朱凌玉 廖國(guó)紅 王林
【摘要】隨著海洋時(shí)代的到來,各種新型船舶也應(yīng)運(yùn)而生。而動(dòng)力定位系統(tǒng)在深海以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。為研究動(dòng)力定位系統(tǒng)在新型船舶上的應(yīng)用,本文提出一種新型的W吸油船,研究了其主體設(shè)計(jì)及可行性。另外,對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)在此船上的應(yīng)用做了理論分析,以供其他研究者參考。
【關(guān)鍵詞】新型W型船;吸油船;動(dòng)力定位系統(tǒng)
動(dòng)力定位系統(tǒng)以定位精度高、靈活性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、適用于多種海況的優(yōu)勢(shì),而廣泛用于海上作業(yè)和海上平臺(tái)的定點(diǎn)系泊。而對(duì)新型船應(yīng)用動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究能推進(jìn)動(dòng)力定位系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,故而本文以一種新型的W吸油船為例,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用研究。
1、新型W船
1.1主體設(shè)計(jì)方案
本項(xiàng)目提出一種W型多片體組合式設(shè)計(jì)方案,船身由首部片體,關(guān)于船中縱剖面對(duì)稱分布的左舷外側(cè)片體、左舷內(nèi)側(cè)片體、右舷內(nèi)側(cè)片體和右舷外側(cè)片體 5 個(gè)片體組成,如圖1.1、1.2所示,本船的主尺度表如表 1.1所示:
1.2 航行阻力預(yù)估
W型在合攏狀態(tài)航行時(shí),其阻力成分主要是摩擦阻力和粘壓阻力以及興波阻力。其中粘壓阻力和興波阻力總稱剩余阻力。因此,我們只需計(jì)算船舶的摩擦阻力和剩余阻力即可。由表 1.1 和表 1.2 得到船舶主尺度參數(shù):
船長(zhǎng) L=60m,吃水 T=4m,船寬 B=23.2m,型深 D=6m.合攏時(shí)最大航速V=7.768m/s。
1)計(jì)算濕面積(海水溫度 T=15°),
運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)γ=1.8831×10-8㎡/s
參考一般油船的方形系數(shù)Cb=0.815,
排水體積▽=Cb×L×B×d=4454.4m3
W型船濕面積:S=L×B×T(1/T+2/B+2/L)-4.4(▽(1/Cb-1))2/3
=5568×0.37-4.4×100.74=1616.9 ㎡
2)計(jì)算雷諾數(shù)Re===2.41×10-10
3)據(jù)光滑平板摩擦阻力公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)Cf==1.067×10-3
粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)△Cf=0.4×10-3
4)計(jì)算摩擦阻力 Rf=(Cf +△Cf)×()=73.354KN
5)剩余阻力
CR 為剩余阻力系數(shù),查剩余阻力圖譜得方形系數(shù)為 0.815 的船的剩余阻力系數(shù) CR=0.016。那么剩余阻力RR=CR× =800.827KN
總阻力 RT =Rf+ RR =874.181KN
故此W型船在正常航行下的有效推進(jìn)功率應(yīng)為PE=RT×V=6790.638KW
1.3 應(yīng)用前景
近年來的海上溢油污染案例體現(xiàn)了溢油回收船在防止海洋污染中的重要作用。本文提出的“多片體組合式可展開船”利用可展開的船體,可顯著增加船體收油寬度,且在W型底部有效積累油厚利于收油機(jī)高效工作,克服了以往收油船收油寬度小,收油效率低下的缺點(diǎn)。它具有覆蓋面廣,吸油效率高,且能適用于較惡劣海況,大規(guī)模溢油事故的特點(diǎn),在我國(guó)對(duì)高效吸油船有極大需求的大背景下,具有極好的發(fā)展前景。
2、動(dòng)力定位系統(tǒng)在W型船中的應(yīng)用
2.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)工作原理
船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng),它通過控制系統(tǒng)馭動(dòng)船舶推進(jìn)器來抵消風(fēng)、浪、流等作用于船上的環(huán)境外力,從而使船舶保持在海平而某要求的位置上。通過測(cè)量系統(tǒng)不斷檢測(cè)船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差,再根據(jù)環(huán)境外力的影響計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置所需推力的大小,進(jìn)而對(duì)全船的各推進(jìn)器進(jìn)行推力分配,使各推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力以克服風(fēng)、浪、流等環(huán)境外力的干擾,使船舶保持在某確定位置或沿一定預(yù)定航跡航行。
