唐偉煒，劉子晴，陳愛國，盤茂燕

（廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725）

0 引 言

當前船舶普遍采用鋼質(zhì)船殼，橫搖阻尼較小，在海上航行或作業(yè)時容易產(chǎn)生巨大的橫搖運動。

海工輔助船既可為海洋平臺提供起重作業(yè)、直升機?？俊⒏缮⒇涊斶\、海上居住和對外消防等服務(wù)，又能為其供應(yīng)鉆井水、燃油和淡水等物資。由于作業(yè)的特殊性和工作環(huán)境的復(fù)雜性，海工輔助船對抗橫搖性能的要求相比其他船型更高。本文以某輕型海工輔助船為研究對象，對其減搖系統(tǒng)進行設(shè)計，并對該系統(tǒng)的減搖效果加以說明。

1 海工輔助船減搖系統(tǒng)設(shè)計

該海工輔助船的艙室按用途的不同分為機艙、錨鏈艙、油艙、淡水艙、壓載艙、隔離艙和貨艙等。與其他普通船舶不同的是，該海工輔助船的設(shè)計更加人性化，強調(diào)舒適性，其基本參數(shù)見表1。

表1 某輕型海工輔助船的基本參數(shù)

1.1 減搖系統(tǒng)設(shè)計原理

該海工輔助船的主要功能是向深海鉆井平臺提供淡水、燃油和其他生活物資，輔助海工船完成海上作業(yè)。從經(jīng)濟性的角度考慮，主動式減搖艙的成本較高，為使減搖效果滿足要求，根據(jù)該海工輔助船的結(jié)構(gòu)特點，選取U型可控被動式水艙作為基本模型。被動式減搖水艙通常采用“雙共振”原理設(shè)計，在諧搖區(qū)內(nèi)橫搖情況較為嚴重。當船舶出現(xiàn)橫搖運動時，水艙內(nèi)的水左右移動產(chǎn)生力矩，該力矩能抵抗波浪的擾動力矩，從而減緩船舶的橫搖運動，達到橫向減搖的效果。

根據(jù)“雙共振”原理，可控被動式減搖水艙通過氣閥控制水流速度，減搖水艙內(nèi)水流的振蕩周期與船舶橫搖運動周期相同[1]，即

式(1)中：Tβ、Tθ和Tω分別為海上的波浪周期、船舶橫搖固有周期和減搖水艙內(nèi)水流的振蕩周期。

具體地，航行中的船舶在受到波浪的擾動時，其兩側(cè)的減搖水艙會形成水位差，從而產(chǎn)生力矩以抵抗橫搖。由于慣性的作用，減搖水艙內(nèi)的水會向傾斜一側(cè)流動；當波浪開始擾動時，減搖水艙內(nèi)的水又開始向另一側(cè)流動。圖1為U型被動式減搖水艙原理及相位圖，由于有相位差，減搖水艙內(nèi)的水要到船舶橫傾達到一定的角度之后才開始運動。

與此同時，減搖水艙要通過增設(shè)氣閥來使兩側(cè)的水量保持高度一致。這不僅能應(yīng)對外部不斷變化的波浪，更能有效防止橫搖振蕩加劇，提高其可靠性。此外，氣閥可調(diào)節(jié)阻尼，使減搖水艙內(nèi)水流的速度得到限制。

圖1 U型被動式減搖水艙原理及相位圖

綜上所述，U型可控被動式減搖水艙的設(shè)計要遵循2個原則，即：減搖水艙的減搖周期與船舶的橫搖周期相匹配；減搖水艙的內(nèi)部阻尼需保證減搖水艙內(nèi)的水能在合適的時間內(nèi)左右流動（若阻尼太小，會使減搖水艙內(nèi)水流的速度過快；若阻尼太大，會使減搖水艙內(nèi)水流的速度過小）。然而，決定U型減搖水艙阻尼的是U型減搖水艙通道的尺寸及其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，只有經(jīng)過反復(fù)試驗才能求得準確的數(shù)據(jù)。

1.2 約束條件

1) 根據(jù)經(jīng)驗，減搖水艙內(nèi)水的總質(zhì)量占排水量的1%～2%，且不能為空。船舶在航行過程中，其減搖水艙的振蕩固有周期是有大幅度變化的。

2) 為防止減搖水艙內(nèi)的水不沖擊艙頂及避免水在運動過程中帶來嚴重的噪聲，保證艙內(nèi)的水可在縱向自由移動。減搖水艙的高度須大于水深的1.7倍。

3) 為達到限制減搖水艙自由液面面積的目的，通常規(guī)定減搖水艙內(nèi)自由液面的穩(wěn)性損失小于 25%初穩(wěn)性高。

減搖水艙在船上的布置位置的限制要根據(jù)實際情況而定，不與其他艙室重復(fù)是前提。根據(jù)船舶的結(jié)構(gòu)特點選擇合適的艙型。

1.3 水艙形狀和尺寸的計算

圖2為U型可控被動式減搖水艙橫剖面圖，由于氣閥的作用，其振蕩固有周期往往小于船舶橫搖固有周期[2]。因此，在設(shè)計U型可控被動式減搖水艙的振蕩固有周期時，不能按照船舶的橫搖固有周期來設(shè)置，一般取接近船舶可安全作業(yè)的海況（即服務(wù)海域海浪的周期）進行設(shè)計。

