楊濤

江南造船集團有限責任公司，中國·上海 200000

1 引言

2008年的金融危機引發(fā)國際航運市場動蕩，面對充滿變數的航運市場，多用途船具有能適應多種航線，盡可能高效率地載運各種貨物，使用簡便，造價低廉的特點，成為船東們較為理想的運營船型之一。

2 集散兩用沿海貨船簡介

集散兩用船即多用途船。多用途貨船是既能載運普通件雜貨，也能載運散貨、大件貨和一部分集裝箱以及冷藏貨的貨船。通常為雙甲板、尾機型和大艙口，并配有大起重量。

舵是實現(xiàn)船舶操縱的主要設備，轉動舵時，舵上產生的水動力在垂直于船體中心線方向上的分力相對于船體舯剖面形成轉船力矩，起回轉船舶的作用，置于零舵位時起穩(wěn)定航向的作用。性能優(yōu)良的舵設備能滿足船舶對操縱性的要求，能使舵裝置與操舵裝置的重量輕、成本低、功率消耗小，工作安全可靠，便于制造和維修。作為船舶重要性能之一的操縱性包含兩個相互有關的性能，即航向穩(wěn)定和回轉性。而良好的操縱性必須依靠舵設備來保證。

3 舵設備的組成

舵設備中除了舵以外，為了在規(guī)定時間內，將舵轉到所需的角度并保證其有效工作，還需要有操舵裝置、舵機、轉舵裝置。其中，包括操舵器、舵角指示器、傳動裝置、轉舵機構、舵。不同型式的舵由于其同船體連接方式或是舵葉與舵桿的連接方式的不同，舵系的組成方式也會有所不同[1]。

3.1 舵的作用

①船舶操縱性是船舶保持或改變航向的能力：小舵角下的航向保持性；中等舵角的航向改變性；大舵角的船舶回轉性。

②舵位于船體和螺旋槳的后方，受到船體伴流和螺旋槳尾流的影響，舵的存在及舵角變化也影響船體及槳的受力情況。船體—槳—舵是相互影響、關系密切的有機整體。把舵置于槳的尾流內，不僅可吸收旋轉尾流的能量，還可充填根渦區(qū)，減少渦能損失，從而提高了推進效率。因此，從快速性角度有時把舵和槳合在一起作為推進系統(tǒng)的一部分。

③舵作為附體，產生阻力，當船舶回轉時，舵產生回轉阻尼力矩。若舵角為零，舵與呆木一樣，起固定式尾鰭的作用，對直線穩(wěn)定性有利；當操了一定的舵角，船舶進行回轉運動時，隨著水流的偏轉，舵的有效攻角小于實際舵角，減少了舵力和轉船力矩，這部分差額相當于被舵的回轉阻尼力矩抵消，該回轉阻尼作用是舵阻尼，也可稱為舵的鰭效應。舵的鰭效應改善了船舶直線穩(wěn)定性，也提高了操舵后船舶進入新航向的跟從性。

3.2 舵設備的作用原理

利用轉動舵葉來改變航向時，會產生一系列水動力作用過程。當舵以速度v 運動，并且有一定舵角時，在舵上會產生舵壓力，舵壓力產生轉船力矩，在轉船力矩和橫向力的作用下，船首向轉舵方向轉動。

3.3 舵設備的分類

按安裝位置分：中舵、邊舵、水平舵等。

按舵面積在軸前后分：平衡舵、半平衡舵、不平衡舵。

按支撐方法分：懸掛舵、半懸掛舵、支撐舵（單/雙/多支撐）。

特種舵：襟翼舵、主動舵、組合舵、反應舵、轉柱舵等。

按舵葉的剖面形狀分：單板舵、復板舵（亦稱流線型舵），目前常用的多為流線型平衡舵[2]。

3.4 舵設備的設計方法與思路

3.4.1 舵裝置的傳統(tǒng)設計有兩種方法

一是按照船舶建造規(guī)范的有關規(guī)定計算式進行計算；

內部控制主要是指企業(yè)通過制定一系列規(guī)章制度來對自身經營管理活動進行控制。從實踐情況來看，這種控制性的行為很難得到人們的認可，由此使得企業(yè)內部控制管理缺乏必要的動力支持。另外，企業(yè)實施內部控制也需要一定的成本費用，在開展內部控制的過程中會影響企業(yè)經濟效益的獲得。

