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        綜合減搖技術(shù)在千噸級海警艦艇上的應用研究

        2017-02-08 01:05:45趙樹培
        江蘇船舶 2017年6期
        關(guān)鍵詞:艦艇效果系統(tǒng)

        趙樹培

        (公安海警學院機電管理系,浙江寧波315801)

        0 引言

        隨著“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的深入,建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略走向國家層面,中國海警艦艇在管轄水域履行執(zhí)法維權(quán)的作用日益凸顯。艦艇作為海警部隊最為重要的裝備載體,面對艦艇搖蕩所帶來的問題,需要強大的技術(shù)支撐,特別是現(xiàn)代裝備有艦載直升機的海警艦艇,劇烈的搖蕩會影響到直升機的起降。減搖裝置不僅有效地減小了艦艇搖蕩,提高了艦員的舒適感,而且降低了設(shè)備的搖晃、振動,提高了安全性。另外,減搖裝置還可以在一定程度上提高艦艇的航速、適航性和經(jīng)濟效益,為艦艇更好地完成任務打下堅實基礎(chǔ)。目前,海警千噸級以上的海警艦艇基本都設(shè)有直升機停機坪或機庫,對減搖能力的要求也隨之大增。本文主要從現(xiàn)代成效較為顯著的幾種減搖裝置出發(fā),詳細闡述了其原理以及在海警艦艇上的應用,然后進行分析比較,探討了綜合減搖技術(shù)的優(yōu)勢以及在大型海警艦艇上應用的可行性,提出了綜合減搖技術(shù)在未來海警艦艇上應用的幾點思考[1]。

        1 舭龍骨的工作原理及應用

        舭龍骨是沿艦長方向,設(shè)在艦艇中段外側(cè)舭部的縱向鰭狀結(jié)構(gòu),其主要功能是減小艦艇橫搖。每艘艦艇都裝有舭龍骨[1],是應用最廣泛的被動式減搖裝置,其布置如圖1所示。

        圖1 舭龍骨布置圖

        1.1 裝設(shè)舭龍骨的優(yōu)點

        (1)低航速且設(shè)計合理,能有效減輕橫搖。

        (2)基本不影響艦艇的空間和重量。

        (3)建造成本較低,易于維護保養(yǎng)。

        1.2 裝設(shè)舭龍骨的缺點

        (1)減搖效果不高,一般在10% ~20%之間,難以滿足海警艦艇對高航速下減搖能力的要求。

        (2)會使艦艇的阻力略有增加,影響艦艇的快速性[2]。

        2 減搖水艙的工作原理及應用

        減搖水艙是安裝在艦艇體內(nèi)部的一種特制水艙,其工作原理如圖2所示。圖中,Mtmax為水艙最大減搖力矩。根據(jù)水艙的工作原理分為:主動式水艙、被動式水艙和被動可控式水艙[3]。

        圖2 U型減搖水艙工作原理圖

        圖2 中,在位置a)時,當艦艇橫搖到右舷最大角度時,減搖水艙中的水快速向右舷流動,此時,艦艇受到復原力矩作用向左舷恢復,到達位置b)時,減搖水艙中90%以上的水流到了右舷。這樣,相當于減搖水艙產(chǎn)生了一個用來抵消艦艇橫搖的減搖力矩。在位置c)時,艦艇達到向左的最大橫搖角,此時減搖水艙兩邊的液位差很小,沒有減搖力矩產(chǎn)生作用。在位置d)時,左舷邊艙的液位達到最大,對艦艇產(chǎn)生了最大減搖力矩克服艦艇的橫搖運動。當艦艇再次達到位置a)時,就開始周而復始的循環(huán)運動,這就是U型減搖水艙的減搖原理。目前,海警艦艇上已安裝減搖水艙,減搖效果良好[4]。

        3 減搖鰭的工作原理及應用

        減搖鰭是一種非常有效的主動式減搖裝置,它可以使橫搖角不超過3°,并且在航速方面也可以得到保證。減搖鰭結(jié)構(gòu)復雜,維護成本較高,因此在海軍和海警等公務艦艇上應用較多。艦艇以一定速度運動時,減搖鰭開始偏轉(zhuǎn),根據(jù)流體力學的基本原理可知,在鰭葉上方的壓力小于下方的,且流速大于下方的流速,在鰭上就會產(chǎn)生一個向上的升力P。同時,在另一個鰭上也會產(chǎn)生一個向下的升力P,兩個力同時以R為減搖半徑對艦艇產(chǎn)生一個穩(wěn)定力矩作用,能有效降低艦艇橫搖[5]。

        減搖鰭升力原理圖如圖3所示。

        圖3 減搖鰭升力原理圖

        千噸級海警艦艇采用由哈爾濱工程大學設(shè)計的NJ5-3.5S-1型減搖鰭。該減搖鰭特點是由2對鰭組成整個減搖鰭系統(tǒng),轉(zhuǎn)鰭隨動系統(tǒng)為泵控系統(tǒng)。目前,海警艦艇主要安裝的是固定式減搖鰭,其優(yōu)點體積小、構(gòu)造簡單、方便維護,特別是在艦艇速度大于14 kn以上時,減搖效果最佳[6]。但是,當艦艇速度低于6 kn時,效果不明顯。南海海域的海警艦艇經(jīng)常處于高速航行狀態(tài),非常適合安裝固定式減搖鰭,然而單獨使用減搖鰭并不能滿足海警艦艇在全海況下的減搖需求。

