外力的计算

2.1 风载荷和风倾力矩

风载荷和风倾力矩主要受到风速、外轮廓和受风面积的影响。对邮船而言，舷侧救助艇、艏部观景甲板、顶层烟囱等布置导致的特殊外部轮廓在实际横移操作时都会影响流场，从而产生多处旋涡。因此，为准确确定风载荷及力矩因数，需在总布置图的基础上通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真计算或基于风洞试验结果得到。利用仿真软件计算对应角度下的风载荷，进而算出对应的载荷因数。图2为利用仿真软件模拟60°风向下的风速矢量图。图3为某中型邮船的风载荷及风倾力矩因数曲线。

图2 某中型邮船在60°风向下的风速矢量图

图3 某中型邮船的风载荷及风倾力矩因数曲线

通过所得因数，可以计算各角度在不同风速下的风载荷FY、FX和风倾力矩M：

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：ρ为空气密度；U为风速；CY为横向风载荷因数；CX为纵向风载荷因数；Cn为风倾力矩因数；Af为正向受风面积；As为侧向受风面积；L为船长。

2.2 螺旋桨

船舶在进行横移运动时，航速近似为零，因此对于螺旋桨而言，进速也是零，即处于系柱状态，螺旋桨的推力因数取进速因数为0时的KT即可，螺旋桨的推力Xp即为

(7)

式中：KT为推力因数；np为螺旋桨转速；Dp为螺旋桨直径。

但是在进行横移运动时2个螺旋桨的转向是相反的，即推力因数大小不同而方向相反，则产生的推力也大小不同而方向相反。因此，用下标Z表示螺旋桨正转，产生的水流流向艉部方向，而下标F表示螺旋桨反转，产生的水流向前：

(8)

(9)

2.3 舵

舵作为船舶在进行横移操作时平衡船舶横向受力的重要装置，其受力主要由升力因数CLα、螺旋桨诱导速度uR及有效冲角α等决定：

(10)

(11)

(12)

式(10)～式(12)中：Aα为舵有效截面积[6]；δ为舵角；Λ为舵平均弦长与平均高度的比值。

2.4 侧推器

侧推器同样是一种螺旋桨推进器，置于艏部或艉部的横向导管内。侧推力的大小与槽道内单位时间的流量有关。因此与螺旋桨类似，侧推器的推力也可通过系柱状态下的推力因数进行计算：

(13)

式中：KT，BT/ST为艏侧推器/艉侧推器推力因数；nBT/ST为艏侧推器/艉侧推器转速；DBT/ST为艏侧推器/艉侧推器直径。

如果无法获得推力因数，也可通过侧推器的轴系效率C估算侧推器的最大推力：

(14)

式中：T为侧推器发出的推力；PN为侧推器发动机的输出功率。

综上所述，如图4所示：基于力与力矩的平衡方程在X方向力的平衡通过调整正转螺旋桨和反转螺旋桨的转速实现，但不能超过螺旋桨的转速上限。在Y方向通过依据正转螺旋桨的转速影响舵的诱导速度，从而改变舵受到的横向力。Z轴上的力矩平衡依据Y方向舵的受力和艏艉侧推器推力调整后得到。虽然3个等式之间相互干涉，但是涉及变量少，因此可以快速计算邮船各角度下的最大风速。

图4 邮船X方向的横移平衡计算

3 实例计算

根据第2节公式，对某中型邮船的横移抗风能力进行预估(见表1)。在某中型邮船设计初期，已知预选定双螺旋桨、双艏侧推器、单艉侧推器和舵的设备型号，船型参数为船长LPP为222 m，船宽B为34 m，侧向受风面积As为7 983 m2，正向受风面积Af为1 359 m2。

表1 某中型邮船横移抗风能力预估

由表1可知某中型邮船各角度能承受的最大风速及相对应的螺旋桨转速、舵角、侧推器功率，这为其靠离港的实际作业提供重要参考。由图5可清晰地评估在现有设备下邮船的横移抗风能力，为后续的设备选型和船舶详细设计提供重要的参考依据。

图5 某中型邮船各角度下实现横移所能承受的最大风速

4 结 语

考虑邮船较大的受风面积对其横移靠港的影响，在螺旋桨、舵、艏艉侧推器与船体相互作用的数学模型中增加风载荷，并根据邮船侧推器、螺旋桨、舵设备的选型参数和计算方程，对某中型邮船能够实现横移操作的最大可承受风速进行预估，结果表明该方法能够清晰便捷地评估邮船在不同风况下的横移抗风能力，可为邮船后续概念设计阶段中的横移操纵性提供重要参考意见。