海洋工程船U型減搖水艙設(shè)計(jì)

尉志源 仲偉東

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

海洋工程船U型減搖水艙設(shè)計(jì)

尉志源 仲偉東

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

采用經(jīng)驗(yàn)公式及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究U型減搖水艙在初期階段設(shè)計(jì)的過程。首先對(duì)U型減搖水艙的工作機(jī)理、減搖水艙參數(shù)、固有周期進(jìn)行分析，研究U型被動(dòng)可控式減搖水艙的特點(diǎn)，然后對(duì)其適用船型、布置位置、設(shè)計(jì)約束條件、效果評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行研究，提出一種對(duì)被動(dòng)可控式減搖水艙的設(shè)計(jì)流程，最后舉例設(shè)計(jì)并驗(yàn)證目標(biāo)船舶的減搖水艙設(shè)計(jì)。

海洋工程船；U型減搖艙；被動(dòng)可控式；橫搖固有周期；設(shè)計(jì)流程

引 言

海洋工程船在動(dòng)力定位、系泊狀態(tài)下作業(yè)時(shí)需要良好的耐波性，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)是將橫搖角降至合理的范圍。船舶由于自身的橫搖阻尼較小，往往導(dǎo)致橫搖較大，因此，設(shè)計(jì)專門的減搖裝置是改善橫搖性能的重要方法。

減搖裝置可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式減搖裝置依靠本身的動(dòng)力和控制系統(tǒng)使船舶產(chǎn)生穩(wěn)定力矩以減少橫搖；被動(dòng)式減搖裝置本身不具有動(dòng)力，僅根據(jù)使船舶橫搖的風(fēng)浪擾動(dòng)力矩的大小而起作用。

舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙等裝置是常見的船舶減搖裝置。舭龍骨因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜以及良好的減搖效果（減搖20%～30%）等優(yōu)勢(shì)幾乎為海工船必備。減搖鰭作為目前效果最好的減搖裝置（減搖85%～90%），常用于航速較高的軍船。

常規(guī)減搖鰭在船舶零航速下幾乎沒有效果，因此一般不用于海工船舶；非常規(guī)減搖鰭因造價(jià)過高，也不具有工程普遍適用性。減搖水艙由于其適用于系泊和定位零航速狀態(tài)，并且價(jià)格適中、減搖效果良好（減搖30%～70%），因此普遍用于對(duì)船舶橫搖有較高需求的海洋工程船［1］。

減搖水艙根據(jù)控制型式不同，主要分為以下三類：

（1）主動(dòng)式減搖水艙。該型式借助水泵或壓縮空氣，根據(jù)橫搖情況，將艙內(nèi)水從一舷打到另外一舷。然而，該型式需要較大動(dòng)力，才能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)左右調(diào)撥艙內(nèi)水，故目前工程很少采用。不過，筆者大膽預(yù)測(cè)，未來船舶動(dòng)力充沛，對(duì)船舶橫搖角要求極高，主動(dòng)式水艙或?qū)⒊蔀榉€(wěn)定船舶橫搖的主要設(shè)施。

（2）被動(dòng)式減搖水艙。該型式本身沒有動(dòng)力和控制系統(tǒng)，主要包括U形減搖水艙和自由液面減搖水艙兩種。

（3）被動(dòng)可控式減搖水艙。該型式通常在U型被動(dòng)式減搖水艙的基礎(chǔ)上，在兩邊艙頂部或是空氣通道上安裝氣閥，利用控制氣閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)水艙內(nèi)液體流動(dòng)的控制，使水艙中的液體始終保持在船舶向上運(yùn)動(dòng)的一側(cè)水艙內(nèi)。［2］

在概念或方案設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要總體專業(yè)確定減搖水艙的基本尺寸。本文研究的重點(diǎn)是如何能在缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)且計(jì)算軟件不成熟的情況下，快速有效地確定設(shè)計(jì)方案。

