海工辅助船可控被动式减摇水舱设计研究

唐伟炜，刘子晴，陈爱国，盘茂燕

（广州航海学院 船舶节能减排工程中心，广州广东，510725）

摘要：为减小船舶摇荡，特别是横向摇荡，在提高船舶的安全性的同时，也满足乘客乘坐船舶的舒适性。按照“双共振”原理，考虑了海工辅助船在海上作业的各种不同环境，以U型可控被动式减摇水舱为基本模型，根据固有周期的经验估算公式，计算得出减摇舱的基本参数，设计了轻型海工辅助船减摇装置，并对其效果进行分析。研究表明，该减摇装置能较好的达到减摇效果。

 关键词：海工辅助船；U型可控被动式减摇舱；双共振；减摇系统

Research on the Design of Controllable Passive Anti-rolling Tank for Marine Auxiliary Ships

Tang Weiwei，Liu Ziqing，Chen Aiguo, Chen Xiaoxin, Tan Yanqiong

(Guangzhou Maritime College, Guangzhou Guangdong, 510725)

Abstract: In order to reduce the ship swaying, especially the lateral swaying, the safety of the ship is improved and the comfort of passengers is also satisfied. According to the principle of "double resonance", various environments of Marine auxiliary vessels operating at sea are considered, with u-shaped controllable passive anti-rolling tank as the basic model, According to the empirical estimation formula of inherent period, the basic parameters of anti-rolling tank are calculated and a light Marine auxiliary ship anti-rolling device is designed. The effect is analyzed，the results show that the anti-rolling device can achieve better anti-rolling effect.

Keywords: Marine auxiliary ship; U type controllable passive anti-rolling tank; Double resonance. Anti-rolling system

0.引言

船舶发展的历史悠久，从帆船到蒸汽轮船，再到柴油机船，船体由木质船壳改成钢质船壳，横摇阻尼减小，导致船舶横摇角度增大，令船舶在海上航行、作业、作战时，容易发生巨大的横摇运动。

海工辅助船可为海洋平台提供起重作业、停靠直升飞机、干散货、钻井水、燃油、淡水、海上居住、对外消防等服务。由于其作业的特殊性，工作环境较复杂，对抗横摇性能要求更高。本文以某轻型海工辅助船为研究对象，对其减摇系统进行设计，并对其效果加以说明。

1. 海工辅助船减摇系统设计

以某轻型海工辅助船为例，该海工辅助船由机舱、锚链舱、油舱、淡水舱、压载舱、隔离舱、货舱等各种舱室组成，各个舱室都有其专门用途。与其他普通的船不同的是，轻型海工辅助船的设计更倾向人性化，强调舒适性。该船基本参数如表1所示

表1 某轻型海工辅助船的基本参数

1.1 减摇系统设计原理

由于本船为轻型海工辅助船，它的主要功能是向深海钻井平台提供淡水、燃油及生活补助物资，主要用于海上工作的辅助。从经济性考虑，主动式减摇舱成本较大，为使减摇效果达到标准，根据船的结构，选取U型可控被动式型水舱为基本模型。被动式减摇舱的设计通常采用的是“双共振”原理，在谐摇区内，水舱横摇情况较为严重。当船舶发生横摇时，水舱的水发生移动产生力矩以抵抗波浪的扰动力矩，从而减弱船的横摇运动，以达到船舶横向减摇的效果。

根据“双共振”原理，可控被动式水舱通过气阀控制水流速度，减摇水舱舱内水流震荡周期与船舶横摇运动周期相同^[1]。即：

                                       （1）

其中，、和分别为海上的波浪周期、船舶横摇固有周期、减摇水舱舱内水的震荡周期。

具体地，正在航行的船舶受到海上波浪扰动时，减摇水舱在船舶两侧的舱室会形成水位差，从而产生力矩以抵抗横摇。由于惯性作用，舱内水将向倾斜一侧流动，当海上波浪开始扰动时，舱内水又会开始向另外一侧流动，如图1所示，由于相位差，舱内水要直到船舶横倾达到一定的角度才开始运动。

与此同时，可控被动式减摇水舱要通过增加气阀的设置，使减摇水舱两侧的水量保持高度一致。这不仅能应对外部不断变化的波浪，更能有效防止横摇震荡加剧，提高其可靠性。再有，气阀可调节阻尼，使减摇舱的水流速度得到限制。

 综上所述，U型可控被动式减摇舱的设计要遵循以下两个原则：

(1)U型减摇舱的减摇周期与船舶的横摇周期相匹配；

(2)U型可控被动式减摇舱的内部阻尼需保证减摇舱内水能在合适时间里左右流动：若阻尼太小，会使减摇舱内水速过快；若阻尼太大，会令减摇舱内的水流速度过小。而决定U型减摇舱的阻尼的，是U型舱通道的尺寸和内部的结构，这是需要经过不断反复的试验方可求得准确的数据。

