舵套筒形式的全懸掛扭曲舵設(shè)計

張 黎，王海波，管慶祥，王運才

（大連船舶重工集團設(shè)計研究院船研所，遼寧 大連 116005）

0 引 言

大型船舶的舵系通常選用半懸掛平衡舵，舵葉剖面為對稱剖面，用舵桿和舵銷對舵葉進行連接，艉部采用掛舵臂的形式。與之相比，舵套筒形式的全懸掛扭曲舵能顯著提高船舶的推進效率，適應(yīng)船舶快速性和節(jié)能降耗的需要；同時，其舵葉剖面采用扭曲的形式，可減少空泡腐蝕?；谝陨峡紤]，舵套筒形式的全懸掛扭曲舵逐漸在很多船舶上得到應(yīng)用。由此，需對舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的設(shè)計進行探究。該舵系主要由舵葉、舵套筒、舵桿、舵承、呆舵和其他附件組成，與普通半懸掛平衡舵的設(shè)計相比，舵套筒和舵葉的設(shè)計是其核心，舵桿、舵承和呆舵的設(shè)計也有其特點，本文著重討論舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的設(shè)計及優(yōu)化。

1 舵系計算

無論是半懸掛平衡舵的設(shè)計還是舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的設(shè)計，都需在設(shè)計之前對舵系進行計算 分析。本文的舵系計算主要依據(jù)DNV GL的規(guī)范，特殊情況下還需利用力學(xué)計算的直接方法，根據(jù)計算結(jié)果確定舵系設(shè)計所需的舵型參數(shù)。舵系計算內(nèi)容如下：

1.1 舵葉面積的選擇

舵葉面積一般可按照經(jīng)驗公式、成熟的類似船型和現(xiàn)有的圖譜進行參考選擇[1]。對于普通半懸掛平衡舵舵葉面積的選擇，往往按照艉部結(jié)構(gòu)的空間選擇；對于舵套筒形式的全懸掛扭曲舵舵葉的選擇，只要滿足經(jīng)驗公式即可，這樣其舵葉高度比普通半懸掛平衡舵小，在舵葉上方應(yīng)設(shè)置呆舵，以滿足線型連續(xù)的結(jié)構(gòu)特點。

1.2 舵力和舵葉扭矩的計算

舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的舵葉沒有切口，按照船級社規(guī)范[2]，舵力CR和舵扭矩QR的計算式為

式(1)和式(2)中：A為舵葉面積，m2；v為夏季載重線吃水下最大服務(wù)航速，kn；K1、K2和K3為舵系數(shù)；r=max(c(α-k),0.1c)為正車條件，c(α-k)為倒車條件，m；c為舵葉平均寬度，m；α為正車取 0.33，倒車取0.66；k=Af/A，Af為舵桿中心線前方舵葉面積。

1.3 舵桿直徑和應(yīng)力分析

舵桿直徑按照船級社規(guī)范[2]計算，舵桿的應(yīng)力應(yīng)滿足的要求為

式(3)～式(5)中：bσ為彎曲應(yīng)力；tτ為剪切應(yīng)力；σvm為馮米塞斯應(yīng)力；M為彎矩，N·m；dc為舵桿直徑，mm；QR為舵扭矩，N·m；k為舵桿材料系數(shù)。

1.4 舵套筒應(yīng)力分析

舵套筒最下方的襯套區(qū)域是受力變形最大的區(qū)域，應(yīng)對該區(qū)域進行校核分析，即

式(6)～式(8)中：MT為舵套筒底部彎矩，N·m；WT為剖面模數(shù)，mm3；QT為剪切力，N；AT為剖面面積，N·m；ReH為舵套筒最小屈服強度；N/mm2；k為舵套筒材料系數(shù)。