1 U型減搖水艙工作機(jī)理

1.1 U型被動(dòng)式減搖水艙工作機(jī)理

被動(dòng)式減搖水艙是根據(jù)“雙共振”的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即減搖水艙水流振蕩的周期與船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的周期相等。在船舶諧搖時(shí)，波浪與船舶橫搖之間以及船舶橫搖和水艙內(nèi)水流振蕩之間發(fā)生雙重共振現(xiàn)象，使水艙內(nèi)水流振蕩對(duì)船體產(chǎn)生的力矩與波浪對(duì)船體產(chǎn)生擾動(dòng)力矩的相位相反，從而達(dá)到被動(dòng)式減搖水艙的減搖效果。即：

式中：TB為波浪周期，s；Tθ為船舶橫搖固有周期，s；Tw為減搖水艙內(nèi)水的振蕩周期，s。

圖1為U型被動(dòng)式減搖水艙的工作機(jī)理圖。

圖1 U型被動(dòng)式減搖水艙原理及相位圖

圖1表明，被動(dòng)式減搖水艙是利用滯后船舶橫搖相位90°來達(dá)到減搖效果。該方法優(yōu)點(diǎn)是不需要船舶內(nèi)部動(dòng)力，完全利用波浪能量，因此費(fèi)用低且操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是不能針對(duì)各裝載狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)水艙水量，也不能應(yīng)對(duì)不同海況條件下不斷變化的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此當(dāng)船舶自身橫搖周期發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致被動(dòng)式減搖水艙的橫搖頻率與船舶橫搖的頻率相差較大，減搖效果明顯降低，甚至?xí)箼M搖加劇。

1.2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙工作機(jī)理

被動(dòng)可控式減搖水艙仍然根據(jù)共振的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，但通過增加氣閥的設(shè)置，使減搖水艙一側(cè)的水量始終保持較高水平。這樣不僅能夠應(yīng)對(duì)經(jīng)常變化的外部波浪條件，而且能夠防止橫搖加劇，提高可靠性。同時(shí)，氣閥可以有效調(diào)節(jié)阻尼，使減搖水艙流速得到一定的控制。圖2為U型被動(dòng)可控式減搖水艙的工作機(jī)理圖。

圖2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙原理及相位圖

圖2表明：在相位2至相位4以及相位6至相位8時(shí)，減搖氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)；在相位4至相位6時(shí)，減搖氣閥處于打開狀態(tài)。相位2至相位4段以及相位6至相位8段表明被動(dòng)可控式減搖水艙內(nèi)水的振蕩波形被改變，延長(zhǎng)了峰值覆蓋范圍，因此適用于更大范圍的船舶橫搖周期。

2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙設(shè)計(jì)

U型被動(dòng)可控式減搖水艙設(shè)計(jì)主要遵循兩個(gè)原則：一是U型減搖水艙的自搖周期與船舶橫搖周期匹配；二是U型被動(dòng)可控式減搖水艙內(nèi)部的阻尼能保證減搖水艙在合適時(shí)間內(nèi)左右流動(dòng)，即在相位4至相位6段能夠快速流動(dòng)。阻尼太小，會(huì)使減搖艙內(nèi)水流速度太快，并引發(fā)撞擊頂部及晃蕩所造成的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)；阻尼太大，會(huì)使減搖艙內(nèi)水流速度過慢，從而不能最大程度體現(xiàn)減搖效果。U型減搖水艙阻尼大小主要受U型艙內(nèi)通道尺寸與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式的影響，這往往需要反復(fù)試驗(yàn)才能獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。U型被動(dòng)可控式減搖水艙更受限于氣閥調(diào)節(jié)的能力，而該控制方法涉及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故在此不作深入論述。本文注重分析周期匹配性，研究如何在總體設(shè)計(jì)初期確定U型被動(dòng)可控式減搖水艙的尺度。

2.1 橫搖固有周期

被動(dòng)式減搖水艙采用雙共振的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取水艙的固有周期與船舶橫搖固有周期相等。U型被動(dòng)可控式減搖水艙由于氣閥的控制作用，其固有周期往往小于船舶。因此在設(shè)計(jì)U型減搖水艙的固有周期時(shí)，不能按照船舶固有橫搖周期來設(shè)計(jì)，一般應(yīng)選取接近船舶可以安全作業(yè)的海況進(jìn)行設(shè)計(jì)，即服務(wù)處所海浪的平均周期。圖3為 U型減搖水艙的典型橫剖面圖。

