減搖水艙技術(shù)在船舶上的應用

周亞蘭

摘要：船舶橫搖對船舶的安全和舒適性影響很大，通過不同的方式來減輕船舶橫搖對船舶的影響是船舶設(shè)計者一直考慮的問題。被動可控式減搖水艙，因其減搖效果顯著、清潔節(jié)能的優(yōu)點正被廣泛應用在各類船舶上。

關(guān)鍵詞：減搖裝置 減搖鰭 減搖水艙 被動可控式減搖水艙

1 減搖技術(shù)概要

1.1 概述

在種類繁多的減搖裝置中，目前最常用的有舭龍骨、減搖鰭以及減搖水艙。舭龍骨由于其良好的減搖性能、建造成本低以及對船舶航速影響小等優(yōu)點，幾乎已成為海船必備的裝置。而具有可控性質(zhì)的減搖鰭和減搖水艙一直是減搖技術(shù)領(lǐng)域研究的重點，隨著計算機、自動控制技術(shù)以及流體力學的發(fā)展，這兩種減搖裝置均取得了突破性的進展，減搖性能不斷提高。

1.2 減搖鰭的應用

減搖鰭是最常用的主動式減搖裝置之一，基于機翼理論設(shè)計的傳統(tǒng)減搖鰭在與流體有較高的相對速度時會產(chǎn)生較大的升力，所以當船舶在中高航速行駛時，傳統(tǒng)減搖鰭會取得70%以上的減搖效果。但是由于其升力產(chǎn)生原理限制，當船舶行駛在低航速或零航速情況下，傳統(tǒng)減搖鰭幾乎沒有減搖效果。

為了使船舶在各種航速下均有很好的減搖效果，近年來，零航速減搖鰭得到了充分的重視和發(fā)展，這種減搖鰭的運動方式和執(zhí)行機構(gòu)與傳統(tǒng)減搖鰭有很大不同，利用新的運動機理使得翼面在零航速也可產(chǎn)生對抗海浪干擾力矩的升力，國外已有少數(shù)船只應用的實例。但這種零航速減搖裝置結(jié)構(gòu)復雜，制造和保養(yǎng)的成本都很高，還有許多問題需做進一步的改進和研究。

1.3 減搖水艙的研究和應用

減搖水艙作為一種全航速下的減搖裝置，不僅在各種船舶航速下均有減搖效果，適用于集裝箱船、輪渡、滾裝船、海洋工程船、科學考察船等。另外，減搖水艙具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、便于保養(yǎng)維護等優(yōu)點，這使得減搖水艙被越來越多的船東所接受，市場前景看好。

2 減搖水艙的分類

減搖水艙按照其控制特點可分為主動式減搖水艙、被動式減搖水艙和可控被動式減搖水艙等三種類型。主動式減搖水艙具有減搖效果高、響應速度快等優(yōu)點，但其系統(tǒng)復雜，造價較高，而且功率消耗非常大，經(jīng)濟性較低，因此已經(jīng)很少被使用。被動式減搖水艙結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)“雙共振”原理進行工作，在船舶的諧搖頻率范圍內(nèi)具有良好的減搖效果，但其減搖頻率范圍較小，在低頻和高頻范圍內(nèi)甚至可能產(chǎn)生增搖效果。

對被動式減搖水艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及位置的合理布置成為提高被動式減搖水艙性能的關(guān)鍵?？煽乇粍邮綔p搖水艙是對被動式減搖水艙的一個重要改進，充分利用水艙的結(jié)構(gòu)特點，通過少量能量控制水艙頂部氣體連通道或底部液體連通道的開口，實現(xiàn)對水艙內(nèi)液體運動的控制，避免了在因減搖水艙不可控對船舶產(chǎn)生的不利影響。

3 減搖水艙的工作原理

當船的固有橫搖周期和波浪遭遇周期相同時，船的橫搖角度最大。這個原理和以下例子相同：假如在一艘小船上，船上的人員比船的橫搖周期早一拍左右移動幾次，船的橫搖將會加劇。相反，如果船上的人員比船的橫搖周期晚一拍左右移動幾次，船的橫搖將會變緩?？煽乇粍邮綔p搖水艙工作原理就是把上述的船上人員換作液體，巧妙地利用這種液體流動的時間和力矩，來減輕船的搖動。

船的一次橫搖周期用360°角度來表示時，船的搖動起始點總是比波浪遭遇點滯后90°的角度，這種現(xiàn)象的反復出現(xiàn)會加劇船的橫搖。如果減搖水艙中液體的固有周期和船的橫搖周期相同的話，減搖水艙中液體的移動起始點將一直比船的搖動起始點滯后90°的角度。這就意味著減搖水艙中的液體移動起始點總是比引起船舶橫搖的波浪起始點滯后180°角度。

