基于W型船動力定位系統(tǒng)研究

朱凌玉 廖國紅 王林

【摘要】隨著海洋時代的到來，各種新型船舶也應運而生。而動力定位系統(tǒng)在深海以獨特的優(yōu)勢得到了廣泛應用。為研究動力定位系統(tǒng)在新型船舶上的應用，本文提出一種新型的W吸油船，研究了其主體設計及可行性。另外，對動力定位系統(tǒng)在此船上的應用做了理論分析，以供其他研究者參考。

【關鍵詞】新型W型船；吸油船；動力定位系統(tǒng)

動力定位系統(tǒng)以定位精度高、靈活性好、機動性強、適用于多種海況的優(yōu)勢，而廣泛用于海上作業(yè)和海上平臺的定點系泊。而對新型船應用動力定位系統(tǒng)的研究能推進動力定位系統(tǒng)的進一步發(fā)展，故而本文以一種新型的W吸油船為例，對其進行動力定位系統(tǒng)應用研究。

1、新型W船

1.1主體設計方案

本項目提出一種W型多片體組合式設計方案，船身由首部片體，關于船中縱剖面對稱分布的左舷外側片體、左舷內側片體、右舷內側片體和右舷外側片體 5 個片體組成，如圖1.1、1.2所示，本船的主尺度表如表 1.1所示：

1.2 航行阻力預估

W型在合攏狀態(tài)航行時，其阻力成分主要是摩擦阻力和粘壓阻力以及興波阻力。其中粘壓阻力和興波阻力總稱剩余阻力。因此，我們只需計算船舶的摩擦阻力和剩余阻力即可。由表 1.1 和表 1.2 得到船舶主尺度參數(shù)：

船長 L=60m，吃水 T=4m，船寬 B=23.2m，型深 D=6m.合攏時最大航速V=7.768m/s。

1）計算濕面積（海水溫度 T=15°），

運動粘性系數(shù)γ=1.8831×10-8㎡/s

參考一般油船的方形系數(shù)Cb=0.815，

排水體積▽=Cb×L×B×d=4454.4m3

W型船濕面積：S=L×B×T（1/T+2/B+2/L）-4.4（▽（1/Cb-1））2/3

=5568×0.37-4.4×100.74=1616.9 ㎡

2）計算雷諾數(shù)Re===2.41×10-10

3）據(jù)光滑平板摩擦阻力公式計算摩擦阻力系數(shù)Cf==1.067×10-3

粗糙度補貼系數(shù)△Cf=0.4×10-3

4）計算摩擦阻力 Rf=（Cf +△Cf）×（）=73.354KN

5）剩余阻力

CR 為剩余阻力系數(shù)，查剩余阻力圖譜得方形系數(shù)為 0.815 的船的剩余阻力系數(shù) CR=0.016。那么剩余阻力RR=CR× =800.827KN

總阻力 RT =Rf+ RR =874.181KN

故此W型船在正常航行下的有效推進功率應為PE=RT×V=6790.638KW

1.3 應用前景

近年來的海上溢油污染案例體現(xiàn)了溢油回收船在防止海洋污染中的重要作用。本文提出的“多片體組合式可展開船”利用可展開的船體，可顯著增加船體收油寬度，且在W型底部有效積累油厚利于收油機高效工作，克服了以往收油船收油寬度小，收油效率低下的缺點。它具有覆蓋面廣，吸油效率高，且能適用于較惡劣海況，大規(guī)模溢油事故的特點，在我國對高效吸油船有極大需求的大背景下，具有極好的發(fā)展前景。

2、動力定位系統(tǒng)在W型船中的應用

2.1 動力定位系統(tǒng)工作原理

船舶動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過控制系統(tǒng)馭動船舶推進器來抵消風、浪、流等作用于船上的環(huán)境外力，從而使船舶保持在海平而某要求的位置上。通過測量系統(tǒng)不斷檢測船舶的實際位置與目標位置的偏差，再根據(jù)環(huán)境外力的影響計算出使船舶恢復到目標位置所需推力的大小，進而對全船的各推進器進行推力分配，使各推進器產生相應的推力以克服風、浪、流等環(huán)境外力的干擾，使船舶保持在某確定位置或沿一定預定航跡航行。

