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經(jīng)驗交流

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效
時間:2010年09月09日   作者:佚名  點擊次數(shù): 【字體:

為研究船舶在停車淌航時的舵效采用MMG建模方法,將常速域和低速域數(shù)學(xué)模型相結(jié)合,建立適于港內(nèi)船舶運動的數(shù)學(xué)模型,并考慮淺水、低速、漂角等因素的影響,利用MATLAB軟件進行算法實現(xiàn).對三種船型在港內(nèi)停車淌航時的舵效進行仿真,通過對仿真結(jié)果的分析與比較,得出影響舵效的系列結(jié)論同時,綜合專家意見,得出三種船舶有舵效的最低速度,可為駕引人員在實際工作中提供參考.

關(guān)鍵船舶;低速運動;數(shù)學(xué)模型舵效

中圖分類U661.336 文獻標(biāo)志A

Rudder effect of slow-speed ships in harbor

HONG Bi-guang,GAO Xiao-ri,LI Qiang,DAI Ru-liang

(1.Navigation College,Dalian Maritime University,

Dalian 116026,China;2.Anhui Maritime Safety Administration,Hefei 230032,China)

Abstract:To study the rudder effect of the ship when engine stops,ship maneuvering mathematical model of MMG was used,and a mixed model combining normal speed model with low speed model was presented,which being suitable for ship's motion in harbor including shallow water,low speedsmall and large drift angle.The algorithm of ship's motion was programmed by using Matlab.Three types of ship's rudder effect in harbor were simulated when the engine stops,and a series of conclusions that impact the rudder effect were acquired.At the same timethe minimum steering speeds of three types ships were also obtained by integrating the experts opinions,which can give reference to the navigator in practical work.

Key words:ship; low speed motion; mathematical model;rudder effect

0

隨著水上運輸業(yè)的發(fā)展,海上運輸和內(nèi)河運輸變得日益繁忙和擁擠,船舶的大型化、高速化和專用化使船舶在港口內(nèi)發(fā)生碰撞、觸底等海難事故的危險性也大大增加.船舶在港內(nèi)航行時往往船速較低,在某一船速下停車后,船舶將很快失去舵效.失去舵效時的航速大多依靠實際船舶試驗獲得[1-2],理論研究較少,更缺少基于數(shù)學(xué)模型的船舶港內(nèi)停車淌航時舵效的仿真研究.因此,開展該方面的研究具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義.

1 船舶運動數(shù)學(xué)模型

1.1 船舶操縱運動方程

按照MMG建模思想[3-4],將作用于船體上的外力及外力矩,分為裸船體、螺旋槳、舵的力及力矩,表示為

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

下標(biāo)H表示流體動力P表示螺旋槳力;R表示舵力.

1.2 流體動力和力矩的求取

當(dāng)港內(nèi)船舶低速航行時的舵效時,采用貴島模型[5]

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

當(dāng)港內(nèi)船舶低速航行時的舵效時,采用芳村模型[6]

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

當(dāng)港內(nèi)船舶低速航行時的舵效時,采用上述兩模型的內(nèi)插值.其中,港內(nèi)船舶低速航行時的舵效為船舶轉(zhuǎn)首角速度為零時低速域船體上的流體動力和力矩[7].水動力系數(shù)求取參見文獻[8-9].

1.3 螺旋槳力及力矩的求取

根據(jù)本文所研究的實際工況建立如下螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩模型[3-4]

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

tp為推力減額系數(shù);Dp為槳直徑n為主機轉(zhuǎn)速;FT為槳推力kT(JP)、kM(JP)分別為槳的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù),JP=(1wp)u/nDp;Mp為螺旋槳吸收轉(zhuǎn)矩.

1.4 舵力及力矩的求取

舵力及力矩計算模型[3-4];

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

FN為垂直于舵葉平面的正壓力δ為舵角;tR為舵力減額系數(shù)aH為操舵誘導(dǎo)船體橫向力的修正因子;XH為操舵誘導(dǎo)船體橫向力作用中心到船舶重心的距離;XR為作用于舵上的橫向力作用點的縱向坐標(biāo).