因此，減搖水艙中的液體移動力矩和波浪力矩總是相反，互相抵消，所以船舶橫搖得以減緩。如圖1和圖2所示。

4 可控被動式減搖水艙的控制方式

可控被動式減搖水艙的最關(guān)鍵技術(shù)在于周期的調(diào)節(jié)，如何將減搖水艙的周期調(diào)至與船舶橫搖周期一致是減搖水艙設(shè)計成敗的決定因素，如果這兩個周期不一致，減搖水艙的減搖效果很差，甚至還會產(chǎn)生增搖。目前，可控被動式減搖水艙的周期調(diào)節(jié)方式主要有兩種：一種是氣道控制式，另一種是水道控制式。

德國的產(chǎn)品一般采用氣道控制式，它是通過水艙頂部空氣道控制水艙內(nèi)可壓縮性氣體的流動，實現(xiàn)間接對艙內(nèi)液體流動的控制。這種水艙利用自動控制系統(tǒng)通過氣閥的啟閉來調(diào)節(jié)艙內(nèi)液體的振蕩周期，以適應船舶橫搖周期的變化。閥門的控制作用相當于自動延長了艙中水流的振蕩周期，從而使水艙能在更寬的頻率范圍內(nèi)進行有效減搖。這種控制方式也有其弊端：一是由于氣體具有可壓縮性，很難做到精準控制；二是由于氣閥在一個橫搖周期內(nèi)要啟閉兩次，所消耗的功率相對較大，閥的磨損也比較厲害，維護保養(yǎng)成本相對較高。

水道控制式是通過改變設(shè)置在底部液體通道中擋板的位置來改變液體通道的面積，從而改變減搖水艙的固有周期。水道控制式減搖水艙具有以下優(yōu)點：一是液體沒有壓縮性，可以做到精準控制；二是水道式只需要對擋板進行調(diào)節(jié)，所需能量非常小，擋板的開合沒有空氣閥那么頻繁，設(shè)備的磨損也非常小，維護保養(yǎng)成本很低。

5 被動可控式減搖水艙在船舶中的應用

被動可控式減搖水艙廣泛應用于各類船舶中，目前應用最多的是救助船，海監(jiān)船，引航船，航標船，醫(yī)療船，科學考察船，破冰船等。這些類型的船舶由于其使用的特殊性，低航速或者拋錨執(zhí)勤的時間相對比較多，對船舶橫搖的程度對船舶的安全操作很重要。

一般減搖水艙的減搖效果設(shè)計時都以達到40%～60%為目標。但減搖水艙的減搖效果跟減搖水艙在船上布置的位置，減搖水艙的大小，船舶橫搖周期和減搖水艙的周期的匹配都有直接的關(guān)系。同樣的減搖水艙的大小，布置的位置越高，則減搖效率就越高。如果船舶的橫搖周期和減搖水艙的橫搖周期不匹配，則位置布置得再高，減搖水艙再大，則減搖效果都不會理想。減搖水艙的水量越大，則減搖力矩就越大，減搖效果越好。

減搖水艙的布置往往受到船舶總體布置的限制，船舶滿載排水量的限制，減搖水艙的水量達不到所要求的減搖力矩的大小，這樣就無法達到預計要求的60%的減搖效果。

不同的船型對減搖方式的要求也不一樣。有些船會同時設(shè)置減搖鰭和減搖水艙，主要是針對不同的使用情況。如某型救助船，在高航速航行時使用減搖鰭，在執(zhí)勤時一般處于拋錨或者低航速航行，這時使用減搖水艙，充分利用兩種減搖方式的長處。

6 減搖效果的確認

減搖水艙的減搖效果的確認，一般先進行理論計算，得到一個大概的估算。再根據(jù)模型試驗進行確認，模型試驗會得到一個相應曲線，最后再通過海上試航結(jié)果進行再次確認。

圖3、圖4所示為在不同的波浪條件下得到的模型試驗數(shù)據(jù)：

從模型試驗中得出減搖效果為40%以上。

圖5為海上試驗時的數(shù)據(jù)。

通過模型試驗的數(shù)據(jù)和海上試航的數(shù)據(jù)進行對比，可得到最后準確的減搖效率數(shù)據(jù)。

7 結(jié)束語

被動可控式減搖水艙做為一種清潔節(jié)能的減搖方式，減搖效果明顯。這種方式耗能較低，碳排放也很低，這正好切合的當前節(jié)能減排的造船大環(huán)境，正被國內(nèi)外船東所接受。