王豐

（上海船舶研究設計院，上海201203）

2 339 TEU集裝箱船兩種舵的對比分析

王豐

（上海船舶研究設計院，上海201203）

在集裝箱船的舵系設計中，采用全懸掛舵還是半懸掛舵一直是船東和船廠的關注重點。針對2 339 TEU集裝箱船的舵系設計，運用CFD軟件，對全懸掛舵與半懸掛舵分別進行建模計算，得出阻力和空泡方面的相關數據，并就舵系的重量及安裝等方面進行對比。分析了全懸掛舵與半懸掛舵在各個方面的優(yōu)劣，為今后集裝箱船的舵系設計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

在上海船舶研究設計院（SDARI）設計的中小型集裝箱中，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，而半懸掛舵則經常發(fā)生空泡剝蝕的現象。因此，在舵系設計中，舵葉型式的選擇需著重考慮。本文選取SDARI設計的2 339 TEU集裝箱船，對全懸掛舵及半懸掛舵的特點進行對比及分析。

1 舵系基本參數

2 339 TEU集裝箱船是由SDARI為德國船東Bernhard Schulte GmbH&Co.KG開發(fā)設計，舟山揚帆集團有限公司建造的一型支線集裝箱船，其主要參數如下：

總長189.00 m

垂線間長180.20 m

型寬30.40 m

型深16.90 m

設計吃水8.50 m

結構吃水10.50 m

載重量（設計吃水）21 200 t

載重量（結構吃水）30 700 t

裝箱數2 345 TEU

冷藏箱數（FEU）500 TEU

航速（在結構吃水狀態(tài)下，100%MCR）18.68 kn

入級LR

半懸掛舵的外形尺寸見圖1，全懸掛舵的外形尺寸見圖2。

圖1 半懸掛舵外形尺寸

圖2 全懸掛舵外形尺寸

舵葉的主要參數和船級社規(guī)范計算（正車航速為18.68 kn，倒車航速為9.34 kn）的主要數據見表1。

從表1可以看出，兩種舵在舵葉活動面積、舵力、舵桿扭矩和上舵桿直徑方面的數據差異不大，舵機完全可以選取同一檔次的舵機，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，在舵葉的中部有一個支點，下舵桿處的彎距較小，舵桿選取得比較細。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，否則無法容納舵桿和鑄件。下部的舵葉則可以逐步過渡到與半懸掛舵相同的厚度比。2 339 TEU集裝箱船實船采用了半懸掛舵的型式，但是后續(xù)2 200 TEU集裝箱船項目中改用了Rolls-Royce的全懸掛舵。

表1 主要參數

2 阻力

從舵葉外形來看，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的有限元模型，選取長度從舵前方10 m到后方10 m，半徑為10 m的圓柱形空間流場，模型見圖3和圖4。

通過FLUENT軟件進行求解，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算結果見表2。

表2中的壓力阻力主要是舵葉前后流場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。從計算結果看，反而是全懸掛舵的總阻力更小。從實船的模型試驗結果來看，也是全懸掛舵略占優(yōu)勢。但是由于CFD模型中并未加入假舵和船體結構，而且舵作為附體所引起的阻力和其他復雜因素相關，無法單獨考慮。在另一型2 500 TEU集裝箱船全懸掛舵和半懸掛舵的對比試驗中，全懸掛舵并沒有占優(yōu)勢，最終選用了半懸掛舵。因此，舵葉的阻力大小不能一概而論，需經過船模試驗結果具體分析。

圖3 半懸掛舵模型

圖4 全懸掛舵模型

表2 阻力計算結果N

3 空泡

通常集裝箱船的航速較高，舵葉周圍水的高速流動導致低壓力。如果壓力下降到飽和水蒸氣壓力以下，就會形成空泡并爆破；當壓力增大時，不會發(fā)生空泡現象?？张莸男纬膳c爆破極為迅速。一旦空泡形成，就會在舵葉表面或靠近舵葉表面的地方產生內爆，導致舵葉面的小裂紋和表面油漆材料剝蝕，海水會進一步擴大其腐蝕程度?？张莠F象包括非線型多相流的高復雜物理過程，可以通過FLUENT軟件對舵葉周圍的流場壓力分布進行分析，其壓力較低處為空泡現象的高發(fā)部位。將圖3和圖4模型中舵葉可移動部分沿Z軸轉動35°，并設置來流面的迎流速度為船舶的最大航速19 kn（9.773 6 m/s）。通過FLUENT軟件進行求解，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。這兩個區(qū)域存在間隙，水流會變得紊亂，極易發(fā)生空泡現象。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 舵葉的質量

舵葉的質量也是設計中必須關注的重點。這會影響全船的空船質量、重箱數和船廠的建造成本。表3為2種舵葉的質量對比。

表32 種舵葉的質量對比t

雖然半懸掛舵的舵葉中多一個鑄鋼件而且厚板的數量多于全懸掛舵，但是全懸掛舵的鑄鋼件尺寸遠大于半懸掛舵的鑄鋼件，其質量大于半懸掛舵2個鑄鋼件質量之和，所以全懸掛舵的舵葉質量約重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%，其質量多出近9 t。最主要的質量差距來自掛舵臂和附體。半懸掛舵的掛舵臂和附體內有上下2個鑄鋼件。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，其質量非常驚人。全懸掛舵只有一段較小的附體，沒有掛舵臂，板厚也比較小，所以質量較輕，2種形式的掛舵臂和附體質量差約15 t。最終半懸掛舵的質量超出全懸掛舵約3.3 t，全懸掛舵在質量方面有一定的優(yōu)勢。

在安裝方面，半懸掛舵的舵葉與舵桿和舵銷的連接均需要使用液壓螺母安裝，對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。

目前國內的舵葉設計中仍然以半懸掛舵為主，其主要原因是船廠和設計方的習慣及價格因素。隨著全懸掛舵在性能方面優(yōu)勢凸顯，越來越多的集裝箱船上采用了全懸掛舵。

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

國外的舵設備廠商已經通過將舵桿插入全懸掛舵的舵葉內部，以及讓舵桿套筒參與舵桿強度等手段來減小全懸掛舵的下舵桿直徑，舵葉厚度也可以減小，進一步加大了全懸掛舵的優(yōu)勢。

5 結語

通過GAMBIT軟件對2種形式的舵建模，并通過FLUENT軟件分析其阻力和表面壓力分布的特點，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上優(yōu)于半懸掛舵，阻力較小。雖然CFD軟件的數值模擬和流場的簡化會使計算結果產生一定誤差，但其仍然具有較高的參考價值。全懸掛舵在質量和其他方面的優(yōu)勢也不可忽視。希望本文能對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，從事船舶舾裝設計工作。