2 339 TEU集裝箱船兩種舵的對(duì)比分析

王豐

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

2 339 TEU集裝箱船兩種舵的對(duì)比分析

王豐

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

在集裝箱船的舵系設(shè)計(jì)中，采用全懸掛舵還是半懸掛舵一直是船東和船廠的關(guān)注重點(diǎn)。針對(duì)2 339 TEU集裝箱船的舵系設(shè)計(jì)，運(yùn)用CFD軟件，對(duì)全懸掛舵與半懸掛舵分別進(jìn)行建模計(jì)算，得出阻力和空泡方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，并就舵系的重量及安裝等方面進(jìn)行對(duì)比。分析了全懸掛舵與半懸掛舵在各個(gè)方面的優(yōu)劣，為今后集裝箱船的舵系設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

集裝箱船；全懸掛舵；半懸掛舵；阻力；空泡

0 前言

在上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）設(shè)計(jì)的中小型集裝箱中，基本采用半懸掛舵，較少采用全懸掛舵。通常認(rèn)為全懸掛舵阻力較大，半懸掛舵阻力較小。但全懸掛舵的空泡較少，而半懸掛舵則經(jīng)常發(fā)生空泡剝蝕的現(xiàn)象。因此，在舵系設(shè)計(jì)中，舵葉型式的選擇需著重考慮。本文選取SDARI設(shè)計(jì)的2 339 TEU集裝箱船，對(duì)全懸掛舵及半懸掛舵的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比及分析。

1 舵系基本參數(shù)

2 339 TEU集裝箱船是由SDARI為德國(guó)船東Bernhard Schulte GmbH&Co.KG開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，舟山揚(yáng)帆集團(tuán)有限公司建造的一型支線集裝箱船，其主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng)189.00 m

垂線間長(zhǎng)180.20 m

型寬30.40 m

型深16.90 m

設(shè)計(jì)吃水8.50 m

結(jié)構(gòu)吃水10.50 m

載重量（設(shè)計(jì)吃水）21 200 t

載重量（結(jié)構(gòu)吃水）30 700 t

裝箱數(shù)2 345 TEU

冷藏箱數(shù)（FEU）500 TEU

航速（在結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下，100%MCR）18.68 kn

入級(jí)LR

半懸掛舵的外形尺寸見(jiàn)圖1，全懸掛舵的外形尺寸見(jiàn)圖2。

圖1 半懸掛舵外形尺寸

圖2 全懸掛舵外形尺寸

舵葉的主要參數(shù)和船級(jí)社規(guī)范計(jì)算（正車(chē)航速為18.68 kn，倒車(chē)航速為9.34 kn）的主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，兩種舵在舵葉活動(dòng)面積、舵力、舵桿扭矩和上舵桿直徑方面的數(shù)據(jù)差異不大，舵機(jī)完全可以選取同一檔次的舵機(jī)，使用這兩種舵葉的船舶在操縱性上非常接近。半懸掛舵有固定的掛舵臂，需要的空間較大，全懸掛舵則需要的空間較小。其主要差別在于半懸掛舵有舵銷(xiāo)，在舵葉的中部有一個(gè)支點(diǎn)，下舵桿處的彎距較小，舵桿選取得比較細(xì)。全懸掛舵下舵桿處的彎距較大，舵桿較半懸掛舵舵桿粗85%。由于規(guī)范要求舵葉上鑄件的外徑必須大于舵桿直徑的1.5倍，所以全懸掛舵舵葉上部的厚度比必須選取的非常大，否則無(wú)法容納舵桿和鑄件。下部的舵葉則可以逐步過(guò)渡到與半懸掛舵相同的厚度比。2 339 TEU集裝箱船實(shí)船采用了半懸掛舵的型式，但是后續(xù)2 200 TEU集裝箱船項(xiàng)目中改用了Rolls-Royce的全懸掛舵。

表1 主要參數(shù)

2 阻力

從舵葉外形來(lái)看，全懸掛舵舵葉比較厚，但是尺寸較小，半懸掛舵舵葉比較薄，但是尺寸較大。利用GAMBIT軟件建立兩種舵葉及其所處流場(chǎng)的有限元模型，選取長(zhǎng)度從舵前方10 m到后方10 m，半徑為10 m的圓柱形空間流場(chǎng)，模型見(jiàn)圖3和圖4。

