壓載系統(tǒng)重力浸水作業(yè)時(shí)間動(dòng)態(tài)計(jì)算方法研究

韓 健 吳立斌 鐘 濤

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

艦船浮態(tài)調(diào)整一般是通過注排壓載水或?qū)狠d艙水進(jìn)行前后、左右調(diào)撥實(shí)現(xiàn)的［1］。對于姿態(tài)調(diào)整要求較高的艦船、工程船，如兩棲攻擊艦、船塢登陸艦、浮船塢、半潛船、SPAR深水平臺等［2］，一般均設(shè)有專用壓載系統(tǒng)。

壓載系統(tǒng)注水型式一般分為泵注水和重力浸水兩種。泵注水型式較為常規(guī)，注水速度主要取決于泵的能力及管網(wǎng)設(shè)計(jì)，注水速度較為穩(wěn)定，管路阻力及壓載艙頂部距泵排出口高度的總和在確保泵揚(yáng)程范圍內(nèi)的前提下，對壓載艙的位置無特殊限制，但對壓載艙透氣管尺寸有一定的要求；重力浸水型式以舷外船體吃水處與壓載艙內(nèi)的液位的高度差產(chǎn)生的壓頭為動(dòng)力源，注水速度主要取決于高度差及管網(wǎng)阻力，一般重力浸水管網(wǎng)簡單，浸水速度由快向慢變化，但對壓載艙位置有一定的限制。

重力浸水技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用越來越廣泛，例如“黃蜂”級兩棲攻擊艦采用重力浸水型式，可在15 min內(nèi)將船體從預(yù)壓載狀態(tài)下沉至塢艙首吃水約1.2 m，尾吃水約3 m；“西北風(fēng)”級兩棲攻擊艦也采用泵注水與重力浸水結(jié)合型式。

作業(yè)時(shí)間作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)，與壓載系統(tǒng)型式、注排水設(shè)施的能力、管路長度及管徑大小、管網(wǎng)閥附件等因素息息相關(guān)。在整個(gè)作業(yè)過程中，船體水線處于動(dòng)態(tài)變化的過程，導(dǎo)致作業(yè)時(shí)間的計(jì)算參數(shù)（如管網(wǎng)流量）為不定值。為掌握重力浸水作業(yè)時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)流量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以單艙重力浸水、多艙同時(shí)重力浸水為典型工況，分析影響作業(yè)時(shí)間因素，研究作業(yè)時(shí)間動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，為實(shí)船快速作業(yè)提出理論計(jì)算支撐。

1 單艙重力浸水作業(yè)時(shí)間動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

單艙重力浸水為海水從舷外通過單獨(dú)海底門注入至某一壓載艙內(nèi)。根據(jù)控制閥門安裝部位，可分為干式型式和濕式型式，如圖1和圖2所示。考慮濕式安裝的維修性，一般本艙浸水控制閥安裝于相鄰壓載艙內(nèi)。單艙重力浸水管路較短且無支管、通徑一致，控制較為簡單。

圖1 單艙重力浸水干式安裝布置型式

圖2 單艙重力浸水濕式安裝布置型式

根據(jù)能量守恒定律，以舷外水線處至壓載艙內(nèi)液位處兩點(diǎn)之間流線建立伯努利方程，如圖3所示。

圖3 重力浸水計(jì)算示例

式中：ρ為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；ZWL為水線距基線高度，m；ZLL為壓載艙內(nèi)液位距基線高度，m；PWL為水線壓力，Pa，表壓可視為0；PLL為壓載艙內(nèi)液位壓力，Pa；vWL為水線流速，m/s，為0；vLL為載艙內(nèi)液位流速，m/s，為0。h損為浸水過程阻力損失，m，由局部阻力損失和沿程阻力損失兩部分組成，計(jì)算如式（2）所示。

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；l為管路長度，m；d為管路內(nèi)徑，m；ζ為局部阻力系數(shù)，可查船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊［3］獲得各部件系數(shù)值；v為管路流速，m/s。

一般來說，對于泵注排水的壓載艙，壓載艙透氣管截面積應(yīng)至少大于注入管截面積的1.25倍［3］；對于重力浸水的壓載艙，為保證浸水速度不受透氣阻力的影響，透氣管可參照泵注排水壓載艙計(jì)算選取，壓載艙內(nèi)液位壓力（表壓）為0。

根據(jù)式（1）、式（2）可得出式（3）。

式中：μ為流量系數(shù)，計(jì)算如式（4）所示。

一般而言，重力浸水管路較短，沿程阻力損失較小。局部阻力系數(shù)主要包含海底門格柵、蝶閥、濾器、吸口、彎頭以及自管流出等阻力系數(shù)。根據(jù)實(shí)例計(jì)算，對于重力浸水，沿程阻力損失相較于局部阻力損失較小，工程計(jì)算中可忽略沿程阻力損失。

