朱凌玉 廖國紅 王林

【摘要】隨著海洋時代的到來，各種新型船舶也應運而生。而動力定位系統(tǒng)在深海以獨特的優(yōu)勢得到了廣泛應用。為研究動力定位系統(tǒng)在新型船舶上的應用，本文提出一種新型的W吸油船，研究了其主體設計及可行性。另外，對動力定位系統(tǒng)在此船上的應用做了理論分析，以供其他研究者參考。

【關鍵詞】新型W型船；吸油船；動力定位系統(tǒng)

動力定位系統(tǒng)以定位精度高、靈活性好、機動性強、適用于多種海況的優(yōu)勢，而廣泛用于海上作業(yè)和海上平臺的定點系泊。而對新型船應用動力定位系統(tǒng)的研究能推進動力定位系統(tǒng)的進一步發(fā)展，故而本文以一種新型的W吸油船為例，對其進行動力定位系統(tǒng)應用研究。

1、新型W船

1.1主體設計方案

本項目提出一種W型多片體組合式設計方案，船身由首部片體，關于船中縱剖面對稱分布的左舷外側(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 航行阻力預估

W型在合攏狀態(tài)航行時，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 L=60m，吃水 T=4m，船寬 B=23.2m，型深 D=6m.合攏時最大航速V=7.768m/s。

1）計算濕面積（海水溫度 T=15°），

運動粘性系數(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）計算雷諾數(shù)Re===2.41×10-10

3）據(jù)光滑平板摩擦阻力公式計算摩擦阻力系數(shù)Cf==1.067×10-3

粗糙度補貼系數(shù)△Cf=0.4×10-3

4）計算摩擦阻力 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功率應為PE=RT×V=6790.638KW

1.3 應用前景

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。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，在我國對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、動力定位系統(tǒng)在W型船中的應用

2.1 動力定位系統(tǒng)工作原理

船舶動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過控制系統(tǒng)馭動船舶推進器來抵消風、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。通過測量系統(tǒng)不斷檢測船舶的實際位置與目標位置的偏差，再根據(jù)環(huán)境外力的影響計算出使船舶恢復到目標位置所需推力的大小，進而對全船的各推進器進行推力分配，使各推進器產(chǎn)生相應的推力以克服風、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定航跡航行。

典型的DP系統(tǒng)主要由三部分組成：1）位置測量系統(tǒng)，測量出船舶或平臺相對于某一參考點的位置；2）控制系統(tǒng)，首先根據(jù)外部環(huán)境條件（風、浪、流）計算出船舶或平臺所受的擾動力，然后由此外力與測量所得位置，計算得到保持船位所需的作用力，即推力系統(tǒng)應產(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 實際應用

2.2.1 靜水中合攏航行

W型船在合攏狀態(tài)下航行時動力定位系統(tǒng)的工作情況即與普通船舶相似。測量系統(tǒng)實時地檢測船舶航行的實際位置，將信息傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)處理所得信息，分析出實際位置與要求的偏差，按推力分配原則將指令分配到推進系統(tǒng)各推進器使其產(chǎn)生相應的力及力矩，以抵消外界干擾力，達到動力定位的目的。

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，將有一對垂直于兩片體的推力，從而產(chǎn)生繞船尾基點的兩力矩。將兩推力分解到運動方向和垂直于運動方向，則總的作用力將與船舶運動方向相反。船舶動力定位系統(tǒng)的測量系統(tǒng)收集信息，經(jīng)控制系統(tǒng)計算分析后發(fā)出能抵消兩推力合理的推力指令，推力系統(tǒng)中的推進器按指令發(fā)出相應力的指令。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分解成運動方向和垂直于運動方向的分量，將產(chǎn)生向前的合力以及力矩，此時動力定位系統(tǒng)工作過程與1、4片體展開時相似，將給予1、4片體上側(cè)推如圖所示T的力的指令，以實現(xiàn)動力定位。

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 展開后遭遇風浪作用

下面說明本船以 W 型工作時遭遇尾斜浪情況下如何保證航向穩(wěn)定：假定船舶 W 型工作時重心位于 G 點，尾斜浪 q（x）作用于左舷，為了方便說明，本項目將沿舷側(cè)分布的波浪作用力 q（x）簡化為作用于舷側(cè)某一點的集中力Q，它對重心產(chǎn)生的力矩為 M（x）。此時船尾、船首的吊艙推進器調(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，由力學條件，各力應滿足：

當船舶所受外載荷與螺旋槳產(chǎn)生推力平衡時，船舶航向保持不變。

結論

為研究動力定位系統(tǒng)在新型船上的應用，本文提出一種W型船，并簡要介紹了其主體設計、性能分析以及應用前景。此后，將動力定位系統(tǒng)應用于所設計的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浪作用時動力定位系統(tǒng)的工作過程。此后，我們將制作出模型，通過試驗來檢驗以上理論分析的正確性。

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