通過(guò)FLUENT軟件進(jìn)行求解，選取RNG（重整化群）k-epsilon湍流模型，用非耦合的、隱式的、定常的3D求解器。海水密度為1 025 kg/m3，黏度為0.001 2 kg/ms。在0°舵角不同航速下阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2中的壓力阻力主要是舵葉前后流場(chǎng)的壓力差所引起的阻力，是阻力中最主要的部分，從表2可以看出半懸掛舵的壓力阻力大于全懸掛舵。黏性阻力主要是流體的摩擦和黏度所產(chǎn)生的阻力，其占比較小，而且全懸掛舵和半懸掛舵的黏性阻力相差也很小。從計(jì)算結(jié)果看，反而是全懸掛舵的總阻力更小。從實(shí)船的模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，也是全懸掛舵略占優(yōu)勢(shì)。但是由于CFD模型中并未加入假舵和船體結(jié)構(gòu)，而且舵作為附體所引起的阻力和其他復(fù)雜因素相關(guān)，無(wú)法單獨(dú)考慮。在另一型2 500 TEU集裝箱船全懸掛舵和半懸掛舵的對(duì)比試驗(yàn)中，全懸掛舵并沒(méi)有占優(yōu)勢(shì)，最終選用了半懸掛舵。因此，舵葉的阻力大小不能一概而論，需經(jīng)過(guò)船模試驗(yàn)結(jié)果具體分析。

圖3 半懸掛舵模型

圖4 全懸掛舵模型

表2 阻力計(jì)算結(jié)果N

3 空泡

通常集裝箱船的航速較高，舵葉周?chē)母咚倭鲃?dòng)導(dǎo)致低壓力。如果壓力下降到飽和水蒸氣壓力以下，就會(huì)形成空泡并爆破；當(dāng)壓力增大時(shí)，不會(huì)發(fā)生空泡現(xiàn)象?？张莸男纬膳c爆破極為迅速。一旦空泡形成，就會(huì)在舵葉表面或靠近舵葉表面的地方產(chǎn)生內(nèi)爆，導(dǎo)致舵葉面的小裂紋和表面油漆材料剝蝕，海水會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大其腐蝕程度?？张莠F(xiàn)象包括非線型多相流的高復(fù)雜物理過(guò)程，可以通過(guò)FLUENT軟件對(duì)舵葉周?chē)牧鲌?chǎng)壓力分布進(jìn)行分析，其壓力較低處為空泡現(xiàn)象的高發(fā)部位。將圖3和圖4模型中舵葉可移動(dòng)部分沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)35°，并設(shè)置來(lái)流面的迎流速度為船舶的最大航速19 kn（9.773 6 m/s）。通過(guò)FLUENT軟件進(jìn)行求解，可得半懸掛舵和全懸掛舵的低壓表面的壓力分布，見(jiàn)圖5～6。

分析兩種舵的低壓力表面的壓力分布可以看出，半懸掛舵除了在下部的前緣靠后處外，在掛舵臂上部與舵葉之間以及舵臂下部與舵葉缺口的間隙后部有兩條非常清晰的低壓區(qū)域。這兩個(gè)區(qū)域存在間隙，水流會(huì)變得紊亂，極易發(fā)生空泡現(xiàn)象。全懸掛舵的低壓區(qū)域都位于舵葉前緣處，表面平滑，發(fā)生空泡的可能性大大低于半懸掛舵的間隙后的區(qū)域。

圖5 半懸掛舵低壓力表面的壓力分布

圖6 全懸掛舵低壓力表面的壓力分布

4 舵葉的質(zhì)量

舵葉的質(zhì)量也是設(shè)計(jì)中必須關(guān)注的重點(diǎn)。這會(huì)影響全船的空船質(zhì)量、重箱數(shù)和船廠的建造成本。表3為2種舵葉的質(zhì)量對(duì)比。

