◎ 岳志偉 廣州航標(biāo)處

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關(guān)于大型航標(biāo)船加裝減搖裝置的可行性分析及設(shè)備選型探討

◎ 岳志偉 廣州航標(biāo)處

摘 要：本文從船舶在風(fēng)浪作用下的運(yùn)動形式入手，介紹了船舶減搖裝置的作用、分類和發(fā)展。并通過對舭龍骨、收放式減搖鰭、非收放式減搖鰭、被動式減搖水艙、可控式減搖水艙幾種主要的減搖裝置的性能和適用性的對比，結(jié)合海巡172船的實(shí)際情況，對減搖裝置的選型進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)船 減搖裝置 設(shè)備選型

1.緒論

1.1船舶在風(fēng)浪作用下的運(yùn)動形式

船舶在海上航行時，受到波浪的作用，船舶產(chǎn)生搖擺，可分解為6個自由度的運(yùn)動，即橫搖、艏搖、縱搖和橫蕩、縱蕩和垂蕩。通常所說的減搖，除非特別說明外都是針對橫搖運(yùn)動而言。

在波浪的作用下，作為剛體的船舶繞x軸的轉(zhuǎn)動稱為橫搖。橫搖是船的固有運(yùn)動特性，船舶在波浪中橫搖所受的力矩可以看成船舶在靜水中橫搖所受的力矩加上波浪對正浮狀態(tài)船體的擾動力矩。它是波浪對船體的外力矩（波浪擾動力矩）和船體的內(nèi)在力矩（復(fù)原力矩）共同作用的結(jié)果。

1.2海巡172船基本情況

廣州航標(biāo)處海巡172船建造時間為1998年，航區(qū)近年由近海航區(qū)升級為遠(yuǎn)海航區(qū)，其基本參數(shù)列表如下（表1）：

目前，海巡172船除了肩負(fù)廣州航標(biāo)處轄區(qū)內(nèi)的航標(biāo)維護(hù)調(diào)換，還肩負(fù)南海海區(qū)其他六個航標(biāo)處的航標(biāo)大保養(yǎng)任務(wù)，另外還需要進(jìn)行日趨常態(tài)化的南海巡航以及頻繁參與配合西沙、南沙航標(biāo)處的航標(biāo)建設(shè)。對該船的性能都提出了更高的要求，因此，我們開始探討在海巡172船加裝減搖裝置的問題。

圖1：船舶在波浪作用下產(chǎn)生的運(yùn)動示意圖

2.本論

2.1船舶減搖裝置的作用、分類和比較船舶減搖裝置基本上分為舭龍骨，減搖水艙，減搖鰭等幾大類，其中減搖水艙又可以分為被動式減搖水艙和可控式減搖水艙，減搖鰭又可以分為收放式減搖鰭和非收放式減搖鰭。

表1：海巡172船基本參數(shù)表

表2：各種減搖裝置性能比較表

其所能產(chǎn)生的作用主要有以下幾個方面：①船舶橫搖角幅值減小，橫搖運(yùn)動減緩；②改善船舶適航性；包括搖擺平穩(wěn)性、方向操作性等；③提高船舶抗風(fēng)浪能力，增加航行安全性；④提高船舶在波浪中航行的航速，保證航期準(zhǔn)點(diǎn)；⑤改善船上人員的工作和生活條件，提高舒適性和作業(yè)效率；⑥改善船上設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行條件，有利于提高其工作可靠性和延長其使用壽命；⑦為船舶特殊作業(yè)（直升飛機(jī)起降，海上補(bǔ)給、醫(yī)療急救手術(shù)、航天觀測及武備定位跟蹤等）提供保障條件。

下面列表對各種減搖裝置的性能和優(yōu)劣加以比較（表2）。

從上表可知：減搖鰭和減搖水艙是用于減搖最有效的裝置，其中減搖鰭在航速越高時，減搖效果越好，而減搖水艙在低航速時減搖效果理想。

2.2結(jié)合實(shí)船情況對減搖裝置進(jìn)行選型

圖2：船舶減搖力矩示意圖

根據(jù)以上對減搖裝置的比較，結(jié)合海巡172船的實(shí)際情況，可以得出以下分析：①海巡172已設(shè)置了舭龍骨，舭龍骨面積為20.5m2，從舭龍骨的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮，該舭龍骨已無法繼續(xù)增大。②海巡172設(shè)計航速約為14kn，現(xiàn)實(shí)船巡航航速約為12kn，航速中等。在進(jìn)行吊標(biāo)起重作業(yè)時，作業(yè)航速約為2～3節(jié)，屬于低航速狀態(tài)。此狀態(tài)采用減搖水艙的減搖效果較好。但本船的起重作業(yè)穩(wěn)性，要求在以下限制條件下進(jìn)行起重作業(yè)：應(yīng)在蒲氏風(fēng)級不超過5級，有義波高不超過1m的海況海域條件下進(jìn)行起重作業(yè)。起吊荷重為10t，跨距為8m。實(shí)船在起重作業(yè)時，船舶橫傾角度能達(dá)到15度左右，如采用減搖水艙，其穩(wěn)性會變差，橫傾角度會加大，影響船舶安全。③設(shè)計減搖水艙需要改裝一組壓載水艙，減少了壓載水重量，其穩(wěn)性會變差，起重作業(yè)限制條件要求加高，降低實(shí)船作業(yè)能力。④由于海巡172船要頻繁進(jìn)行航標(biāo)作業(yè)，非收放式減搖鰭可能會影響到航標(biāo)作業(yè)。