1.5 舵葉板厚計算

舵葉板主要分為頂板、底板、舵旁板、前導(dǎo)邊板、水平隔板和垂直隔板。不同位置處的舵葉板應(yīng)采用不同的厚度。舵葉轂鑄件區(qū)域的板應(yīng)按照船級社規(guī)范的要求進行加厚。一般來說，舵葉鋼板采用普通的船用鋼板，對于超大型集裝箱船的高效舵而言，其舵葉板材推薦采用船用高強度鋼板。

2 舵葉和呆舵設(shè)計

2.1 舵葉設(shè)計

常規(guī)半懸掛平衡舵的舵葉為有缺口舵葉，需通過上下鑄件分別與舵桿和舵銷連接；全懸掛扭曲舵的舵葉為無缺口舵葉，舵葉內(nèi)部只需通過舵葉轂與舵桿連接即可，舵葉轂的材料通常為鑄鋼或鍛鋼。

對于舵套筒形式的全懸掛扭曲舵而言，槳對舵的水動力影響一般都在槳的直徑范圍內(nèi)，按照經(jīng)驗，舵高一般不超過螺旋槳直徑的1.2倍。根據(jù)已選定的舵葉面積計算相應(yīng)的舵寬和展弦比，展弦比λ的極限范圍為 1～2。

影響舵水動力性能的因素主要有舵葉扭曲形式和舵剖面導(dǎo)邊抬高角度2個。高效舵節(jié)能的原理是調(diào)整舵剖面導(dǎo)邊抬高的角度使舵本身受到的阻力減小，甚至產(chǎn)生一定的推力。

舵葉扭曲型式不同，節(jié)能的效果會有所差異。舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的舵型按照舵葉前導(dǎo)邊設(shè)計 形式區(qū)分，主要有4種（見圖1）。

1) 類型A：舵葉上下導(dǎo)邊在軸線處分離，完全向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，能夠充分糾正槳尾流，節(jié)能效果最佳。但由于舵葉上導(dǎo)邊頂部扭曲部分與呆舵導(dǎo)邊底部的對應(yīng)部分線型不規(guī)則突變，易引起舵和槳的空泡腐蝕。

2) 類型B：類似于類型A，但舵葉上下導(dǎo)邊扭曲中心采用逐步過渡形式，可較好的避免扭曲中心部分引發(fā)舵槳空泡腐蝕，但舵葉上導(dǎo)邊頂部扭曲部分與呆舵導(dǎo)邊底部的對應(yīng)部分線型仍存在不規(guī)則突變，使舵頂部易發(fā)生空泡腐蝕。

圖1 舵套筒形式的全懸掛扭曲舵舵葉扭曲型式

3) 類型C：舵葉上下導(dǎo)邊扭曲中心和與舵葉上導(dǎo)邊上部均采用逐步過渡形式，優(yōu)點是整體形狀變化規(guī)則并逐步變化，可較大的降低舵葉上導(dǎo)邊上部與舵葉上下導(dǎo)邊扭曲中心發(fā)生空泡腐蝕。缺點是，舵葉導(dǎo)邊有效扭曲長度減小，節(jié)能效果降低。

4) 類型D：導(dǎo)邊扭曲自上而下直接過渡完畢，線型簡單，舵葉制作更加方便。缺點是節(jié)能效果降低，上導(dǎo)邊上部易發(fā)生空泡腐蝕。

舵的水平剖面是由垂直于舵桿軸線的平面截得的舵葉剖面。對于矩形直舵而言，各剖面形狀完全相同；對于非矩形直舵而言，雖然各剖面的弦長不同，但各剖面的形狀相似。為了提高推進效率，舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的水平剖面需采用扭曲型式。

舵葉導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角設(shè)計是舵的水平剖面扭曲設(shè)計中最重要、最核心的部分，在舵面積、厚度比和剖面型值確定的情況下，舵葉導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角的大小直接決定扭曲舵與槳后流場的作用效果和節(jié)能效果。舵葉導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角須結(jié)合舵的最大厚度來確定，即舵葉導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角最大不能超出舵葉的最大厚度，否則會增大舵的航行阻力，抵消扭曲導(dǎo)邊與槳后流場的作用；舵葉導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角過小帶來的影響有限，不能起到明顯的節(jié)能效果?？紤]到舵葉扭曲中線上部厚度大、底部厚度小，舵葉的上下導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角不宜相同，同時要結(jié)合水動力分析、船模試驗驗證和舵葉制作可行性分析來綜合考慮，以確定適合的舵葉剖面型值。舵葉導(dǎo)邊偏轉(zhuǎn)角定義見圖2。

