新型50 000 t油船舵系设计流程

李文亮

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

0 引言

50 000 t油船是新开发的MR型油船项目的首制船，是一款低油耗、高航速且满足第三阶段能效设计指数的节能环保型油船，对其线型、分舱布置、设备配置等进行全方位优化设计后，与之相匹配的舵系也进行了优化设计。

在设计初期，由于舵参数需要根据船体线型等参数及时快速的确认，所以，可以将整个舵系计算书在Excel表中编辑，便于校核时修改。编制规范直接计算表格也是目前舵系设计人员主要的设计方式，可以通过此计算表格对舵系各参数进行持续优化。各舵系参数基本确定后，为了有效地保证舵系设计的准确性，减少后期可能存在的设计变更，可以运用BV舵系设计软件对舵系设计进行二次校验。

本文采用规范直接计算表格对50 000 t油船舵系主要参数进行分析选取，并运用BV舵系设计软件校核舵系设计流程和方法。

1 舵系统简介

操纵性是船舶的重要性能之一，包含航向稳定性和回转性。操纵性良好的船舶具备足够的航向稳定性、中小舵角良好的应舵性能、符合要求的大舵角回转性能、适中的主机停车和主机逆转的停船性能，而良好的操纵性必须依靠操纵设备来保证。

船用舵是小展弦比的平板或机翼型结构，设置在船尾。当它转动时，舵上产生的水动力的合力在垂直于船体中心线的方向上的分力相对于船体剖面形成了转船力矩。舵的形式很多，除了普通舵之外还有襟翼舵、制流板舵、鱼尾舵、转柱舵等。

舵系由舵叶、舵杆、舵销、上舵承、下舵承、止跳装置、舵角限位装置、舵机及其自身控制系统、相关联的自动舵系统等组成。舵系材料除需要满足规范要求外，还应满足角度限位、操舵时间限制、操作位置、自动舵等操纵要求，以及额外的水下检验要求。

2 舵叶参数的选择

舵叶外形主要配合船舶尾部线型和螺旋桨的布置，并考虑舵叶的强度及制作便利性等。50 000 t油船为单桨船，在综合考虑船舶操纵性及建造成本的基础上，选用单舵形式。在初步设计阶段，船舶线型及舱室划分完成，大致轮廓已经成型。按常规布置，为了提高舵效，将舵设置于螺旋桨正后方，使其位于螺旋桨的尾流中。为了提高船舶的航向稳定性，并减小舵杆处弯矩和扭矩的影响，本船设置挂舵臂，采用半悬挂舵形式。舵叶的下缘高于基线，上缘接近船底。为了进一步提高船舶的航向稳定性，减少舵叶上缘的绕流以提高舵效，本船设置了假舵。另外，如果船舶有相关冰区的要求，需要提前设计预留尾部冰刀的空间。

为了减少船舶自身的结构重量，进一步提高船舶的载重量，对艉部的结构进行局部优化后，艉封板距舵杆中心线的长度缩小了300 mm，相关线型也进行调整。由于艉部线型的设计直接关系到舵系的布置及舵叶面积的选取，因此需依据优化后的结构线型对舵系的整体设计进行优化更新，并校验舵系设计是否符合规范要求。优化前后的舵叶主要参数见表1，选取的参数随着设计的深入需要不断地迭代优化。

表1 结构优化前后舵叶参数对比

2.1 舵面积的选取

舵叶面积的选择直接影响船舶的操纵性。虽然在初步设计阶段对艉部结构线型优化后，相关舵叶面积的选取空间已经不大，但是舵叶面积的最终选取仍需进行比对分析，并按照最小规范计算面积的计算方法和参照母型船对最终选取的舵叶面积进行验证。

参照散货船共同结构规范，为达到充分的操纵性能，建议可移动舵叶面积应不小于下式计算值：

(1)

式中：为舵叶面积；为舵型因子；为舵类型因子；为舵形状因子；为舵系布置因子；为规范船长；为型吃水。

以某56 000 t油船为母型船，对舵叶面积进行参照分析：

(2)

式中：为母型船的舵叶面积；为母型船的船长；为母型船的型吃水。

根据式(1)计算，规范要求的最小舵叶面积为32.69 m。根据式(2)计算，本船的舵叶面积结构线型优化前应为44.78 m，相关数据见表1。结合本船优化后的艉部线型，实际选取的舵叶面积为42.87 m，大于规范最小计算面积，满足规范要求。

与母型船的相关舵叶面积参数对比见表2。通过对比发现，本船最终的舵面积比略高于母型船，可以满足后期使用的要求。

表2 舵叶面积参数表

2.2 舵叶外形和剖面翼型等参数的选取

舵剖面是指由垂直于舵杆轴线的平面截得的舵叶剖面，通常沿高度方向厚度不变的矩形舵的各个剖面的形状完全相同。非矩形舵虽然各个剖面的弦长不同，但一般均采用相同的厚度比，因而其各个剖面的形状相似。国内采用较多的流线型是NACA流线型剖面。NACA剖面的升力系数较大，阻力系数较小，前缘不是太肥大，对提高螺旋桨的推进效率有利。从工艺来说，NACA剖面为对称型剖面，较易施工，结构强度较好，不用特殊加强。

舵叶厚度比的选择主要取决于舵叶和舵杆的强度，常用厚度比为0.15～0.25。一般来说，厚度比增大后，升力系数的斜率略有减小，阻力系数略有增大，失举角和最大升力系数在一定的厚度比范围内略有增加。