圖3 U型減搖水艙典型橫剖面圖

其固有周期可以用式（2）表示：

Le為水艙的特征長(zhǎng)度，經(jīng)驗(yàn)公式分為以下幾種：

常用公式［3］：

羅布公式：

渡邊公式：

交大經(jīng)驗(yàn)公式［4］：

以上三種經(jīng)驗(yàn)公式均表明U型減搖水艙的固有周期主要受到B2和H2的影響。三種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差不大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本文取交大經(jīng)驗(yàn)公式作為計(jì)算值。

2.2 設(shè)計(jì)原則

2.2.1 適用船型

U型減搖水艙適用于船寬較大、穩(wěn)性有一定余量的工程船舶，一般對(duì)于為0.03～0.18的船舶較為適用，而對(duì)方形系數(shù)較小、線型為“V形”的船舶則不宜使用。［1］

2.2.2 水艙位置

U型減搖水艙在設(shè)計(jì)階段時(shí)，首先需要確定減搖水艙在船舶的布置位置。橫向位置上為得到最大的傾斜力矩，減搖水艙的總寬度一般與船寬相等，減搖水艙的邊艙寬度一般與船舶舷側(cè)的壓載艙等寬?？v向位置上既要考慮平衡船舶的縱向浮態(tài)，又要避免產(chǎn)生過大的首搖，所以一般布置于船舯1/3艙段內(nèi)較為適宜。在垂向位置上，隨著垂直位置不斷增加，由于艙內(nèi)壓載水的慣性作用，水艙的減搖效果不斷提高，但考慮到對(duì)船舶重心的影響及布置受限，一般將水艙布置在船舶重心高度附近。本文考慮減搖水艙布置在船舶重心附近的計(jì)算案例。

2.2.3 約束條件

U型減搖水艙的水量一般不超過船舶4%排水量，在工程船上一般不超過5%。

為保證U型水艙的水不沖擊艙頂部且不產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲，液位高度T1一般低于60%邊艙高度H3，本文設(shè)計(jì)中取50%。

由于U型減搖水艙的自由液面影響，穩(wěn)性高應(yīng)該滿足船舶規(guī)范的要求。

2.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

U型減搖水艙的效果一般用特征數(shù)和減搖效果表示。

特征數(shù)［4］：

式中：φs為船舶在靜水中U型減搖水艙從一舷移至另外一舷時(shí)的船舶靜橫傾角；φd為U型減搖水艙內(nèi)水的慣性作用或其他影響（氣閥控制）對(duì)船舶橫傾角的影響，一般為φs的20%～30%，方向與φs相反。本文考慮被動(dòng)可控式減搖水艙的氣閥控制影響，該高度位置位于船舶重心以下，φd取20%φs，即：

φs的設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為3°～ 4°，φCH的設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為2°～ 3°，根據(jù)每條船的不同設(shè)計(jì)要求而取不同值。

減搖效果：工程上，減搖效果通常以船舶橫搖角度幅值的相對(duì)減小值來表示，即：。其中φB為不計(jì)減搖效果的船舶橫搖角（注意與供應(yīng)商所采用的減搖效率進(jìn)行區(qū)別）。本文以作為減搖效果的評(píng)估值。

2.3 設(shè)計(jì)過程

2.3.1 輸入條件

設(shè)計(jì)U型減搖水艙時(shí)，目標(biāo)船舶的基本參數(shù)往往已經(jīng)初步確定。以假定某目標(biāo)船為例，表1為該船參數(shù)輸入。

表1 船舶參數(shù)輸入

根據(jù)本文2.2.2節(jié)的分析，一般U型減搖水艙的寬度B1與船寬B相等，U型減搖水艙的總高度H1和U型艙邊艙寬度B2在設(shè)計(jì)初期基本確定。因此，U型艙總寬度B1、U型艙總高度H1、U型艙邊艙寬度B2可作為輸入條件，如表2所示。