二是按照強度理論計算決定。

一般來說除了決定舵桿直徑可用強度理論計算外，其他零件主要按照規(guī)范規(guī)定進行計算確定。驗船部門審核舵裝置零件計算上的主要依據是船舶建造規(guī)范和強度理論。

3.4.2 舵的設計思路

舵的設計思路如圖1所示。

圖1 舵的設計思路

3.5 舵設備的方案、布置設計

舵的布置需考慮以下原則：

①為了使舵上的流體動力對船舶產生一個盡可能大的轉船力矩，舵應布置在遠離舶船重心G 處，以便增加力臂值，改善回轉性，所以舵常布置在船尾部。對有特殊需要的船也有布置在船首的，因為需對開，無首尾之分；

②注意使舵得到突出的尾型的保護；

③為了獲得螺旋槳尾流以提高舵效，舵一般布置在螺旋槳的后方。試驗資料表明，螺旋槳尾流要經一段距離后，其尾流速度才達到最大值。所以，原則上應將舵布置在尾流速度大處工作，對提高舵效有利。

3.6 舵面積的確定

按船級社規(guī)范確定舵面積：

式中，L 為船長（m），本船為89.9m；T 為吃水（m），本船為5.6m；B 為船寬（m），本船為14.6m；Cb為方形系數，本船為0.82。計算得，A=9.50m2。

考慮本船尾部線型和吃水，實取舵高h=3.80m，舵寬b=2.50m。舵葉采用矩形。

3.7 舵葉翼型及剖面參數

流線型舵的剖面常為對稱機翼形。為使其能產生較大的升力和具有較小的阻力，前緣為圓形，而后緣較尖。剖面厚度比過大或過小對最大升力系數都不利，一般認為在0.10～0.20 范圍較為合適。由于NACA 剖面的升力較大，阻力較小，適宜于正對螺旋槳尾流的舵葉。故本船舵葉選取NACA0015 對稱機翼剖面，即型厚比為0.15，最大厚度t=0.375m。

3.8 舵平衡比

根據統(tǒng)計資料，該類型貨船的舵平衡比k 宜在0.25～0.28之間，本舵為矩形舵，參考母型船，實取舵桿中心線至導邊的距離為a=0.65m，則舵平衡比k=a/b=0.65m/2.50m=0.26，在規(guī)定范圍之內。

3.9 舵葉結構設計

舵葉結構尺寸計算按《2006 國內航行海船建造規(guī)范》3.1.6.2，舵葉板（含旁板、頂板和底板）厚度應不小于：

式中：d 為吃水，m；F 為舵力，N；A 為舵葉面積，m2。

實取15mm。

舵葉的導緣通常用鋼板彎制，按《2006 國內航行海船建造規(guī)范》3.1.6.4 舵葉的導邊板厚度應不小于1.2 倍的舵旁板厚度，但也不必大于22mm，所以取20mm。

舵葉的尾緣（隨緣）形式較多，最簡單的方式是將兩側的舵葉旁板搭接，但這種方式比較容易產生裂紋，因此通常的方法是加設型材，如扁鋼、圓鋼、半圓鋼或按舵葉的尾端線型加工的專用鋼材。

根據《2006 國內航行海船建造規(guī)范》3.1.6.3 舵葉內應設置垂直隔板和水平隔板，其厚度應不小于0.7 倍的舵旁板厚度，且不小于8mm，所以取11mm。

4 結語

論文通過對4500DWT 沿海貨船舵設備設計應按確定舵的數目與位置→選擇舵面積大小、剖面形狀與外形→通過水動力特性計算確定舵桿直徑及各構件尺寸和舵機功率三步走思路進行舵設計，為以后工作提供建議或思路。