民用船舶常规舵系设计的比较及分析

谢超

摘 要： 随我国造船工业的快速发展，对民用船舶舵系设计提出更高的要求。然而需注意的是，因船级、船型等设计规范不同，且有周期限制问题，可能导致船舵系设计出现一定不足，无法满足坚固、可靠与耐用要求，需注意从外形尺寸、质量等多方面采取有效的设计完善策略。本次研究将对民用船舶常规舵系做简单介绍，并从船舶舵参数选择、装置可靠性设计以及空泡剥蚀问题控制等多角度，提出舵系设计的思路。

关键词： 民用船舶；舵系设计；空泡剥蚀控制

前言：作为评价船舶性能的内容之一，操纵性是否良好直接影响航运安全，而操纵性能的保证又需依托相关的操纵设备实现，即舵，要求做到保持航向、操纵灵活等。值得注意的是，如何保证舵设计的合理性，成为设计中需考虑的主要问题，要求在参数选取上合理，且针对运行中可能出现的问题采取有效的规避处理措施。因此，本文对民用船舶常规舵系设计的比较研究，具有十分重要的意义。

1民用船舶常规舵系相关概述

关于民用船舶常规舵，其作用主要表现在船舶转动力矩的控制、推进效率改善等方面，若从普通舵角度出发，舵型的选择需以船尾线性、螺旋桨直径、传达小等为依据控制。如中小型船舶通常选悬挂式平衡舵。而大型运输船，一般选择双支承平衡舵。若由舵的结构看，包括舵杆、舵叶、舵承、止跳装置与控制系统等。各部分结构在运行中，均按照规定时间内完成转动调整，角度合理方可保证舵运行有效。从当前大多研究资料看，对于民用船舶舵系设计，面临较多限制性问题，如周期限制、船级社规范要求等，可能导致设计不合理。对此，要求实际设计中从多方面着手，包括参数选取、可靠性设计以及空蚀问题控制[1]。

2民用船舶舵相关参数选擇

关于民用船舶舵参数，涉及的内容较多，如舵面积选取、舵外形确定、展弦比控制、平衡系数控制等。其中在舵面积选取方面，应注意到并非舵面积增大便能使传播方向性改善，其很可能引起舵装置功率增加，且舵面积增大，致使稳舵面临较大难题，所以在舵面积参数控制中，应以船营运、主尺度、船型等为依据，并结合舵型式，做参数的控制。现有的研究资料中，对舵面积并无具体计算公式，大多选择相似或参考船型进行设计。再如舵外形设计，实际设计中，应考虑到如何使其与其他各部分保持良好配合，设计要求表现为舵下缘需高于基线，但不能超出螺旋桨盘面最低点，确保充分借助螺旋桨尾流，而上缘部分需与船底接近，确保舵杆弯矩降低，可提高舵效。此外，在平衡系数方面，平衡系数选取原则主要体现在小舵角负扭矩、大舵角正扭矩、倒航扭矩三者差值控制在最小，可达到平衡目的[2]。

3民用船舶舵装置可靠性设计

舵装置可靠性设计是保证船舶安全、可靠航行的关键。实际设计中，若采用常规设计方法，一般将船级社规范作为参考，结合安全系数、经验公式等，使装置设计达到安全标准。而可靠性设计中，需引入统计分析方法、概率分析方法，在此基础上选取可靠性指标，达到可靠性设计要求。另外，由逻辑关系角度出发，对舵装置设计分析，其属于串联系统，所以其中的串联单元可靠度与数量，均会对装置可靠性产生影响。若其中各单元可靠度降低、而单元数量呈增加趋势，各段元串联关系削弱，可靠度明显降低。这就要求在设计过程中，做好各单元可靠度控制，保证系统整体可靠度。

4民用船舶舵空泡剥蚀问题控制

受高速水流区域水爆发式汽化影响，空泡出现可能性较大，特别因水流加速致使部分区域压力下降，水温不足100℃，有明显汽化表现，逐渐发展为气泡，而在气泡不断聚增下，将导致高速喷射流产生，维持150m/sec速度，喷射流冲击下可保持为1500bar压强，物体表面因此被腐蚀。假定以一般舵叶剖面运动下所产生的气泡为例，若利用V0表示水流速，P0为压力，取舵叶背面一点B，流速与压力分别为Vb、Pb，可做减压系数计算，为PO-Pb/（1/2·pV02）=（Vb/V0）2-1。由此可发现，叶剖面的点减压系数受流速所影响，当速度超出极限值，将有空蚀问题发生，特别在船舶高速运动下，空蚀的可能性更高。针对这种问题，实际设计中需采取有效的控制空蚀方法，具体设计思路：①在剖面翼型上合理选择，以9000TEU舵叶剖面类型选择为例，若选用MACA00XX，剖面最大厚度向前，操作中有明显的云雾状空泡产生。而选择NACA64A，剖面厚度呈后移趋势，有较长的低压区，压力与恒量接近，这样在小舵角中出现边界层脱离剖面与空蚀的可能性较小，所以在高速来流下选用NACA64A剖面更加适宜；②舵系间隙的减小，由于边界层分离、二维分流，挂舵臂、舵叶间间隙出现空蚀的可能性较大，所以在设计过程中，应注意做垂直间隙、水平间隙的控制，如原有间隙保持50-60mm，在保证舵系安全制造基础上，缩小为40mm间隙；③梢涡影响控制，如舵叶底板倒圆位置、挂舵臂上方内外侧易出现空蚀情况，对此，设计中考虑在梢涡强度上控制，如在梢涡、挂舵臂之间包复不锈钢板，或者在倒圆、底板间设置较大弧度进行过渡，通过距离增大减轻梢涡空蚀影响。除此之外，设计过程中，也可考虑引入抗剥蚀材料，如舵叶水平布置不锈钢条，或直接在剥蚀易出现位置利用不锈钢片包裹，对挂舵臂、舵叶均可起到明显的保护作用。

结论：船舶操纵性是否良好直接对航运整体安全性、经济性等产生明显影响。为提高船舶操作性，需在舵的设计工作上不断加强，本次研究中从舵的参数、可靠性设计以及空蚀问题处理等角度提出具体的设计意见，如舵的参数应包括舵面积、展弦比与平衡系数控制等，而空蚀问题处理则需通过舵系间隙减少、梢涡问题控制、剖面翼型合理选择以及抗剥蚀材料的运用等实现，提高舵的整体性能，为航运安全提供坚实的保障。

参考文献

[1]朱灵，高金军，衡霖.小型船舶舵承不镗孔安装实例[J].中国修船，2018，31（01）：4-5.

[2]王世凯，金鸿章.非线性非最小相位船舶舵减摇系统的滑模控制[J].计算机工程与应用，2018，54（09）：207-212.