由于舵葉轂和舵桿設(shè)置在舵葉的上方，從整體設(shè)計來看，舵葉下方只要保證線型連續(xù)光順即可，且舵葉的厚度比越大，船舶的快速性越差。為了保證船舶的快速性，舵葉頂部和底部的水平剖面可選取不同的厚度比，頂部的厚度比較大，底部的厚度比較小。根據(jù)綜合剖面的水動力特性和制造情況，結(jié)合舵系中心的位置，選取當(dāng)前比較合適的成熟線型（如NACA64剖面）進行優(yōu)化，確定舵葉的水平剖面，例如右旋槳，從艉部看，槳軸上方的舵剖面導(dǎo)邊抬高應(yīng)向左，槳軸下方的舵剖面導(dǎo)邊抬高應(yīng)向右。

由于舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的舵桿中心線到舵葉水平剖面前緣的距離一般為剖面弦長的35%左右，因此舵葉剖面的最大厚度位置應(yīng)選取在35%剖面弦長附近，否則舵葉剖面會很大，極大地影響舵效和船舶航速。

2.2 呆舵設(shè)計

呆舵是舵葉上方的船體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部與舵套筒相連。船舶運行時呆舵處于水面以下，螺旋槳位于舵葉正前方，螺旋槳的反作用力會對舵葉產(chǎn)生較大的影響。為了矯正艉部伴流場，保證船舶的快速性和操縱性，在舵葉設(shè)計成扭曲型式的前提下，呆舵也需設(shè)計成一定的線型。由于螺旋槳后方的水動力對舵的影響較大，呆舵一般設(shè)計成對稱剖面即可。根據(jù)以往的船模試驗情況，呆舵的厚度比對船舶的快速性也有一定的影響，因此還要分析舵套筒結(jié)構(gòu)，合理選取呆舵的厚度比，最終確定合理的呆舵外形。

3 舵桿設(shè)計

在各船級社的規(guī)范中，目前只有DNV GL的規(guī)范對舵套筒形式的全懸掛舵有詳細(xì)的受力分析介紹，根據(jù)DNV GL的規(guī)范公式[2]和舵套筒形式的全懸掛舵受力圖[2]（見圖3），舵桿直徑dc的計算式為

式(9)～式(14)中：dt為傳遞舵桿扭矩的舵桿直徑，mm；MR為舵葉彎矩，N/m；Mb為舵桿彎矩，N/m；MCR1為舵葉面積A1處的彎矩；N/m；MCR2為舵葉面積A2處的彎矩；N/m；x1為舵葉底部的弦長，m；x2為舵系下軸承高度的舵葉弦長，m；x3為舵葉頂部的弦長，m；CR1為舵葉面積A1處的舵力，N；CR2為舵葉面積A2處的舵力，N；l10為舵系下軸承中心到舵葉底部的距離，m；l20為舵系下軸承中心到舵葉頂部的距離，m；l30為舵系上軸承中心到舵葉頂部的距離，m。

圖3 舵套筒形式的全懸掛舵受力分布圖

以某大型集裝箱船為例（船型參數(shù)和舵型參數(shù)分別見表1和表2）進行舵桿設(shè)計計算，船用普通鍛鋼的屈服強度一般為235～280N/mm2，通過計算得知該船舵桿的直徑為1079～1127mm。舵桿外部配有舵套筒，由于舵桿直徑的大小不同會影響舵葉的厚度比，結(jié)合舵套筒的壁厚設(shè)計，舵葉的厚度比至少應(yīng)為23.52%～ 24.04%。從船模試驗的結(jié)果來看，舵葉的厚度比對船舶航速的影響較大，這就需要通過提高舵桿材料的屈服強度來控制舵桿的直徑，從而達到減小舵葉厚度比、降低船舶阻力的目的。