根據(jù)以上分析，應(yīng)選擇一對收放式減搖鰭作為海巡172船的減搖裝置。

2.3減搖鰭的原理及鰭面積計算

減搖鰭采用主動控制方式來減小船的橫搖，是船舶工程與自動控制相結(jié)合的產(chǎn)物。根據(jù)測量裝置獲得船的搖擺運(yùn)動信息，控制器給出轉(zhuǎn)鰭指令信號，使鰭翻轉(zhuǎn)到一定的角度，產(chǎn)生一個扶正力矩，從而抵消海浪對船的干擾力矩，達(dá)到穩(wěn)定船體姿態(tài)的目的。

無論哪一種形式的減搖鰭，最終產(chǎn)生減搖效果的都是裝于船的兩舷、并于水線下一定深度處的橫剖面為機(jī)翼型的鰭。當(dāng)船舶以航速V前進(jìn)時，在每個鰭上分別產(chǎn)生升力 ，該升力 與鰭面積，鰭攻角以及速度的平方成正比。如果使左右兩鰭在控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生相等但方向相反的鰭角，則在兩個鰭上的升力 將大小相等方向相反。該升力 對于船舶重心G將產(chǎn)生一力矩。當(dāng)此力矩的變化規(guī)律符合一定的關(guān)系時，則該力矩就是船舶減搖力矩。

考慮到船舶在不規(guī)則波中的橫搖情況，減搖裝置的效果可以用減搖前和減搖后的三一橫搖幅值的比值來表示，稱為減搖比。即

通常我們只用最大剩余搖擺角（減搖后的搖擺角）概念來評價減搖效果。

其中：Af—單鰭面積，m2；

ρ—海水密度，kg/m3；

V—設(shè)計航速，m/s；

Cy—升力系數(shù)，由鰭的流體動力學(xué)圖譜獲得；

L—船舶橫搖軸線至鰭升力作用點(diǎn)間的垂直距離，m。

依據(jù)海巡172船的船舶參數(shù)，在三一浪高約為3.25m海況下，該船以12kn航速航行時，啟動減搖裝置后，減搖以后平均剩余橫搖角小于3.5°，則需采用單鰭面積為3.0m2的一對收放式減搖鰭。在三一浪高約為3.25m海況下，該船以10kn航速航行時，啟動減搖裝置后，減搖以后平均剩余橫搖角小于4.5°

3.結(jié)論

根據(jù)上述討論，可以得出以下的結(jié)論：①海巡172船因船型、滿足航速等因素，其橫搖角普遍較大，又因?yàn)橐M(jìn)行日趨常態(tài)化的南海巡航及頻繁參與西南沙航標(biāo)建設(shè)，故有必要探討加裝減搖裝置減小其橫搖角，保障船舶航行安全性，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性以及人員舒適性；②海巡172船已設(shè)置了舭龍骨，在減搖鰭與減搖水艙中，經(jīng)過論證，選擇減搖鰭作為合適的減搖裝置；③考慮海巡172船航標(biāo)作業(yè)的特殊性，在收放式減搖鰭和非收放式減搖鰭中選擇收放式減搖鰭。④根據(jù)減搖鰭其面積計算公式，代入海巡172船參數(shù)，計算出在三一浪高約為3.25m海況下，該船以12kn航速航行時，要達(dá)到減搖以后平均剩余橫搖角小于3.5°，則需采用單鰭面積為3.0m2的一對減搖鰭。

4.討論

減搖鰭作為最常用的船舶減搖裝置同樣存在一系列的缺點(diǎn)，是我們應(yīng)用過程需要注意的：①減搖鰭有一個較大的缺點(diǎn)，鰭所產(chǎn)生的用來減搖的力矩跟航速平方成正比，所以在低速情況下減搖效果很差，零航速時沒有減搖效果。②雖然在風(fēng)浪中由于減搖鰭改善了船舶的耐波性，增加了船舶適航性，相對而言提高了船的航速，但在靜水中由于伸在船外的鰭相當(dāng)于船舶附體（尤其對于非收放式減搖鰭），實(shí)際上會造成一定的靜水航速損失。③減搖鰭鰭翼在高速情況下會產(chǎn)生空泡現(xiàn)象，降低了鰭的效率，并引起鰭體的空蝕。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國船級社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2006）及相關(guān)最新修改通報.

［2］中國船級社.國內(nèi)航行海船入級規(guī)則（2006）及相關(guān)最新修改通報.

［3］中國海事局.國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2011）.

［4］洪超，陳瑩霞.船舶減搖技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.

［5］劉勝，姚波.船舶減搖鰭系統(tǒng)最小方差控制.