典型的DP系統(tǒng)主要由三部分組成：1）位置測量系統(tǒng)，測量出船舶或平臺相對于某一參考點的位置；2）控制系統(tǒng)，首先根據(jù)外部環(huán)境條件（風、浪、流）計算出船舶或平臺所受的擾動力，然后由此外力與測量所得位置，計算得到保持船位所需的作用力，即推力系統(tǒng)應產生的合力；3）推力系統(tǒng)，一般由冗余的推力器組組成。

2.2 實際應用

2.2.1 靜水中合攏航行

W型船在合攏狀態(tài)下航行時動力定位系統(tǒng)的工作情況即與普通船舶相似。測量系統(tǒng)實時地檢測船舶航行的實際位置，將信息傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)處理所得信息，分析出實際位置與要求的偏差，按推力分配原則將指令分配到推進系統(tǒng)各推進器使其產生相應的力及力矩，以抵消外界干擾力，達到動力定位的目的。

2.2.2 靜水中展開合攏過程

1 船體在靜水中展開過程：

（1） 1、4片體在側推的作用下展開至指定角度。任一角度時，將有一對垂直于兩片體的推力，從而產生繞船尾基點的兩力矩。將兩推力分解到運動方向和垂直于運動方向，則總的作用力將與船舶運動方向相反。船舶動力定位系統(tǒng)的測量系統(tǒng)收集信息，經控制系統(tǒng)計算分析后發(fā)出能抵消兩推力合理的推力指令，推力系統(tǒng)中的推進器按指令發(fā)出相應力的指令。從而使船舶能在展開過程中不至于因側推推力的合力作用而產生向后的速度。

（2） 1、4片體展開后分別保持1、2和3、4片體間的夾角不變，尾部吊艙推進器發(fā)出推力F，使2、3片體也展開一定的角度。力F分解成運動方向和垂直于運動方向的分量，將產生向前的合力以及力矩，此時動力定位系統(tǒng)工作過程與1、4片體展開時相似，將給予1、4片體上側推如圖所示T的力的指令，以實現(xiàn)動力定位。

2 船體在靜水中的合攏過程即是展開過程的逆，此處不再贅述。

2.2.3 展開后遭遇風浪作用

下面說明本船以 W 型工作時遭遇尾斜浪情況下如何保證航向穩(wěn)定：假定船舶 W 型工作時重心位于 G 點，尾斜浪 q（x）作用于左舷，為了方便說明，本項目將沿舷側分布的波浪作用力 q（x）簡化為作用于舷側某一點的集中力Q，它對重心產生的力矩為 M（x）。此時船尾、船首的吊艙推進器調整角度β2、β3、β4 和轉速，得到向左前方的力 F2、F3、F4，它們對重心的力矩為M2（x）、M3（x）、M4（x）。1、4 片體上的側推裝置調整轉向、轉速，得到力 F1、F5，對重心的力矩為 M1（x）、M5（x）。船舶受力如圖 1.3 所示：

為了保證航向穩(wěn)定，由力學條件，各力應滿足：

當船舶所受外載荷與螺旋槳產生推力平衡時，船舶航向保持不變。

結論

為研究動力定位系統(tǒng)在新型船上的應用，本文提出一種W型船，并簡要介紹了其主體設計、性能分析以及應用前景。此后，將動力定位系統(tǒng)應用于所設計的W型船，分析船舶在靜水中以合攏狀態(tài)航行、展開合攏過程以及展開后遭遇風浪作用時動力定位系統(tǒng)的工作過程。此后，我們將制作出模型，通過試驗來檢驗以上理論分析的正確性。

參考文獻：

[1]耿惠彬 譯，MJ摩根著.近海船舶的動力定位[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[2] 周國平. “海洋石油 623”船型研發(fā)設計[J]，船舶設計通訊，2009 年 S1期.

[3] 張俊武. V 型開體式浮油收集船關鍵部件疲勞分析研究：[碩士論文] 武漢：武漢理工大學船舶與海洋環(huán)境保護專業(yè)，2008