表32 種舵葉的質(zhì)量對(duì)比t

雖然半懸掛舵的舵葉中多一個(gè)鑄鋼件而且厚板的數(shù)量多于全懸掛舵，但是全懸掛舵的鑄鋼件尺寸遠(yuǎn)大于半懸掛舵的鑄鋼件，其質(zhì)量大于半懸掛舵2個(gè)鑄鋼件質(zhì)量之和，所以全懸掛舵的舵葉質(zhì)量約重3.8 t。全懸掛舵的舵桿的下端直徑較半懸掛舵下舵桿粗85%，其質(zhì)量多出近9 t。最主要的質(zhì)量差距來(lái)自?huà)於姹酆透襟w。半懸掛舵的掛舵臂和附體內(nèi)有上下2個(gè)鑄鋼件。由于掛舵臂所需板厚難以加工，船廠將掛舵臂做成整體鑄鋼件的型式，其質(zhì)量非常驚人。全懸掛舵只有一段較小的附體，沒(méi)有掛舵臂，板厚也比較小，所以質(zhì)量較輕，2種形式的掛舵臂和附體質(zhì)量差約15 t。最終半懸掛舵的質(zhì)量超出全懸掛舵約3.3 t，全懸掛舵在質(zhì)量方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

在安裝方面，半懸掛舵的舵葉與舵桿和舵銷(xiāo)的連接均需要使用液壓螺母安裝，對(duì)于舵葉和掛舵臂的安裝精度和誤差控制的要求比較高。全懸掛舵的舵葉只與舵桿連接，安裝精度和誤差控制的要求相對(duì)較低。

如果舵葉上需要加裝舵球或其他節(jié)能裝置，由于半懸掛舵有固定的掛舵臂和舵球或其他節(jié)能裝置，必須避開(kāi)掛舵臂，空間緊張，安裝難度較大。而全懸掛舵前緣很平整，安裝空間較大且比較方便。

目前國(guó)內(nèi)的舵葉設(shè)計(jì)中仍然以半懸掛舵為主，其主要原因是船廠和設(shè)計(jì)方的習(xí)慣及價(jià)格因素。隨著全懸掛舵在性能方面優(yōu)勢(shì)凸顯，越來(lái)越多的集裝箱船上采用了全懸掛舵。

通常舵設(shè)備廠商只提供舵葉和舵桿舵銷(xiāo)，掛舵臂和附體等由船廠制作。如果只考慮舵葉、舵桿、舵銷(xiāo)，全懸掛舵的舵葉和舵桿比較重，價(jià)格較貴。但經(jīng)綜合考慮，全懸掛舵和半懸掛舵的成本比較接近。

國(guó)外的舵設(shè)備廠商已經(jīng)通過(guò)將舵桿插入全懸掛舵的舵葉內(nèi)部，以及讓舵桿套筒參與舵桿強(qiáng)度等手段來(lái)減小全懸掛舵的下舵桿直徑，舵葉厚度也可以減小，進(jìn)一步加大了全懸掛舵的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)GAMBIT軟件對(duì)2種形式的舵建模，并通過(guò)FLUENT軟件分析其阻力和表面壓力分布的特點(diǎn)，可以看出，2 339 TEU集裝箱船上選用的全懸掛舵在空泡的表現(xiàn)上優(yōu)于半懸掛舵，阻力較小。雖然CFD軟件的數(shù)值模擬和流場(chǎng)的簡(jiǎn)化會(huì)使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定誤差，但其仍然具有較高的參考價(jià)值。全懸掛舵在質(zhì)量和其他方面的優(yōu)勢(shì)也不可忽視。希望本文能對(duì)集裝箱船上全懸掛舵上的使用和優(yōu)化方面提供幫助。

Comparative Analysis of Two Rudder Systems of the 2 339 TEU Container Vessel

WANG Feng
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

During the rudder system design of a container vessel，both owner and shipyard focus on the selection of full-spade rudder or semi-spade rudder.In allusion to the rudder system design of the 2 339 TEU container vessel，CFD software was used to build the model and calculate two rudder types，leading to the data of resistance and cavitation.The weight and installation of full-spade or semi-spade rudder were compared and advantages and disadvantages were analyzed as well，serving as reference for the future rudder system design of container vessels.

container vessed；full-spade rudder；semi-spade rudder；resistance；cavitation

U674.13+1

A

1001－4624（2016）02－0034－04

2016-08-20；

2016-11-15

王豐（1979—），男，工程師，從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。