表1 某大型集裝箱船船型參數(shù)

表2 某大型集裝箱船舵型參數(shù)

通過計算可知，當(dāng)舵桿的屈服強度達到350N/mm2時，舵桿的直徑可減小至1005mm，此時舵葉的厚度比為22.70%，能滿足舵套筒形式的全懸掛舵的舵桿設(shè)計要求。采用合金鋼可解決舵桿屈服強度提升的問題，合金鋼的機械性能見表3。

表3 舵桿合金鋼機械性能

4 舵套筒設(shè)計

與常規(guī)半懸掛舵相比，全懸掛扭曲舵沒有掛舵臂結(jié)構(gòu)，若僅靠舵桿與舵葉連接，舵葉對舵桿的作用力會很大，易造成舵桿直徑和舵葉厚度明顯增加。對此，需配置舵套筒以滿足舵系的結(jié)構(gòu)需求，舵套筒與船體連接，下端伸入舵葉，底端安裝舵套筒襯套。下面從舵套筒插入舵葉深度計算分析、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計、計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）計算方法和其他設(shè)計細(xì)節(jié)等方面對舵套筒的設(shè)計進行研究。

4.1 舵套筒插入舵葉深度計算分析

全懸掛扭曲舵配備有舵套筒，舵套筒底部襯套位于舵葉的內(nèi)部，為了簡化計算，將舵葉設(shè)置為矩形舵，結(jié)合圖3，舵套筒底部襯套中心與舵葉中心的距離為

將式(13)和式(14)代入(11)后進行化簡，得到舵桿彎矩轉(zhuǎn)換公式為

經(jīng)過上述推算，全懸掛舵的舵桿彎矩與舵套筒底部襯套中心到舵葉中心的距離成正比，舵套筒底部襯套中心與舵葉中心的距離越小，彎矩越小，舵桿直徑相應(yīng)越小。

4.2 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的舵葉上方設(shè)計成呆舵形式，此為船體結(jié)構(gòu)。舵套筒外部圓周方向通常設(shè)計 4～8道筋與船體相連，舵套筒的受力靠船體結(jié)構(gòu)來抵消。由于舵套筒和船體結(jié)構(gòu)需有足夠的強度來承受舵套筒產(chǎn)生的作用力，通常在舵套筒下方采用船用鍛鋼，在舵套筒上方采用船用鋼板。目前存在的問題是在焊接舵套筒時其內(nèi)徑易變形，導(dǎo)致舵承無法安裝。由此，對舵套筒的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在舵套筒上方采用船用鍛鋼，在中間段采用船用鋼板卷制，在下方仍采用船用鍛鋼。這樣舵套筒上方的鍛鋼形式既可減小舵套筒與船體結(jié)構(gòu)的焊接變形，又可在鍛鋼內(nèi)徑留有加工余量，以便與船體結(jié)構(gòu)焊接后進行內(nèi)徑加工，防止因焊接變形而產(chǎn)生一系列問題。舵套筒結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 舵套筒結(jié)構(gòu)示意

4.3 CFD計算方法

為了更準(zhǔn)確地判斷舵套筒設(shè)計是否合理，采用CFD計算方法對舵套筒進行詳細(xì)的計算分析[3]。首先利用大型有限元前處理器HyperMesh和PATRAN軟件進行有限元網(wǎng)格的建模和前處理，然后利用大型有限元軟件NASTRAN對舵系進行強度有限元計算，最后對舵系中的舵套筒結(jié)構(gòu)進行強度計算分析和評估，分析舵套筒的變形情況，在此基礎(chǔ)上計算并分析舵系的應(yīng)力和變形隨舵套筒厚度減薄的變化趨勢。