2 影響舵效的因素

2.1 舵角

舵效與舵角密切關(guān)系.舵角越大,舵效越好,但具體航行環(huán)境不同,船員所關(guān)心的舵效的含義也不同.如船舶在受限航道中航行時,為了保向,船員會用小舵角來糾正船舶的偏離,此時舵效指小舵角抑制船舶偏轉(zhuǎn)的效率;船舶在轉(zhuǎn)向點附近進行轉(zhuǎn)向或正常避讓時,常采用中等舵角,此時舵效指中等舵角的變向效率;船舶進行掉頭或緊急避讓時,常采用大舵角,此時舵效指大舵角的旋回效率[1,10].

2.2 舵速

舵速越高,舵效越好.港內(nèi)船舶航行有時需停車淌航,其中涉及的重要問題是船舶在低速狀態(tài)下能否在有限的水域內(nèi)有效地進行保向或轉(zhuǎn)向.本文提出在低速情況下衡量舵效的指標(biāo)一一有舵效的最低船速.

2.3 吃水

吃水與載重量有關(guān).滿載時轉(zhuǎn)動慣量大,故啟動或停車均特別困難,舵效差.特別應(yīng)該指出的是,船舶在港內(nèi)低速停車淌航時,船舶壓載時較滿載時舵效要好得多.

2.4 淺水

隨著水深變淺,慣性類流體動力和性類流體動力均增大,船舶旋回阻尼力矩增加,旋回半徑增加,舵效變差[1,11-13].

2.5 舵機性能

舵機性能好壞直接影響舵效.電動液壓舵機性能較好,容易把定,舵效好;電動舵機不容易把定,舵效差[13].

2.6 舵面積比

舵面積比越大,相對而言,舵正面壓力也大,舵效相對較好.

2.7 風(fēng)與流

空載或壓載船低速航行時,船首一舷來風(fēng),船舶逆風(fēng)轉(zhuǎn)向的舵效較順風(fēng)轉(zhuǎn)向的能力差;順流轉(zhuǎn)向時的舵效較逆流轉(zhuǎn)向時的舵效差.

3 港內(nèi)船舶舵效仿真

3.1 三種船型深水舵效仿真

為使研究問題更具普遍性,本文選擇三種典型船型作為研究對象.其中,育龍號為1t級,Belnor號為5t級,中遠川崎12號為30t.分別對其在不同船速、舵角、水深及載況影響下的舵效進行仿真.

3.1.1 三種船型不同船速下的舵效仿真

(1)育龍號在滿載、風(fēng)流、不同船速下的舵效仿真

育龍號滿載時船、槳、舵的幾何要素如表1.

表1 育龍號滿載時船、槳、舵的幾何要素

兩柱間長

船寬

吃水

吃水

重心坐標(biāo)

排水量

方形系數(shù)

舵面積

舵高

舵展弦比

槳直徑

槳螺距

盤面比

葉數(shù)

126 m

20.8 m

8.0 m

8.0 m

0.63 m

14635 t

0.681

18.8 m2

6.1 m

1.72

4.6 m

3.66 m

0.67

4

1育龍號在滿載、舵角35°、停車淌航4 min、不同船速工況下航向角的歷時曲線.從圖1舵角一定時,船速越高,舵效越好.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

(2)Belnor號在滿載、無風(fēng)流、不同船速下的舵效仿真

Belnor號船、槳、舵的幾何要素如表2所示.

表2 Belnor號船、槳、舵的幾何要素

幾何要素

滿載

壓載

兩柱間長/m

181.6

181.6

船寬/m

30.5

30.5

艏吃水/m

11.82

3.29

艉吃水/m

11.82

6.46

重心坐標(biāo)/m

0

-0.85

樞心坐標(biāo)/m

0

-0.85

方形系數(shù)

0.821

0.811

排水量/t

55126

26449

艏艉吃水差/m

0

3.17

舵面積/m2

30.15

30.15

舵高/m

6.46

6.46

舵展弦比

1.7

1.7

螺旋槳直徑/m

6.1

6.1

螺旋槳螺距/m

4.31

4.31

盤面比

0.7

0.7

葉數(shù)

4

4

2Belnor號在滿載、舵角35°、停車淌航4min、不同船速工況下航向角歷時曲線.從圖2舵角一定時,船速越高,舵效越好.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

(3)中遠川崎12號滿載、無風(fēng)流、不同船速下的舵效仿真

3中遠川崎12號滿載時船、槳、舵的幾何要素.