表2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙參數(shù)輸入m

2.3.2 設(shè)計(jì)流程

第一步：

根據(jù)U型艙總高度H1，確定U型艙邊艙液位高T1，本文取T1=H1×0.4。

第二步：

根據(jù)U型艙邊艙寬度B2，目標(biāo)海域波浪平均周期Tθ，確定U型艙底部通道高度H2。

第三步：

根據(jù)目標(biāo)最大靜橫傾角φs得到最大靜橫傾力矩Mst，確定U型艙總長(zhǎng)度L1。本文取φB為2.5°、3°、3.5°和4°共四個(gè)值來進(jìn)行分析判斷。［3］

2.3.3 結(jié)果分析

根據(jù)表3分析結(jié)果，考慮U型底部通道受到縱向結(jié)構(gòu)件的影響，約損失0.15 m，U型艙底部通道高度H2取整為1.4 m；再考慮減搖水艙內(nèi)總裝水量不宜過大，并按照肋位整數(shù)檔及布置限制條件，故U型艙總長(zhǎng)度L1取13.2 m。

表3 計(jì)算結(jié)果

2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)表4驗(yàn)證結(jié)果可知，該U型減搖水艙特征數(shù)為2.29°，減搖效果可達(dá)50.9%。U型被動(dòng)可控式減搖水艙的固有周期與目標(biāo)海域波浪平均周期較為接近，穩(wěn)性高且滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 U型減搖水艙參數(shù)驗(yàn)證

3 結(jié) 論

本文通過分析U型減搖水艙的工作機(jī)理（尤其是海洋工程船U型被動(dòng)可控式減搖水艙的工作機(jī)理），根據(jù)固有周期的經(jīng)驗(yàn)估算公式，得到一種在總體設(shè)計(jì)初期階段時(shí)確定U型水艙的布置及參數(shù)的方法，以供設(shè)計(jì)者參考：

（1）U型減搖水艙的固有周期與U型艙的橫剖面參數(shù)有關(guān)，與U型減搖水艙的總長(zhǎng)無關(guān)，其中底部通道的高度及邊艙的寬度影響較為敏感。

（2）由于U型艙底部通道較長(zhǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)雜，故不同方案的U型水艙阻尼均難以準(zhǔn)確計(jì)算。動(dòng)橫傾角與阻尼也息息相關(guān)，目前最有效的方法是試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）U型減搖水艙在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)縱向構(gòu)件對(duì)底部通道的高度影響，設(shè)計(jì)中保留一定余量，同時(shí)應(yīng)考慮U型橫剖面型式在實(shí)際應(yīng)用中存在多樣性而帶來的影響［5］。

（4）本文有些系數(shù)選擇采用經(jīng)驗(yàn)值，工程人員在參考時(shí)還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

另外，本文對(duì)于部分問題論述較為粗淺，歡迎批評(píng)指正。

［1］孫偉．船舶U型減搖水艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.

［2］楊輝，宋金龍．船舶減搖方式介紹及發(fā)展趨勢(shì)［J］．江蘇船舶，2007（4）：10-12.

［3］吳秀恒，張樂文，王仁康．船舶操縱性與耐波性［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［4］楊宏，付敬亮．U型減搖水艙優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)水運(yùn)，2012（11）：165-166.

［5］Ooms J．The Use of Roll Stabilizer Fins at Zero Speed［R］.Amsterdam：Quantum Controls BV，2002.

Design of U-shaped anti-rolling tank for offshore construction vessels

WEI Zhi-yuan ZHONG Wei-dong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper investigates the initial design stage of the U-shaped anti-rolling tank by the empirical formula combined with the design experience.Firstly, the operation principle, anti-rolling parameter and natural period of the U-shaped anti-rolling tank are analyzed.Then, the suitable hull form, arrangement location, design constraint and effect evaluation are studied for the design process for a passively controlled anti-rolling tank.Finally, an anti-rolling tank of the target ship is designed for the validation.

offshore construction vessel (OCV); U-shaped anti-rolling tank; passively controlled; rolling natural period; design process

U661.32

A

1001-9855（2016）06-0006-06

2016-06-16；

2016-06-30

尉志源（1988-），男，工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)。仲偉東（1979-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.006