由于船體水線高度隨著壓載艙內(nèi)注水量動(dòng)態(tài)變化，管路流速也在不斷變化，浸水時(shí)間是一個(gè)變量的累加。在dt時(shí)間段內(nèi)注水量dV之間的關(guān)系見式（5）。

式中：V為壓載艙內(nèi)注水量，m3；A為管路橫截面積，m2；t為時(shí)刻，s。

對式（5）進(jìn)行積分，即：

當(dāng)dt取足夠短時(shí)間步長，即在dt時(shí)間段內(nèi)，高度差（ZWL-ZLL）可簡化為定值，管路流速即為定值。

因注水過程，船體水線動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)船體屬性，船體水線距基線高度ZWL與壓載艙內(nèi)裝載量V有關(guān)；根據(jù)壓載艙結(jié)構(gòu)圍壁可得出壓載艙液位距基線高度ZLL與壓載艙內(nèi)裝載量V之間一一對應(yīng)的數(shù)值。因此，時(shí)刻t、船體水線距基線高度ZWL、壓載艙液位距基線高度ZLL、壓載艙內(nèi)裝載量V和管路流速v這5個(gè)參數(shù)之間關(guān)系可相互計(jì)算得出，具體計(jì)算迭代如圖4所示。

圖4 五個(gè)參數(shù)計(jì)算迭代關(guān)系

當(dāng)需進(jìn)行艦船浮態(tài)調(diào)整時(shí)，一般進(jìn)行裝載計(jì)算獲取壓載艙所需最終裝載量Vn；根據(jù)裝載量Vn及圖4的迭代計(jì)算關(guān)系，可反推出達(dá)到此時(shí)裝載量的時(shí)刻tn，即得出重力浸水時(shí)間。若計(jì)算重力浸水時(shí)間不滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，則需加大管路及閥附件通徑、優(yōu)化管路布置，重新計(jì)算直至滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，且應(yīng)有一定的裕度。

2 多艙同時(shí)重力浸水作業(yè)時(shí)間動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

多艙重力浸水為多個(gè)壓載艙分組共用一個(gè)海底門，可以減少海底門的數(shù)量，也將減少船體的開口［4］。多艙重力浸水根據(jù)控制閥門安裝部位同樣可分為干式型式和濕式型式，如下頁圖5、圖6所示。多艙重力浸水管路較短且有支管，總管與支管通徑一般不一致。

圖5 多艙重力浸水干式安裝布置型式

圖6 多艙重力浸水濕式安裝布置型式

根據(jù)能量守恒定律及質(zhì)量守恒定律，以舷外水線處至每個(gè)壓載艙內(nèi)液位處兩點(diǎn)之間流線建立伯努利方程組，見式（7）～式（10）。

式中： 下標(biāo)0、1、2、3分別代表總管、1號壓載艙、2號壓載艙、3號壓載艙的相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)式（7）至式（10）可求得總管流速及各個(gè)支管流速。進(jìn)而根據(jù)單艙重力浸水動(dòng)態(tài)計(jì)算思路可得出每個(gè)壓載艙對應(yīng)裝載量的重力浸水時(shí)間。

3 重力浸水與向泵注水轉(zhuǎn)變?nèi)斯ゎA(yù)判策略

如上所述，重力浸水管路較短，布置較為簡單，管路阻力損失主要集中為局部阻力損失，可忽略沿程阻力損失，根據(jù)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，管路局部阻力系數(shù)可控制在5左右，因此，流量系數(shù)可取為約0.45。對于泵注水型式，管路設(shè)計(jì)流速為2～3 m/s，一般取2.5 m/s。

當(dāng)重力浸水管路流速大于泵注水管路流速（2.5 m/s）時(shí)，根據(jù)式（3）估算，即舷外船體吃水處與壓載艙內(nèi)的液位的高度差（ZWL-ZLL）大于1.57 m，重力浸水型式相比泵注水型式效率較高，可優(yōu)先選用重力浸水型式。實(shí)船應(yīng)用中，壓載艙液位與船體水線實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)以下3種情況即兩者之間差值小于1.57 m時(shí)，或可根據(jù)液艙液位變化查艙容實(shí)時(shí)計(jì)算的支管流速小于2.5 m/s時(shí)，或直接觀察壓載艙液位變化較為緩慢時(shí)，均可由重力浸水向泵注水轉(zhuǎn)變。

4 結(jié) 語

對于重力浸水及泵注水結(jié)合型式的壓載系統(tǒng)，基于能量守恒及質(zhì)量守恒定律，獲得單艙重力浸水、多艙同時(shí)重力浸水作業(yè)時(shí)間的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法。根據(jù)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，當(dāng)壓載艙液位與船體水線兩者之間差值小于1.57 m時(shí)，可結(jié)束重力浸水；若壓載艙裝載量仍未達(dá)到目標(biāo)裝載，則可轉(zhuǎn)換泵注水方式繼續(xù)裝載。上述方法可供實(shí)際應(yīng)用參考。