海工輔助船可控被動式減搖水艙設計

唐偉煒，劉子晴，陳愛國，盤茂燕

（廣州航海學院，廣東 廣州 510725）

0 引 言

當前船舶普遍采用鋼質船殼，橫搖阻尼較小，在海上航行或作業(yè)時容易產(chǎn)生巨大的橫搖運動。

海工輔助船既可為海洋平臺提供起重作業(yè)、直升機?？?、干散貨輸運、海上居住和對外消防等服務，又能為其供應鉆井水、燃油和淡水等物資。由于作業(yè)的特殊性和工作環(huán)境的復雜性，海工輔助船對抗橫搖性能的要求相比其他船型更高。本文以某輕型海工輔助船為研究對象，對其減搖系統(tǒng)進行設計，并對該系統(tǒng)的減搖效果加以說明。

1 海工輔助船減搖系統(tǒng)設計

該海工輔助船的艙室按用途的不同分為機艙、錨鏈艙、油艙、淡水艙、壓載艙、隔離艙和貨艙等。與其他普通船舶不同的是，該海工輔助船的設計更加人性化，強調舒適性，其基本參數(shù)見表1。

表1 某輕型海工輔助船的基本參數(shù)

1.1 減搖系統(tǒng)設計原理

該海工輔助船的主要功能是向深海鉆井平臺提供淡水、燃油和其他生活物資，輔助海工船完成海上作業(yè)。從經(jīng)濟性的角度考慮，主動式減搖艙的成本較高，為使減搖效果滿足要求，根據(jù)該海工輔助船的結構特點，選取U型可控被動式水艙作為基本模型。被動式減搖水艙通常采用“雙共振”原理設計，在諧搖區(qū)內橫搖情況較為嚴重。當船舶出現(xiàn)橫搖運動時，水艙內的水左右移動產(chǎn)生力矩，該力矩能抵抗波浪的擾動力矩，從而減緩船舶的橫搖運動，達到橫向減搖的效果。

根據(jù)“雙共振”原理，可控被動式減搖水艙通過氣閥控制水流速度，減搖水艙內水流的振蕩周期與船舶橫搖運動周期相同[1]，即

式(1)中：Tβ、Tθ和Tω分別為海上的波浪周期、船舶橫搖固有周期和減搖水艙內水流的振蕩周期。

具體地，航行中的船舶在受到波浪的擾動時，其兩側的減搖水艙會形成水位差，從而產(chǎn)生力矩以抵抗橫搖。由于慣性的作用，減搖水艙內的水會向傾斜一側流動；當波浪開始擾動時，減搖水艙內的水又開始向另一側流動。圖1為U型被動式減搖水艙原理及相位圖，由于有相位差，減搖水艙內的水要到船舶橫傾達到一定的角度之后才開始運動。

與此同時，減搖水艙要通過增設氣閥來使兩側的水量保持高度一致。這不僅能應對外部不斷變化的波浪，更能有效防止橫搖振蕩加劇，提高其可靠性。此外，氣閥可調節(jié)阻尼，使減搖水艙內水流的速度得到限制。

圖1 U型被動式減搖水艙原理及相位圖

綜上所述，U型可控被動式減搖水艙的設計要遵循2個原則，即：減搖水艙的減搖周期與船舶的橫搖周期相匹配；減搖水艙的內部阻尼需保證減搖水艙內的水能在合適的時間內左右流動（若阻尼太小，會使減搖水艙內水流的速度過快；若阻尼太大，會使減搖水艙內水流的速度過?。?。然而，決定U型減搖水艙阻尼的是U型減搖水艙通道的尺寸及其內部的結構，只有經(jīng)過反復試驗才能求得準確的數(shù)據(jù)。

1.2 約束條件

1) 根據(jù)經(jīng)驗，減搖水艙內水的總質量占排水量的1%～2%，且不能為空。船舶在航行過程中，其減搖水艙的振蕩固有周期是有大幅度變化的。

2) 為防止減搖水艙內的水不沖擊艙頂及避免水在運動過程中帶來嚴重的噪聲，保證艙內的水可在縱向自由移動。減搖水艙的高度須大于水深的1.7倍。

3) 為達到限制減搖水艙自由液面面積的目的，通常規(guī)定減搖水艙內自由液面的穩(wěn)性損失小于 25%初穩(wěn)性高。

減搖水艙在船上的布置位置的限制要根據(jù)實際情況而定，不與其他艙室重復是前提。根據(jù)船舶的結構特點選擇合適的艙型。

1.3 水艙形狀和尺寸的計算

圖2為U型可控被動式減搖水艙橫剖面圖，由于氣閥的作用，其振蕩固有周期往往小于船舶橫搖固有周期[2]。因此，在設計U型可控被動式減搖水艙的振蕩固有周期時，不能按照船舶的橫搖固有周期來設置，一般取接近船舶可安全作業(yè)的海況（即服務海域海浪的周期）進行設計。