4.4 其他細(xì)節(jié)設(shè)計

船舶運行過程中，海水會經(jīng)過舵套筒下方進入舵套筒，舵套筒下方的襯套需采用水潤滑襯套。目前該襯套材質(zhì)有銅合金和樹脂2種，可根據(jù)船東的要求選擇，通過壓裝或冷裝的方法安裝到舵套筒上。

在結(jié)構(gòu)上，在舵套筒頂部設(shè)計1個注油孔和1個透氣孔，利用管路將油脂注入到舵套筒內(nèi)部，目的是：絕對保證海水不會進入舵機室；保護舵套筒內(nèi)部和舵桿外部，防止海水腐蝕，延長設(shè)備的使用壽命。此外，為了防止海水長期侵蝕舵系，在舵套筒外部需涂漆保護。

5 舵承設(shè)計

舵機通常分為轉(zhuǎn)葉式和往復(fù)式2種，其中：轉(zhuǎn)葉式舵機的舵承集中在舵機轉(zhuǎn)子上，不用單獨再配置舵承；往復(fù)式舵機需配置舵承來承受整個舵系的重力。如采用往復(fù)式舵機，則常規(guī)半懸掛舵和全懸掛扭曲舵的舵承設(shè)計形式不同，其中：常規(guī)半懸掛舵的舵承需通過舵承座安裝在舵機甲板平臺上（見圖5）；全懸掛扭曲舵的舵承需部分鑲嵌在舵套筒的內(nèi)部，這樣不僅可節(jié)省空間，而且可使舵承與舵套筒緊密地配合。

由于全懸掛扭曲舵的舵承下方是嵌入舵套筒的，因此不用設(shè)計舵承座進行支撐，舵承的高度比常規(guī)半懸掛舵要小。舵承的材料都選用常規(guī)材料。由于舵套筒底部采用海水潤滑的襯套，海水會進入舵套筒內(nèi)部，理論上直至船舶壓載吃水水線高度。為了防止海水繼續(xù)進入舵承和舵機室，需在舵承上配備足夠的密封設(shè)施來保證舵承的密封性。綜合分析舵承的結(jié)構(gòu)，確定舵承共布置3處密封，分別為：在密封環(huán)座與舵桿之間布置環(huán)形密封，確保舵桿與舵承之間的海水不能進入；在舵套筒與密封環(huán)座之間布置O型密封圈，確保舵套筒與舵承底部的密封性；在舵套筒上平面與舵承本體接觸區(qū)域布置O型密封圈，防止底部的O型密封圈失效導(dǎo)致海水進入舵機室。

圖5 常規(guī)半懸掛舵舵承示意

傳統(tǒng)舵套筒形式的全懸掛舵舵承的下密封圈布置在舵承的側(cè)面（見圖6）。從以往的船舶建造經(jīng)驗來看，舵套筒焊接會使其內(nèi)徑發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致舵承無法安裝或出現(xiàn)密封不嚴(yán)的情況。對此，需優(yōu)化舵承下密封圈的位置，將密封圈設(shè)置在舵承底部，在舵承高于舵套筒的區(qū)域設(shè)置止推器，這樣就可很好地解決舵承安裝過程中出現(xiàn)的問題。優(yōu)化后的舵套筒形式的全懸掛扭曲舵舵承示意見圖7。

圖6 傳統(tǒng)舵套筒形式的全懸掛舵舵承示意

圖7 優(yōu)化后的舵套筒形式的全懸掛扭曲舵舵承示意

6 結(jié) 語

本文詳述了舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的設(shè)計情況，分析了其與普通半懸掛舵設(shè)計的不同之處，以及根據(jù)其特點所做的優(yōu)化設(shè)計，滿足了舵套筒形式的全懸掛扭曲舵的詳細(xì)設(shè)計要求。對于扭曲舵葉而言，可利用 CFD軟件進行計算分析，并通過船模試驗做進一步驗證，確保其得到充分優(yōu)化，使整個舵系的設(shè)計達到預(yù)期效果。