唐偉煒，鐘宇萍，陳愛國，鄧宏程

（廣州航海學(xué)院，廣州 510725）

1 引言

船舶在海上航行中，由于受到海浪環(huán)境等因素的干擾會產(chǎn)生橫搖、橫蕩、縱搖、縱蕩、垂搖、垂蕩六個自由度的搖蕩運(yùn)動。由于船舶的船長遠(yuǎn)大于船寬，所以船舶在海上極易發(fā)生橫搖，相較于其他自由度上的運(yùn)動，橫搖運(yùn)動搖擺賦值最大、運(yùn)動最為劇烈[1]。橫搖運(yùn)動對船舶在海上的正常工作、船員的舒適度等方面都有較大的影響。減搖鰭是目前最有效、最常見的抗橫傾裝置，而常規(guī)減搖鰭無法滿足零航速狀態(tài)下的減搖需求[2]。為了得到最優(yōu)化的全航速減搖鰭設(shè)計(jì)參數(shù)，本文以非收放式減搖鰭抗橫傾系統(tǒng)作為研究對象，側(cè)重于對全航速的減搖鰭鰭型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出實(shí)用性強(qiáng)的全航速減搖鰭鰭型。

2 減搖鰭的減搖原理

減搖鰭通過鰭片產(chǎn)生升力力矩形成減搖力矩，用來對消海浪、海流等因素產(chǎn)生的波浪擾動力矩，從而達(dá)到抗橫傾的效果。

波浪產(chǎn)生的橫搖干擾力矩為：

式中：h 為初穩(wěn)心高；D 為船舶排水量；γ 為波傾角。

在零、低航速下，減搖鰭是采用主動急拍的方式產(chǎn)生升力L；在中、高航速下，減搖鰭產(chǎn)生的減搖力矩為：式中： Af為鰭的面積；V 為船舶航速；CL為鰭升力系數(shù)。

由公式（2）可知，此力矩與鰭面積Af 和航速v的平方成正比。在鰭型參數(shù)及航行速度一定的情況下，減搖力矩MCT只由轉(zhuǎn)鰭角α 來確定。

當(dāng)MB與MCT相等時，即減搖鰭減搖力矩與海浪干擾力矩相互抵消時，船舶橫搖運(yùn)動將停止。

裝有減搖鰭的船舶，其鰭型參數(shù)是確定不變的，那么鰭所獲得的穩(wěn)定力矩將只由航行速度和轉(zhuǎn)鰭角來決定[3]。在保持穩(wěn)定的航速時，則可以通過改變轉(zhuǎn)鰭角α 來改變穩(wěn)定力矩，從而達(dá)到對穩(wěn)定力矩的控制，利用一定的控制規(guī)律、反饋裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)則能使鰭產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩恰好能與波浪擾動力矩互相抵消，達(dá)到抗橫傾的效果。

3 高航速減搖鰭鰭型設(shè)計(jì)

由于普通減搖鰭的鰭面所受到的升力正比例于船舶航行速度的平方,所以減搖鰭提供的減搖力矩受限于船的航行速度，即在較低航速下鰭的減搖效果很差。由于許多船舶要求在零、低航速下工作，國外已有許多針對這方面的研究，并且發(fā)現(xiàn)采用主動急拍減搖鰭獲得減搖力矩的方法要比被動式減搖水艙減搖成效高出許多[5-7]。這是因?yàn)榱?、低航速下減搖鰭是通過船舶輔機(jī)主動施力使鰭規(guī)律性拍打水面獲得升力，這與中、高航速情況下獲得升力的原理明顯不一樣，在這兩種不同情況下鰭型的設(shè)計(jì)要求自然不一樣。

3.1 船舶主要參數(shù)

以88 m 輕型海工輔助船為研究對象，設(shè)計(jì)適用于該船型的全航速減搖鰭鰭型。該船主要參數(shù)如下：

船舶初穩(wěn)心高h(yuǎn) 3.2 m

船舶排水量△ 1.4×107 kg×g=1.372×108 N

船寬B 20 m

最大波高H1/104.2 m

海浪波長λ 103 m

設(shè)計(jì)航速v 18 kn

海浪周期T 5 s

3.2 減搖鰭最大升力計(jì)算

由橫搖運(yùn)動方程以及船舶主要參數(shù)，可以計(jì)算得到船舶所受最大波浪擾動力矩為：

由減搖鰭原理可知，減搖鰭所產(chǎn)生的最大減搖力矩MCTmax應(yīng)等于最大波浪擾動力矩MBmax，即

式中：Lzm為單個減搖鰭所需最大升力；R 為力矩力臂。

由公式（4）、（5）式可得：

3.3 鰭軸位置計(jì)算

在零航速情況下，通常全航速減搖鰭鰭軸位置比常規(guī)減搖鰭更加靠近前緣，升力多集中于鰭軸后端；當(dāng)鰭尾部的線速度越大時，獲得的升力也將越大。因此，在鰭型確定且零航速的情況下，鰭軸的前移能增加升力；將不同的鰭軸離前緣的長度代入式（1），可得出不同鰭軸位置所對應(yīng)的升力大小，計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