典型的DP系統(tǒng)主要由三部分組成:1)位置測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量出船舶或平臺(tái)相對(duì)于某一參考點(diǎn)的位置;2)控制系統(tǒng),首先根據(jù)外部環(huán)境條件(風(fēng)、浪、流)計(jì)算出船舶或平臺(tái)所受的擾動(dòng)力,然后由此外力與測(cè)量所得位置,計(jì)算得到保持船位所需的作用力,即推力系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生的合力;3)推力系統(tǒng),一般由冗余的推力器組組成。
2.2 實(shí)際應(yīng)用
2.2.1 靜水中合攏航行
W型船在合攏狀態(tài)下航行時(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的工作情況即與普通船舶相似。測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)船舶航行的實(shí)際位置,將信息傳至控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)處理所得信息,分析出實(shí)際位置與要求的偏差,按推力分配原則將指令分配到推進(jìn)系統(tǒng)各推進(jìn)器使其產(chǎn)生相應(yīng)的力及力矩,以抵消外界干擾力,達(dá)到動(dòng)力定位的目的。
2.2.2 靜水中展開合攏過程
1 船體在靜水中展開過程:
(1) 1、4片體在側(cè)推的作用下展開至指定角度。任一角度時(shí),將有一對(duì)垂直于兩片體的推力,從而產(chǎn)生繞船尾基點(diǎn)的兩力矩。將兩推力分解到運(yùn)動(dòng)方向和垂直于運(yùn)動(dòng)方向,則總的作用力將與船舶運(yùn)動(dòng)方向相反。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)收集信息,經(jīng)控制系統(tǒng)計(jì)算分析后發(fā)出能抵消兩推力合理的推力指令,推力系統(tǒng)中的推進(jìn)器按指令發(fā)出相應(yīng)力的指令。從而使船舶能在展開過程中不至于因側(cè)推推力的合力作用而產(chǎn)生向后的速度。
(2) 1、4片體展開后分別保持1、2和3、4片體間的夾角不變,尾部吊艙推進(jìn)器發(fā)出推力F,使2、3片體也展開一定的角度。力F分解成運(yùn)動(dòng)方向和垂直于運(yùn)動(dòng)方向的分量,將產(chǎn)生向前的合力以及力矩,此時(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)工作過程與1、4片體展開時(shí)相似,將給予1、4片體上側(cè)推如圖所示T的力的指令,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位。
2 船體在靜水中的合攏過程即是展開過程的逆,此處不再贅述。
2.2.3 展開后遭遇風(fēng)浪作用
下面說明本船以 W 型工作時(shí)遭遇尾斜浪情況下如何保證航向穩(wěn)定:假定船舶 W 型工作時(shí)重心位于 G 點(diǎn),尾斜浪 q(x)作用于左舷,為了方便說明,本項(xiàng)目將沿舷側(cè)分布的波浪作用力 q(x)簡(jiǎn)化為作用于舷側(cè)某一點(diǎn)的集中力Q,它對(duì)重心產(chǎn)生的力矩為 M(x)。此時(shí)船尾、船首的吊艙推進(jìn)器調(diào)整角度β2、β3、β4 和轉(zhuǎn)速,得到向左前方的力 F2、F3、F4,它們對(duì)重心的力矩為M2(x)、M3(x)、M4(x)。1、4 片體上的側(cè)推裝置調(diào)整轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速,得到力 F1、F5,對(duì)重心的力矩為 M1(x)、M5(x)。船舶受力如圖 1.3 所示:
為了保證航向穩(wěn)定,由力學(xué)條件,各力應(yīng)滿足:
當(dāng)船舶所受外載荷與螺旋槳產(chǎn)生推力平衡時(shí),船舶航向保持不變。
結(jié)論
為研究動(dòng)力定位系統(tǒng)在新型船上的應(yīng)用,本文提出一種W型船,并簡(jiǎn)要介紹了其主體設(shè)計(jì)、性能分析以及應(yīng)用前景。此后,將動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的W型船,分析船舶在靜水中以合攏狀態(tài)航行、展開合攏過程以及展開后遭遇風(fēng)浪作用時(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的工作過程。此后,我們將制作出模型,通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)以上理論分析的正確性。
參考文獻(xiàn):
[1]耿惠彬 譯,MJ摩根著.近海船舶的動(dòng)力定位[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1984.
[2] 周國(guó)平. “海洋石油 623”船型研發(fā)設(shè)計(jì)[J],船舶設(shè)計(jì)通訊,2009 年 S1期.
[3] 張俊武. V 型開體式浮油收集船關(guān)鍵部件疲勞分析研究:[碩士論文] 武漢:武漢理工大學(xué)船舶與海洋環(huán)境保護(hù)專業(yè),2008