船舶減搖裝置技術綜述

陳嵐

摘 要：船舶減搖裝置的研究對于船舶航行的安全性具有重要的意義，文章綜述了包括減搖鰭、減搖水艙、舵減搖、舭龍骨等幾種傳統(tǒng)減搖裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了近年來的船舶減搖技術發(fā)展方向，指出了船舶減搖技術已由單一的減搖裝置發(fā)展至綜合減搖裝置，并趨于實現(xiàn)小型化、精密化的發(fā)展方向。

關鍵詞：減搖；橫搖；減搖鰭；減搖水艙；舭龍骨；舵減搖；綜合減搖裝置

中圖分類號：U66 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0175-02

1 概述

船舶在海上航行和工作的過程中，會遭受海浪、海風及海流等各種因素的影響，因此，船舶會產(chǎn)生諸如橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩等各種搖擺。而以上各種不規(guī)則的劇烈搖擺會嚴重影響船舶的安全航行、乘船的舒適性、船上各種機器設備的正常工作等。尤其對于軍用艦載船舶而言，船舶在海上產(chǎn)生的搖蕩會影響飛機的正常起飛、安全航行以及降落。因此，關于船舶減搖方面的試驗和研究一直是船舶領域技術人員的主要工作。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，在船舶減搖裝置中，應用最為廣泛的有以下幾種：舭龍骨、減搖水艙、舵減搖、減搖鰭以及綜合減搖裝置等。

2 船舶減搖裝置簡介

2.1 舭龍骨

舭龍骨的使用最早可追溯到19世紀初，當時還處于帆船時代，舭龍骨最早作為減搖裝置是應用在帆船上。舭龍骨多是沿著船體長度方向，安裝在船舶的舭部，其減搖原理在于，當船舶在海上產(chǎn)生橫搖時，由于舭龍骨的存在，會在海水中產(chǎn)生擾動船體周圍的水流場，使得船體產(chǎn)生一定的附加阻尼，通過增加船體的橫搖阻尼，從而減小船舶受到的橫搖影響。舭龍骨在船舶的任何航行狀態(tài)和環(huán)境下，均會使得船舶產(chǎn)生一定的減搖效果，其最佳效果是在產(chǎn)生近似共振的狀況下產(chǎn)生的。舭龍骨減搖的優(yōu)勢在于，其不涉及運動部件，結構簡單，造價低，便于維護，是應用最廣泛的一種減搖裝置。其缺點在于裝上舭龍骨會使船舶阻力略有增加。發(fā)展到后來，慢慢出現(xiàn)了可伸縮式舭龍骨，其在高航速時伸出進行減搖，低航速時收回，減小船舶受到的阻力。目前，幾乎所有的船舶都裝有舭龍骨，配合其他減搖裝置共同提高船舶航行的穩(wěn)定性。

2.2 減搖水艙

減搖水艙也是比較常見的一種減搖裝置，根據(jù)其減搖原理，主要包括以下三種形式：被動式減搖水艙、可控被動式減搖水艙和主動式減搖水艙。對于被動式減搖水艙而言，其減搖過程為：當行駛在海上的船舶產(chǎn)生橫搖時，同時，水艙內(nèi)的水會隨之產(chǎn)生往復搖擺運動，通過產(chǎn)生抵抗船舶橫搖的穩(wěn)定力矩達到減搖的效果。除了被動式減搖水艙，還有主動式減搖水艙，其工作過程是在船體的兩舷之間增加一個可抽取水的水泵，將水艙中的水進行適時的轉移和調(diào)整，從而將搖擺的船體調(diào)整至平衡狀態(tài)。通常在兩個水艙之間設置節(jié)流閥，從而控制水艙中水的快速轉移。減搖水艙可將搖擺角度從30°降低至15°，因此，可大大降低橫搖產(chǎn)生的不利影響。減搖水艙的減搖過程和減搖效果與船體的航行速度沒有直接的關系，因此，減搖水艙可以應用于各種航行速度下的船舶，對于低航速甚至停泊的船舶，其上設置的減搖水艙均具備較好的減搖效果。但減搖水艙存在減搖效率比較低、占用空間大等缺點，因此其發(fā)展受到了限制。目前，國外對減搖水艙的研究已經(jīng)比較成熟。