由圖2 可知，將鰭軸向鰭前緣移動能夠提升鰭在零航速狀態(tài)獲得的升力，且同時不使鰭工作于中、高航速時利用攻角獲得的升力受到影響。但在中、高航速的情況下，鰭升力中心的位置接近于距鰭首緣的1/4處，如果鰭軸位置偏離此位置則將使鰭受到的轉(zhuǎn)矩增大，從而使驅(qū)動鰭轉(zhuǎn)動的力矩大幅增加，這將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的功率大幅上升。

圖2 為δ(1/Lzm) — Cc （零、低航速下最大升力的倒數(shù)增加比率）曲線和δ(Cm) — Cc （中、高航速下轉(zhuǎn)矩增加比率）曲線。1/Lzm 和 Cm 的值均越小越好，對于全航速減搖鰭，選擇兩條曲線的交點(diǎn)來確定鰭軸最合適的位置，即取鰭軸相對位置參數(shù)Cc=1/6。

3.4 鰭面面積的計(jì)算

不同航速情況下減搖鰭展弦比的最優(yōu)參數(shù)是不同的，對于應(yīng)用于全航速情況下的減搖鰭，展弦比通常選擇0.35 ～0.6，此處設(shè)計(jì)的展弦比為λ=0.5。

對于零、低航速下的鰭面面積需求，可以將LZm、λ 值等代入下式：

式中：ωm為鰭角速度ω 的最大值；t 為ω 從零增大到最大值ωm所耗時間；Cd是形狀阻力系數(shù)；ka 為附加質(zhì)量力系數(shù)；α 為轉(zhuǎn)鰭角度。

對于中、高航速下的鰭面上的升力系數(shù)CL，可將α0=1.8π/57.3、CDC=0.8、αs=0、CDC=0.4、λ=0.5 代入式（7）：

式中：αs是鰭后掠角；αf為來流攻角；α0是升力曲線斜率的修正系數(shù)；CDC是形狀參數(shù)，通?？扇?.4 或0.8。

通常，來流攻角取af= 20°，設(shè)計(jì)航速v =18 kn，則中、高航速下的鰭面面積的計(jì)算，可結(jié)合式（2）和式（8）得出鰭面積為：

對兩種航速情況下的鰭面積需求進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)鰭面積在零、低航速下所需面積較大，故按零、低航速的鰭面積需求取A=3.687 m2。

弦長4d、展寬e、鰭軸離首緣的長度c2計(jì)算得出：

4 全航速減搖鰭鰭型設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)圖

4.1 減搖鰭鰭型的最終設(shè)計(jì)參數(shù)

全航速減搖鰭鰭型參數(shù)名稱 數(shù)值

4.2 全航速鰭型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

全航速減搖鰭鰭型圖見圖3。

5 結(jié) 論

常規(guī)減搖鰭通常在零、低航速狀況下幾乎沒有抗橫傾效果，而采用主動急拍的工作方式可使減搖鰭在零航速的情況下也能產(chǎn)生減搖力矩。綜合上述的理論分析和數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的全航速減搖鰭克服了在零、低航速狀態(tài)下面積需求過大及鰭軸位置矛盾等情況，可在零、低航速以及中、高航速同時實(shí)現(xiàn)減搖的效果。同時提出了全航速減搖鰭的鰭型優(yōu)化方法。

根據(jù)實(shí)船參數(shù)以及結(jié)合上述全航速減搖鰭鰭型的優(yōu)化方法，計(jì)算得出了88 m 輕型海工輔助船減搖鰭的設(shè)計(jì)參數(shù)。而在實(shí)際推廣應(yīng)用中，可通過實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算合適的參數(shù)：鰭軸相對位置C 選擇在前緣1/6-1/5 之間；展弦比λ 在0.35～0.6 之間；再結(jié)合升力模型計(jì)算得出實(shí)際所需的鰭面積A 等鰭型的其它參數(shù)。