表3中遠川崎12號滿載時船、槳、舵的幾何要素

兩柱間長

船寬

吃水

吃水

重心坐標(biāo)

方形系數(shù)

排水量

舵面積

舵高

舵展弦比

螺旋槳直徑

螺旋槳螺距

盤面比

葉數(shù)

320 m

60 m

20.88 m

20.88 m

0 m

0.8378

344270t

148.038m2

6.1 m

1.96

9.6 m

7.264 m

0.446

4

3中遠川崎12號在滿載、舵角35°、停車淌航4 min、不同船速工況下航向角歷時曲線.從圖3舵角一定時,船速越高,舵效越好.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

(4)三種船型舵效比較

4為三種不同船型在滿載、停車淌航4 min、舵角35°、不同船速工況下舵效曲線.4表明,在同一船速下,隨著噸位的增加,舵效呈遞減趨勢,故大型船舶在港內(nèi)操船時要及早用舵.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

3.1.2 Belnor號不同舵角下的舵效仿真

5Belnor號在滿載、停車淌航4 min、不同舵角工況下轉(zhuǎn)角速度歷時曲線.由圖5可知,舵角對舵效影響很大,舵角為35°時的轉(zhuǎn)角速度約為舵角為10°時的3.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

3.1.3 Belnor號在滿載和壓載情況下舵效仿真

6Belnor號在壓載、停車淌航4 min、舵角35°、不同船速工況下航向角歷時曲線.7Belnor號停車淌航4 min、舵角35°、不同船速工況下壓載與滿載航向角歷時曲線.由圖7可知,壓載狀態(tài)較滿載狀態(tài)航向角的變化大,表明在同一船速、停車淌航情況下,壓載時舵效較滿載時為好.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

3.2

8Belnor號在滿載、停車淌航4 min、水深吃水比為1.2、不同船速工況下航向角歷時曲線.由圖8可知,淺水中舵效船速的增加而變好.9Belnor號滿載、停車淌航4 min、舵角為35°、不同船速工況下深水和淺水航向角曲線.由圖9可知,在同一船速、停車淌航情況下,滿載船舶在深水中舵效較淺水中為好.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

3.3 維持舵效的最低船速

3.3.1 維持舵效最低船速的問卷調(diào)查

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果[14]船舶在航行1倍船長的距離內(nèi),航向角能夠改變,可認(rèn)為有舵效.從調(diào)查表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得風(fēng)流、滿載、右滿舵、停車淌航情況下,1t級船舶有舵效的最低船速約為2.25 kn,航向角改變量約8.6°,航行距離約1.9倍船長;5t級船舶有舵效的最低船速為2.86 kn,航向角變化量約9.5°,航行距離約1.8倍船長;30t級船舶有舵效的最低船速約為4.35 kn,航向角變化量約9.6°,航行距離約1.6倍船長.

3.3.2 維持舵效最低船速的仿真

10為三種船型在航行1倍船長距離內(nèi)航向角變化量與船速的關(guān)系曲線.航行條件為風(fēng)流、滿載、右滿舵.從圖10可知:“育龍號航行1倍船長的距離內(nèi)航向角改變5°需要的船速為2.3 kn;“Belnor號在航行1倍船長的距離內(nèi)航向角改變5°需要的船速為2.7 kn;“中遠川崎12號在航行1倍船長距離內(nèi)航向角改變5°的航速為3.7 kn.

港內(nèi)船舶低速航行時的舵效

4 結(jié)

(1)舵效受諸多因素影響,船速和舵角對舵效影響明顯.(2)滿載滿舵停車淌航時,1t級船舶舵效要優(yōu)于30t級船舶.(3)對同一船舶而言,隨著船速的增加,壓載時舵效與滿載時舵效差距會越來越小.當(dāng)船速很小時,壓載時舵效要優(yōu)于滿載時舵效;當(dāng)船速超過6.0 kn時,兩者的舵效相差不大.(4)同一船舶分別在深水和淺水中停車淌航,當(dāng)船速較低時,兩者舵效差別不大當(dāng)船速超過5.0 kn時,船舶在深水中的舵效明顯好于淺水中.(5)港內(nèi)停車淌航時,1t級船舶有舵效的最低船速約為2.0 kn,5t級船舶有舵效的最低船速約為3.0 kn,而30t級船舶有舵效的最低船速則約為4.0 kn.

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作者:洪碧光,高孝日,李強,代如亮  來源:大連海事大學(xué)學(xué)報

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