船舶減搖裝置

大連中遠造船工業(yè)有限公司 王 威

近百余年來，人們一直致力于減緩船舶搖擺的研究。世界各國先后研發(fā)了近百種不同形式的減搖裝置，但目前被廣泛采用的僅有減搖水艙、舭龍骨和減搖鰭，其中居壟斷地位的是減搖鰭，其減搖效果最佳。下面分別對上述三種減搖裝置進行介紹。

一、減搖水艙

減搖水艙主要分為被動式減搖水艙和主動式減搖水艙兩種。

1.被動式減搖水艙

將靠近船中部兩舷的水艙在底部用管道連接起來，艙內(nèi)注入適量的水。利用船本身的橫搖運動而引起的水艙內(nèi)水的物理運動來產(chǎn)生穩(wěn)定力矩。它不需要任何動力，所以被稱為被動式減搖水艙，是各類減搖裝置中較簡單、造價較便宜的一種。

最常用的被動式減搖水艙是U形水艙和槽形水艙。被動式減搖水艙的工作原理是使設(shè)計的水艙內(nèi)振蕩的固有頻率等于船橫搖的固有頻率。這樣，在共振的情況下，水艙隨船一起運動，而水艙里的水的運動滯后橫搖角90°。同時，當船橫搖的固有頻率等于波浪的擾動力矩頻率時，也發(fā)生共振，這時船的橫搖角滯后波浪力矩90°。這樣水艙里的水的運動就滯后波浪擾動力矩180°。也就是說，水艙里的水的重量引起的穩(wěn)定力矩方向恰好和波浪擾動力矩方向相反，從而使共振區(qū)橫搖減小，即所謂的“雙共振減搖原理”。

被動式減搖水艙僅在中等海況和船舶初穩(wěn)心高限定范圍以內(nèi)時，能夠在很接近船舶固有頻率的附近提供有限的減搖效果，最好的減搖效果可達60%～70%。離開共振區(qū)其效果將顯著下降，甚至在較長的遭遇周期上會使橫搖角增加。它的優(yōu)點在于設(shè)備簡單、費用低及在任何航速下均有一定的減搖效果。

為了改善被動式減搖水艙的減搖性能，設(shè)計了可控被動式減搖水艙。它主要是在水艙通道上安裝節(jié)流閥，通過橫搖傳感裝置對閥門開啟和關(guān)閉的程度進行調(diào)節(jié)，從而控制水的流量，對比被動式減搖水艙能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)有效工作。

2.主動式減搖水艙

為了彌補被動式減搖水艙的不足，有人提出了主動式減搖水艙。主動式減搖水艙的原理是采用角速度陀螺感應(yīng)船舶橫搖角速度信號，控制閥伺服機構(gòu)，從而控制閥張開的大小，利用泵將水從一舷打到另一舷的水量來建立穩(wěn)定力矩。

主動式減搖水艙所需設(shè)備很多，主要包括控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，測水艙內(nèi)水頭或壓力、水流速傳感器，大功率泵和原動機等，裝置比較復雜，并且費用比較高，所以還沒有在實際中得到應(yīng)用。

總之，減搖水艙對改善低速船、海上作業(yè)的浮動平臺等特種船舶的橫搖性能具有獨特的優(yōu)勢。

二、舭龍骨

在船體舭部列板外側(cè)，沿船長方向并垂直于舭板安裝的縱向構(gòu)件被稱為舭龍骨。安裝舭龍骨可以有效減小船舶在波浪中航行時產(chǎn)生的橫搖，是一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用最廣的防搖減搖裝置。

1.舭龍骨的分類及其結(jié)構(gòu)形式

舭龍骨的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，即單板舭龍骨和雙層板空心舭龍骨（又稱三角式舭龍骨），如圖1所示。

舭龍骨寬度小于等于550 mm時宜采用單板舭龍骨，單板舭龍骨的自由邊緣應(yīng)加筋進行加強，多采用Φ30 mm×5～Φ40 mm×6 的鋼管（見圖1），也有用半圓鋼、扁鋼等的，大部分船廠所建的30萬t油船均采用扁鋼（見圖2）。

舭龍骨寬度大于550 mm時，宜采用雙層板空心舭龍骨，其兩腹板之間的夾角宜為20°～25°，邊緣采用Φ40 mm×6～Φ50 mm×6 的鋼管加強（見圖1）。兩腹板之間應(yīng)設(shè)置支撐肘板，肘板之間距離為500～1 000 mm，不得與外板相連接，可采用塞焊與腹板連接，即肘板邊緣加扁鋼或折彎邊，腹板上開孔進行填塞焊接（見圖1）。

無論是單板舭龍骨還是雙層板空心舭龍骨，其腹板與船體舭板的連接都必須采用扁鋼過渡。過渡扁鋼的厚度與靠近船體的舭龍骨腹板厚度相等，扁鋼寬度應(yīng)不小于10倍厚度。舭龍骨腹板與扁鋼之間的焊腳尺寸應(yīng)該不小于板條與外板之間的焊腳尺寸，從而保證舭龍骨破壞時首先在腹板與過渡扁鋼之間產(chǎn)生斷裂，進而保護船體外板的完整性。還應(yīng)該注意將舭龍骨的布置與外板邊接縫錯開（見圖3）。