2.3 舵減搖

舵減搖于1972年首次被提出來，至20世紀90年代初國外已有定型產(chǎn)品出售。舵減搖的原理在于，當船體上安裝有舵時，在操作舵的時候，船體會隨之產(chǎn)生一個橫傾力矩，在這個橫傾力矩的作用下，可將船體本身產(chǎn)生的橫搖擾動力矩進行一定程度的抵消，從而減小船舶橫搖產(chǎn)生的力矩，加強船體航行的平穩(wěn)性。我國關于舵減搖的研究最早始于八十年代初期，例如中國大型船舶科技研究中心就舵減搖裝置的實際可行性方面進行大量的試驗和研究。九十年代以來，舵減搖的研究更加深入，我國對于舵減搖方面的研究主要集中在軍艦上的應用。其與減搖鰭相比，造價低，占用空間小，使用維修方便，其缺點在于所需的功率和舵速，對船舶的各項參數(shù)比較敏感，其減搖效果易受到影響。

2.4 減搖鰭

減搖鰭是一種最常用的主動式減搖裝置，是目前減搖效果比較好的一種減搖裝置。減搖鰭多為機翼型的翼面，在船舶航行過程中，由于水流的作用，減搖鰭的上鰭面和下鰭面的流速不同，則上下鰭面存在一定的壓強差，從而產(chǎn)生一定的升力作用。關于減搖鰭的專利，最早是在1889年由約翰桑尼克洛夫獲得的，鰭與三個臂相連，其中一個臂固定連接，一個臂可轉動連接，中間的軸臂距離船最遠，目的在于當軸上下移動時，可使得鰭產(chǎn)生傾斜。世界范圍內(nèi)的第一套研制成功的實體減搖鰭裝置出自日本三菱重工的原良信太郎，在1923年時研制成功的減搖鰭設備經(jīng)裝船試驗，其減搖效果取得了顯著的進步。隨著減搖鰭裝置的進一步發(fā)展，1935年，英國的布朗兄弟公司研制成功了一套名為丹尼斯布朗的減搖鰭裝置，并成功裝配應用于一艘2200噸的海峽渡輪上，獲得了較好的減搖效果。在接下來的幾十年中，世界各國船舶領域的科研人員在減搖鰭方面進行大量的試驗和研究。

試驗表明，在減搖鰭的作用下，船體的橫搖角度約為2°，遠小于無減搖鰭的船體橫搖角度25°，即具備減搖鰭的船體穩(wěn)定性明顯優(yōu)于無減搖鰭的船體。一般情況下，減搖鰭的控制系統(tǒng)包括電氣控制部分、轉動鰭的液壓傳動裝置和機翼型的鰭三部分，其工作過程為，首先采用陀螺儀檢測船舶航行時的橫搖角度，根據(jù)減搖需求產(chǎn)生相應的控制信號。然后由液壓傳動裝置控制減搖鰭的偏轉角度和方向，使得減搖鰭產(chǎn)生抵消力矩，從而減小船舶的橫搖幅度，達到提高船舶航行穩(wěn)定性的目的。減搖鰭按照布置方式分為：固定式、收放式、折疊式。減搖鰭帶襟翼的開襟式和不帶襟翼的整體式。中小型船舶舵適于采用不可收放式減搖鰭，其具有較小的展舷比，多為0.5～1.0，多采用結構簡單的整體式減搖鰭。對于較大型船舶而言，所需的減搖鰭展舷比較大（多為1～2），為了減小空泡腐蝕且提高升力，一般采用開襟式減搖鰭。