減搖水艙的振蕩固有周期可表示為

式(2)中：Le為減搖水艙的特征長度，其經(jīng)驗公式如下。

圖2 U型可控被動式減搖水艙橫剖面圖

式(3)～式(6)中：T1為減搖水艙的液位高；T2為高出連接通道的液位差；H2為連接通道的高度；B1為減搖水艙邊艙總寬度；B2為減搖水艙的寬度。

由此可知，U型減搖水艙的振蕩固有周期受水艙寬度B2和連接通道高度H2的影響。在一定的范圍內，水艙的各項尺寸和水量決定著水艙的振蕩固有周期，其中水量對水艙振蕩固有周期的影響比較小。換言之，水艙的尺度確定之后，其振蕩周期即基本確定[3]。但實際上，船舶在航行過程中由于油水損耗，其橫搖固有周期時刻在變化。因此，為達到預期的減搖效果，水量應該適中。

采用以上3種經(jīng)驗公式計算所得結果相差不大，本文采用式(5)進行計算。

1.4 水艙位置的初步確定

在設計U型減搖水艙時，首先要確定其在船上的位置。在橫向位置上，為得到最大的斜傾力矩，減搖水艙的邊艙總寬度B1一般與船寬相等，減搖水艙的邊艙寬度一般與舷側壓載艙的寬度相等[4]。在縱向位置上，既要考慮船舶的縱向浮態(tài)，又要避免產(chǎn)生過大的艏搖，故布置在舯部 1/4艙位置處比較合適[5]。在垂向位置上，理論上減搖水艙布置得越高，其減搖效果越佳。在以往的設計中，考慮到布置和結構條件，減搖水艙往往會布置得偏低一些，例如略低于重心高度，這時減搖水艙的減搖效果不會嚴重受損。

根據(jù)實際需要，為增強減搖效果，本文將減搖水艙設計在舯部位置處，具體位置根據(jù)計算結果而定。由此可得U型可控被動式減搖水艙的輸入?yún)?shù)見表2。

表2 U型可控被動式減搖水艙的輸入?yún)?shù) 單位：m

根據(jù)經(jīng)驗公式，U型減搖水艙邊艙寬度B2、目標海域波浪平均周期Tθ和U型減搖水艙底部連接通道的高度H2滿足關系式

式(7)和式(8)中：Le為水艙的特征長度；g為重力加速度；Tθ為船舶橫搖固有周期；π為圓周率；T2為高出連接通道的液位差；H2為連接通道的高度；B1為減搖水艙邊艙總寬度；B2為減搖水艙寬度。Tθ=10s，g取9.8m/s，得Le=49.6m；π取3.14，得H2=0.86m?？紤]到安裝時船體結構的影響，H2約虧損0.16m，這里取H2=0.7m。

根據(jù)目標最大橫傾角sφ得到最大靜橫傾力矩Mst，確定U型減搖水艙總長度L1。由于橫搖角度越大，所需艙長越長，若工作環(huán)境較為惡劣，可采用多個減搖水艙。

考慮到輕型海工輔助船主要在近海作業(yè)，本文取sφ=5°進行相關分析。通過經(jīng)驗公式進行相關計算，即

式(9)和式(10)中：Mst為最大靜橫傾力矩；sφ為最大橫傾角；D為排水量；GM為初穩(wěn)性高；L1為U型艙總長度；T1為U型減搖水艙液位高；B1為減搖水艙邊艙總寬度；B2為減搖水艙寬度。

該海工輔助船的排水量D=14000t，初穩(wěn)性高GM=3.2m，計算得出最大靜橫傾力矩Mst≈2345t·m。進而求出 U型減搖水艙總長度L1≈15.3m。位置最終確定為：根據(jù)艙室的設計要求，考慮到船體的結構影響和虧損情況，減搖水艙總長度取12m。由表1得船長為88m，理論上該減搖水艙應布置在舯部的1/4處。根據(jù)實際情況，避開船內其他設備，并考慮到上層建筑所在位置，避免縱傾加劇，減搖水艙布置在距艏部18～32m范圍處。船上的艙室有減搖水艙、重油艙、柴油艙、輔助設備艙和機艙等。

2 減搖效果評定

U型可控被動式減搖水艙設計計算結果見表3。

表3 U型可控被動式減搖水艙設計計算結果

由表3可知，減搖水艙的橫搖周期較長，最大橫傾角較小，減搖效果較好。在海工輔助船上，減搖效果通常用船舶橫搖幅值的相對大小來表示，即

式(11)和式(12)中：Bφ為不計船舶減搖效果的船舶橫搖角；φCH為特征數(shù)；sφ為船舶靜止期間水從左艙流向右艙時的船舶靜橫傾角；dφ為U型減搖水艙內水的慣性作用及其他因素對船舶橫傾的影響?？紤]到可控被動式減搖水艙氣閥的影響，將dφ取值為20%sφ，方向與sφ相反。

通過計算可得特征數(shù)φCH=2.3°，減搖效果達54%。

該減搖水艙在輕型海工輔助船上較為適用，穩(wěn)定性高且符合要求。最終的減搖水艙模型見圖3。

圖3 最終的減搖水艙模型

3 結 語

本文以輕型海工輔助船為例，通過對U型可控被動式減搖水艙進行分析，根據(jù)固有周期的經(jīng)驗估算公式，計算出減搖水艙尺寸的基本參數(shù)，并根據(jù)實際情況在該船上安裝減搖水艙。從提高船舶的抗搖性和舒適性的角度看，該設計符合最初的理念。