展弦比是决定舵流体动力特性的主要因素，它决定着升力系数曲线的斜率与失举角的大小。展弦比越大，升力系数斜率越大，失举角越小。在同样展弦比下，平衡舵的失举角较小，带舵的不平衡舵和带挂舵臂的半平衡舵的失举角较大。带挂舵臂的半平衡舵的展弦比常在1.5～2.4之间。本船设计时最终选取的展弦比为1.621。

在艉部线型和舵面积已确定的情况下，舵的外形可供变动的余地是很小的。试验表明，在展弦比一定时，舵外形的变化对其流体动力特性的影响极微。因此，本船舵叶剖面的选取重点是舵叶的强度及后期制造的便利性等方面。

经过综合分析以后，最终选用厚度比为0.19的NACA0019型流线型舵叶剖面翼型。

3 舵系主要数据的计算校核

3.1 舵系主要参数的选取

在舵叶外形、剖面等参数已经明确的基础上(见图1)，按照规范的要求，校核优化整个舵系设计。通过计算，可以得到整个舵系设计的重要支撑参数，如正车和倒车时的舵力、舵杆扭矩、舵杆直径、舵销直径、舵杆舵销压入量、舵叶强度等参数。

图1 舵叶外形参数图(单位：mm)

本船在研发初期申请了美国船级社(ABS)的原则认可，故舵系计算依据ABS规范进行。将舵叶相关设计参数输入前期依据规范公式编辑好的计算表中，可以得到表3的舵系主要参数，并依据相应要求，选取最终的参数。

表3 舵系主要参数

在舵系主要参数的计算过程中，舵扭矩参数的选取很重要，直接关系到舵机的选型。在确定舵机扭矩时除了水动力造成的舵杆扭矩外，还应计及舵系统各支承处的摩擦力矩，其中最主要的是舵杆轴承的摩擦力矩。常规舵机扭矩的选取为计算舵扭矩的1.2倍左右，本船为1 055.04 N·m。考虑到MSC对电液舵在试航时舵机扭矩和试验压力的关注，50 000 t油船在试航时可以达到满载试航工况的要求，后期无需进行扭矩和系统压力的推算，但是本船实际选用的舵机扭矩仍在此基础上增加一定的裕度。

舵杆和舵销作为舵系统主要的传、受力构件，依据规范要求一般选用锻钢件，其化学成分及力学性能也都要满足规范中相应要求。其材料最小屈服强度的选取不仅将直接关系到舵杆和舵销直径的选取，进而影响舵叶剖面厚度比的选取，还会对后期的采购成本及加工等造成影响。故在实际选取时，需要进行通盘考虑，多次迭代选取。

本船采用焊接结构的舵叶，主要由舵叶旁板、垂直隔板、水平隔板及连接舵杆和舵销的铸钢件组成。相关的舵板厚度也按照规范要求进行了计算验证，见表4。

表4 舵叶板厚的选取 单位：mm

3.2 运用BV舵系设计软件的二次校核

整个舵系按照ABS规范直接计算完成以后，又使用BV舵系软件对舵系设计进行了二次校核。BV的舵系计算软件是依据BV最新规范要求设计的舵系直接计算软件。将主要的舵系几何参数逐步输入软件后，软件将按照其规范的要求进行验证，并生成最终直接计算的数据。虽然计算得出的数据后续仍需要送ABS社审核确认，但是在初步设计阶段可用作舵系设计的校核参考。

4 舵系统的布置

在规范计算完成以后，需要对相关的参数进行整合，并对部分细节参数进行确认和优化完善。此外，还需重点关注以下几点：

(1)作为舵系控制系统的舵机形式需要确认。在设计初期，为了便于后期安装及控制空船重量，选择了体积小、重量轻的转叶式舵机。在技术谈判阶段，船东按照其使用习惯，最终选择了更便于后期维护保养的柱塞式舵机。

(2)舵叶整体为狭小密闭空间，在舵叶结构设计时，需要充分考虑施工人员的进出通道，且内部狭小空间作业不仅会增加施工的难度，而且对施工人员的安全也会带来一定的影响。故实际设计时需尽最大努力减少舵叶内部的作业量，可在满足规范要求的前提下，后续安装的舵叶旁板尽量多采用塞焊形式。塞焊孔的长度一般为75 mm，宽度为2倍舵板厚度，两端为半圆，间距最大不超过125 mm。

(3)为了舵叶的安装和拆卸，在舵叶上常规需设置吊舵孔。考虑到舵杆和舵销液

压螺母的拆装，相应安装位置需设置为可拆板形式。根据ABS的要求，舵杆和舵销液压螺母处在水下检验时需设置可以检查舵杆和舵销安装状态的装置，这就要求设置带玻璃的水下密封观察孔。

在综合考虑以上的一系列事项的基础上，最终顺利绘制完成首制船的相关舵系计算书、舵系布置图、舵叶、舵杆、舵销、铸钢件、液压螺母、轴套、衬套及其他相关零件图，并提交ABS审核完成，相关设计满足规范的相应要求。

5 结论

(1)舵系的设计过程中涉及的参数很多，而且很多参数之间是相悖的。这就会出现，为了满足或优化某个参数，却引起其他参数的不利变化，从而导致舵效降低。

(2)舵系设计并不能一蹴而就，其设计过程需要不断循环往复，要在不同的参数组合中选择相对优化的方案。

(3)理论上讲，舵系设计方案并不能保证其最优性或者唯一性，后续仍需持续进行优化设计。