減搖水艙的振蕩固有周期可表示為

式(2)中：Le為減搖水艙的特征長度，其經(jīng)驗公式如下。

圖2 U型可控被動式減搖水艙橫剖面圖

式(3)～式(6)中：T1為減搖水艙的液位高；T2為高出連接通道的液位差；H2為連接通道的高度；B1為減搖水艙邊艙總寬度；B2為減搖水艙的寬度。

由此可知，U型減搖水艙的振蕩固有周期受水艙寬度B2和連接通道高度H2的影響。在一定的范圍內(nèi)，水艙的各項尺寸和水量決定著水艙的振蕩固有周期，其中水量對水艙振蕩固有周期的影響比較小。換言之，水艙的尺度確定之后，其振蕩周期即基本確定[3]。但實際上，船舶在航行過程中由于油水損耗，其橫搖固有周期時刻在變化。因此，為達到預(yù)期的減搖效果，水量應(yīng)該適中。

采用以上3種經(jīng)驗公式計算所得結(jié)果相差不大，本文采用式(5)進行計算。

1.4 水艙位置的初步確定

在設(shè)計U型減搖水艙時，首先要確定其在船上的位置。在橫向位置上，為得到最大的斜傾力矩，減搖水艙的邊艙總寬度B1一般與船寬相等，減搖水艙的邊艙寬度一般與舷側(cè)壓載艙的寬度相等[4]。在縱向位置上，既要考慮船舶的縱向浮態(tài)，又要避免產(chǎn)生過大的艏搖，故布置在舯部 1/4艙位置處比較合適[5]。在垂向位置上，理論上減搖水艙布置得越高，其減搖效果越佳。在以往的設(shè)計中，考慮到布置和結(jié)構(gòu)條件，減搖水艙往往會布置得偏低一些，例如略低于重心高度，這時減搖水艙的減搖效果不會嚴重受損。

根據(jù)實際需要，為增強減搖效果，本文將減搖水艙設(shè)計在舯部位置處，具體位置根據(jù)計算結(jié)果而定。由此可得U型可控被動式減搖水艙的輸入?yún)?shù)見表2。

表2 U型可控被動式減搖水艙的輸入?yún)?shù) 單位：m

根據(jù)經(jīng)驗公式，U型減搖水艙邊艙寬度B2、目標海域波浪平均周期Tθ和U型減搖水艙底部連接通道的高度H2滿足關(guān)系式

式(7)和式(8)中：Le為水艙的特征長度；g為重力加速度；Tθ為船舶橫搖固有周期；π為圓周率；T2為高出連接通道的液位差；H2為連接通道的高度；B1為減搖水艙邊艙總寬度；B2為減搖水艙寬度。Tθ=10s，g取9.8m/s，得Le=49.6m；π取3.14，得H2=0.86m?？紤]到安裝時船體結(jié)構(gòu)的影響，H2約虧損0.16m，這里取H2=0.7m。

根據(jù)目標最大橫傾角sφ得到最大靜橫傾力矩Mst，確定U型減搖水艙總長度L1。由于橫搖角度越大，所需艙長越長，若工作環(huán)境較為惡劣，可采用多個減搖水艙。

考慮到輕型海工輔助船主要在近海作業(yè)，本文取sφ=5°進行相關(guān)分析。通過經(jīng)驗公式進行相關(guān)計算，即

式(9)和式(10)中：Mst為最大靜橫傾力矩；sφ為最大橫傾角；D為排水量；GM為初穩(wěn)性高；L1為U型艙總長度；T1為U型減搖水艙液位高；B1為減搖水艙邊艙總寬度；B2為減搖水艙寬度。

該海工輔助船的排水量D=14000t，初穩(wěn)性高GM=3.2m，計算得出最大靜橫傾力矩Mst≈2345t·m。進而求出 U型減搖水艙總長度L1≈15.3m。位置最終確定為：根據(jù)艙室的設(shè)計要求，考慮到船體的結(jié)構(gòu)影響和虧損情況，減搖水艙總長度取12m。由表1得船長為88m，理論上該減搖水艙應(yīng)布置在舯部的1/4處。根據(jù)實際情況，避開船內(nèi)其他設(shè)備，并考慮到上層建筑所在位置，避免縱傾加劇，減搖水艙布置在距艏部18～32m范圍處。船上的艙室有減搖水艙、重油艙、柴油艙、輔助設(shè)備艙和機艙等。

2 減搖效果評定

U型可控被動式減搖水艙設(shè)計計算結(jié)果見表3。

表3 U型可控被動式減搖水艙設(shè)計計算結(jié)果

由表3可知，減搖水艙的橫搖周期較長，最大橫傾角較小，減搖效果較好。在海工輔助船上，減搖效果通常用船舶橫搖幅值的相對大小來表示，即

式(11)和式(12)中：Bφ為不計船舶減搖效果的船舶橫搖角；φCH為特征數(shù)；sφ為船舶靜止期間水從左艙流向右艙時的船舶靜橫傾角；dφ為U型減搖水艙內(nèi)水的慣性作用及其他因素對船舶橫傾的影響?？紤]到可控被動式減搖水艙氣閥的影響，將dφ取值為20%sφ，方向與sφ相反。

通過計算可得特征數(shù)φCH=2.3°，減搖效果達54%。

該減搖水艙在輕型海工輔助船上較為適用，穩(wěn)定性高且符合要求。最終的減搖水艙模型見圖3。

圖3 最終的減搖水艙模型

3 結(jié) 語

本文以輕型海工輔助船為例，通過對U型可控被動式減搖水艙進行分析，根據(jù)固有周期的經(jīng)驗估算公式，計算出減搖水艙尺寸的基本參數(shù)，并根據(jù)實際情況在該船上安裝減搖水艙。從提高船舶的抗搖性和舒適性的角度看，該設(shè)計符合最初的理念。