不可收放式減搖鰭一直伸出處于船舷外部，一般安裝于船中的舭部，避免船舶航行時產(chǎn)生碰撞?？墒辗攀綔p搖鰭可對稱安裝于船舷兩側，當船舶遭遇大風浪產(chǎn)生橫搖時，將減搖鰭伸出舷外進行減搖，當不需要時，將其收入船艙內(nèi)。收放式減搖鰭的展舷比大，因此鰭面積較大，減搖效果比較好。減搖鰭的劣勢在于只有在高速減搖時效果比較好，而在低航速或零航速時，減搖鰭的減搖作用很小，這是因為航速較小時，流過減搖鰭上下表面的水速差異很小，不會在上下表明產(chǎn)生很明顯的壓差，因此產(chǎn)生的升力比較小。近幾年，已經(jīng)有研究者開始進行零航速或低航速的減搖鰭結構研究。零航速減搖鰭的對稱性很低，且增加了舷長使其可以掃過更大的面積。哈爾濱工程大學提出了可以提高船舶零航速穩(wěn)定性的T型水翼和轉子翼復合減搖裝置，在高速航行時減搖鰭在伸縮裝置的驅動下伸出進行減搖，低航速時利用轉子翼進行減搖，提高了船舶在高航速和低航速兩種航行狀態(tài)下的減搖效果。

2.5 綜合減搖裝置

減搖鰭和減搖水艙是目前船舶減搖領域應用較為廣泛的兩種，但由于減搖鰭和減搖水艙其各自工作原理上的限制，在船舶減搖的應用中均存在一定的局限性。例如：高航速船舶的減搖鰭在零航速或低航速時不能進行有效的減搖，因此，低航速船舶，不適合采用減搖鰭進行減搖。減搖水艙的結構簡單且成本較低，對于船舶的各種航行速度，均可以有效抑制船舶搖擺。但其局限性在于被動式減搖水艙受限于船舶的諧搖頻率，只有在船舶諧搖頻率附近，減搖水艙才會產(chǎn)生較好的減搖效果，在船舶遭受低頻海浪的沖擊時，被動式減搖水艙甚至會增加船舶的搖蕩。近年來，隨著船舶及其設備功能應用的發(fā)展，船舶上采用單一的減搖裝置已不能滿足其使用需求。因此，國內(nèi)外開始進行綜合減搖裝置的研制，諸如減搖鰭-被動減搖水艙綜合減搖，其綜合利用了減搖鰭與減搖水艙的優(yōu)點，彌補了各自的不足。使得船舶在零航速狀態(tài)下也具備一定的減搖能力。目前，已有減搖鰭和減搖水艙共同裝配于一艘船舶的研究，其工作過程為當船舶在高航速航行時，單獨采用減搖鰭進行減搖，當船舶處于低航速時，可利用減搖水艙的優(yōu)勢進行減搖。除了上述減搖鰭-被動減搖水艙的綜合減搖裝置外，減搖鰭-舵減搖也具備較好的減搖效果，早在20世紀80年代，就有人提出利用舵和鰭進行聯(lián)合減搖，并經(jīng)試驗證明采用舵鰭綜合減搖裝置能夠有效提高船舶的穩(wěn)定性。由于船舶采用舵鰭減搖裝置是將減搖鰭和減搖鰭舵的優(yōu)點相結合，可以使得船舶抵抗橫搖、橫蕩等的影響，因此是近年來船舶減搖領域的研究熱點。目前的多項研究結果表明，采用綜合減搖裝置可合理利用各種減搖技術的優(yōu)點，使得船舶在各種航行狀態(tài)下均具有較好的減搖效果。目前，對減搖鰭、減搖水艙、舵減搖、舭龍骨等的研究均比較成熟，因此，各種減搖裝置的綜合運用將是以后研究的熱點和發(fā)展趨勢。

3 結束語

本文對國內(nèi)外船舶減搖技術進行了綜述，主要論述了舭龍骨、減搖水艙、舵減搖、減搖鰭以及綜合建議裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，通過分析比較可知，單一的減搖裝置在船舶的減搖應用上存在一定的局限性，而采用綜合減搖裝置可以綜合各種單一減搖裝置的優(yōu)點，使得船舶在各種航行狀態(tài)下均具備良好的減搖效果。近年來，隨著世界范圍內(nèi)船舶技術的興起和發(fā)展，對于減搖技術會產(chǎn)生更進一步的需求。并且，船舶減搖裝置正逐漸趨于實現(xiàn)小型化、精密化的發(fā)展方向，以滿足船舶實現(xiàn)不同的功能和應用。

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