舭龍骨縱向端部應(yīng)在船體剛性構(gòu)件附近結(jié)束，并且端部應(yīng)在其3～4倍寬度范圍內(nèi)逐漸減小舭龍骨寬度，以減小結(jié)構(gòu)突變引起的應(yīng)力集中。

2.舭龍骨的位置、尺寸對減搖效果的影響

“舭龍骨”顧名思義是安裝在船體舭部的，但為什么是安裝在舭部而不是船底或是舷側(cè)呢？這個問題值得思考。

早在百余年前，貝克等人曾在船的側(cè)面、舭部和底部等處安裝舭龍骨，試驗結(jié)果表明裝在舭部的舭龍骨減搖效果最好。分析原因是舭部距船重心最遠，舭部曲率大，此處流速較大，從而提高了舭龍骨引起的阻尼力矩。

對減搖效果有影響的另一個因素是舭龍骨的尺寸。首先，舭龍骨的寬度對其減搖效果有影響。因為舭龍骨引起的附加阻尼隨寬度增加而增大，圖4是某30萬t油船舭龍骨安裝簡圖。

從圖3、4中可以看出，舭龍骨不應(yīng)超出船橫剖面的最大邊框線，平均?。?%～5%）B，在0.3～1.2 m之間（圖中為400 mm）。

其次是長度對減搖效果的影響。通常舭龍骨的長度約為L/4～L/2，但因各類船型不同，其長度存在一有效值。當超過有效值時再增加其長度，舭龍骨效能變化不大，因為靠船首尾的舭龍骨處在舭部曲率減小的位置，故阻尼力矩很小。

三、減搖鰭

減搖鰭是各種減搖裝置中減搖效果最好的一種，最佳可減搖90%以上。1985年英國“瑪麗皇后”號船在大風浪條件下進行了減搖鰭性能試驗。結(jié)果表明，當減搖鰭工作時，船的橫搖角平均在2°左右，而減搖鰭不工作時，橫搖角達25°，可見其減搖效果是相當可觀的。

減搖鰭屬于主動式減搖裝置，其構(gòu)造主要包括機翼形的鰭、轉(zhuǎn)鰭傳動裝置、控制系統(tǒng)等。

1.鰭的分類和應(yīng)用特點

減搖鰭分為開襟式（或稱帶襟翼的）鰭和非開襟式（整體式）鰭，如圖5所示。對于1 000 t以下的中小型船舶，多采用不可收放鰭，鰭展弦比較?。?.5～1.0），可轉(zhuǎn)大角度提升升力，又考慮到鰭結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，所以常常選擇非開襟式鰭。對于大型船舶的減搖鰭，鰭展弦比較大（為1～2），鰭角受升力失速和空泡的限制。為了提高升力和抑制空泡，常常采用后緣開襟式鰭，在提供同樣升力的情況下，開襟式鰭的轉(zhuǎn)鰭功率比非開襟式鰭的要小，但結(jié)構(gòu)簡單。

2.鰭的安裝

鰭在船上最理想的安裝位置是船中的舭部。原因是該處和橫搖中心之間的距離最大；舭部是唯一可提供安裝不可收放鰭的地方，使鰭限制在船外框線以內(nèi)，避免鰭遭遇碰撞。一般對不可收放式鰭的安裝有一要求，即保證避碰角不大于5°（見圖6）。

鰭被安裝在船中位置可避免船舶操舵運動的相互影響。為了避免鰭上發(fā)生空泡，鰭應(yīng)位于水下盡可能深的位置。當鰭因其他原因不能位于船中時，其位置應(yīng)盡量向前，因為船體前半部分的周圍流場受擾動較小，邊界層較薄，因此對有效鰭面積影響較小。

3.減搖鰭發(fā)展概況

上面談到的兩點是對減搖鰭整體的把握，其實影響減搖鰭減搖效率的因素有很多，鰭結(jié)構(gòu)也比較復雜。減搖鰭是國內(nèi)外研究人員的主要研究對象，其形狀也多種多樣。目前國外主要采用以下幾種典型的減搖鰭：（1）沃斯?jié)姡╒OSPER）中小型艦船不可收放式減搖鰭。（2）丹尼-布朗（DEANY-BROWN）中型艦船可伸縮減搖鰭。（3）丹尼-布朗-AEG可收放式減搖鰭。（4）斯貝利（SPERRY）可收放式減搖鰭。

需要指出的是，由于減搖鰭裝置復雜，造價昂貴，一般只用于艦船和一些對減搖要求非常高的船舶。我國從20世紀60年代中期開始從事減搖鰭的研究和制造，現(xiàn)在已取得相當?shù)陌l(fā)展，大批艦船裝備了自行設(shè)計制造的減搖鰭。值得一提的是，著名的“哈爾濱”號上的減搖鰭就是由哈爾濱工程大學自行研究設(shè)計的。