        4 綜合減搖技術(shù)

        綜合減搖技術(shù)是艦艇穩(wěn)定航行研究的重要課題之一,以減搖鰭、減搖水艙為基本單元,通過把單一的減搖裝置合理配置成系統(tǒng),使艦艇在各種情況下都可以有效地減小橫搖、橫傾[1]。各種減搖裝置的性能對比見表1。

        表1 各種減搖裝置的性能對比

        由表1可知:面對不同海況,單獨使用任何一種減搖裝置在功能上都存在缺陷。

        (1)艦艇速度方面的影響:減搖鰭表現(xiàn)最為明顯,艦艇速度越高,效果越好,低速無效。

        (2)減搖效率方面的缺陷:減搖水艙雖然不受速度影響,但單獨使用效果卻不理想。

        (3)航向上的局限性:艦艇在迎浪、尾斜浪作用下,搖蕩不規(guī)則時,單獨使用某一種減搖裝置效果不明顯[7]。

        本文提出以“艦艇-減搖鰭-被動式減搖水艙”組成的綜合減搖技術(shù)作為現(xiàn)代大型海警艦艇的減搖方式[5]。根據(jù)艦船設(shè)計的理論研究,得到綜合減搖系統(tǒng)的橫搖方程[1]:

        式中:φ為艦艇橫搖角,φ、φ為其微分;2Vφ為艦艇在減搖鰭和減搖水艙聯(lián)合作用下的橫搖衰減系數(shù);為艦艇在減搖鰭和減搖水艙聯(lián)合作用下的固有頻率;z為減搖水艙水位的相對位移;α1為艦艇波傾角;αe0為最大有義波傾角;β為比例系數(shù)。

        綜合減搖裝置設(shè)計的思路是:當艦艇處于中、高航速航行時,通過減搖鰭和減搖水艙配合產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩來抵抗海浪的干擾力矩,使艦艇具有較高的減搖效果。當艦艇處于低航速或系泊狀態(tài)時,通過單獨使用減搖水艙進行平衡,保證艦艇具有基本的減搖效果[1]。在設(shè)計綜合減搖系統(tǒng)的配置方案時,必須考慮減搖鰭的最大靜特征數(shù)、減搖水艙的最大靜特征數(shù)、航速對減搖效果的影響、海況對減搖效果的要求、航向?qū)p搖效果的限制、綜合減搖系統(tǒng)功能及效果的實現(xiàn)性等因素。

        以“艦艇-減搖鰭-被動式減搖水艙”組成的綜合減搖系統(tǒng)在海警艦艇上的應用具有很好的發(fā)展前景,其優(yōu)勢有以下幾個方面:

        (1)突破了航速方面的限制,在各種航速下都能有效減小艦艇橫搖。

        (2)放寬了設(shè)備的選擇范圍,與單獨使用減搖水艙的艦艇相比,綜合減搖系統(tǒng)的減搖水艙體積更小,也降低了對減搖鰭的特征數(shù)的要求,這對于安裝不可收放式減搖鰭的海警艦艇具有實際意義[4]。

        (3)增強了艦艇的安全性,綜合減搖系統(tǒng)中減搖鰭、減搖水艙互為備用,在很大程度上增加了系統(tǒng)的安全性[4]。

        5 結(jié)語

        本文對各種減搖裝置的工作原理、性能等方面進行了詳細介紹,通過研究分析了被動式減搖水艙和減搖鰭在海警艦艇上的應用效果。針對海警艦艇排水量越來越大,功能越來越全面,為適應各種海況及作戰(zhàn)環(huán)境而對減搖的要求也越來越高的發(fā)展趨勢[7],探討了以“艦艇-減搖鰭-被動式減搖水艙”系統(tǒng)為典型的綜合減搖技術(shù)在海警艦艇上的應用和發(fā)展前景。

        [1] 趙為平.大型水面艦艇綜合平衡系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2005.

        [2] 鄒寧.船舶減搖裝置及其應用[J].船舶工程,2012(增刊2):271-277.

        [3] 楊輝,宋金龍.船舶減搖方式介紹及發(fā)展趨勢[J].江蘇船舶,2007,24(4):14-16.

        [4] 賁成華.船舶水艙-鰭減搖和抗傾系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

        [5] 馬云飛.基于擾動補償?shù)拇皺M向運動LQG控制研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

        [6] 趙為平,金鴻章,張海鵬,等.鰭/被動水艙聯(lián)合減搖理論研究[J].中國造船,2004(3):84-87.

        [7] 董美華,馬汝建,趙東.船舶減搖技術(shù)研究進展[J].濟南大學學報(自然科學版),2008(2):76-81.

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