图1 U型被动式减摇水舱原理及相位图

1.2约束条件

(1) 根据规范，水舱内水的总重量约占排水量的1～2％，且不能为空。船在航行过程中减摇舱的固有周期是有大幅度变化的。

(2)为防止水舱内水不冲击舱顶及避免水在运动时产生严重的噪音，保证舱内水在纵向方向上可自由移动。水舱高度须大于水深的1.7倍。

(3)为达到限制水舱自由液面面积的目的，水舱内自由液面的稳性损失通常规定在小于25％初稳性高的范围内。

(4)舱室在船上摆放位置的限制，要根据实际情况而定。不与其他舱室重复是前提。根据船舶的结构特点，选择合适的舱型。

1.3 水舱形状尺寸的计算

如图2所示，U型可控被动式减摇水舱由于气阀的作用，其固有周期往往小于船舶的固有周期^[2]。所以在设计U型水舱的固有周期时，不可按照船舶的固有周期来设置，一般来说，应选取接近船舶可进行安全作业的海况来进行设计，即服务处所海浪的周期。

固有周期可表示为 ：

                               (2)

为水舱的特征长度，经验公式如下：

常用公式：                                   (3)

  罗布公式：                                     (4)

渡边公式：                                              (5)

  交大经验公式：                                     (6)

纵观以上公式，它们共同表示了U型减摇水舱的固有周期都受到水舱宽度B₂和连接通道高度H₂的影响。不难看出，在一定的范围内，水舱的各项尺寸和它的水量决定水舱的固有周期。其中，水量对水舱固有周期的影响比较小。换句话来说，水舱的尺度确定以后，它的周期也就基本确定^[3]。但实际上，船舶在航行过程里，由于油水损耗，船舶的横摇固有周期时刻变化。因此，为了得到预期的减摇效果，水量应该适中。

以上三种经验公式计算结果相差不大，本文采用公式（5）渡边公式作为计算值。

图2 U型水舱横剖面图

水舱位置的初步确定：

U型减摇水舱在设计时，首先要确定它在船的位置。横向位置上为得到最大的斜倾力矩，水舱的边舱总宽度B₁一般与船舶宽度相等，减摇水舱的边舱宽度一般与船舶船舷侧的压载舱同宽^[4]。纵向位置上要考虑船舶的纵向浮态，又要避免产生过大的首摇，故布置在船舯1/4舱位置比较合适^[5]。在垂直位置上，从理论上来说，水舱布置得越高，它的减摇效果越佳。在以往的设计里，考虑到布置和结构条件，水舱布置往往会偏低一些，例如略微低于重心高度，这时水舱的减摇效果不会受到严重损害。

根据实际需要，为增强减摇效果，本设计的减摇舱设计在船中部位置，具体位置根据计算结果而定。

由此可得，本设计的U型可控被动式减摇水舱的输入参数如下：

表2  U型可控被动式减摇舱参数输入

根据经验公式，U型舱边舱宽度B₂，目标海域波浪平均周期为T_θ，确定U型舱底部高度H₂。

                             (7)

                            (8)

T_θ=10s，g取数值9.8，得L_e=49.6m，π取3.14，得=0.86m，考虑到安装时船体结的影响，约亏损0.16m，这里取数值=0.7m。

根据目标最大横倾角得到最大静横倾力矩M_st，确定U型舱总长度。由于横摇角度越大，所需舱长越长，若工作环境较恶劣，可采用多个减摇水舱。

考虑到轻型海工辅助船主要为近海作业，本文采用=5°来进行研究分析。通过以下经验公式计算：

                            (9)

                             (10)

本船的排水量D为10000t，初稳性GM为2.8m，计算得出最大静横倾力矩M_st，其数值约为3346t·m。

进而求出U型舱总长度≈15.4m。位置的最终确定：根据舱室的设计要求，考虑到船体的结构影响及亏损情况，总长度取15m。由表1得，船长为78米，理论上，本减摇舱应布置在船的四分之一处。根据实际情况，避开船里其他设备，且考虑到上层建筑所在位置，避免纵倾加剧，减摇舱布置在距船艏约的18-32米范围处处为减摇舱的布置位置。船的舱室有这几种：减摇水舱号、重油舱、柴油舱、辅助设备舱、机舱等。

具体的位置如下图所示，斜线部分为减摇舱的位置：

图3 减摇舱在船位置上总体示意

图4 减摇舱在船上位置

2 减摇效果评定

计算结果如表3所示。

表3  U型可控被动式减摇舱设计计算结果

由表3可得，它的横摇周期较长，最大横倾角较小，减摇效果好。在海工辅助船上，减摇效果通常以船舶横摇幅值的相对大小来表示。如下公式：

                                   (11)

为不计船舶减摇效果的船舶横摇角，为特征数。它的表示为：

                              (12)

上式中为船舶在静止时水从左舱流向右舱时的船静横倾角。为U型减摇舱内水的惯性作用以及其他影响对船舶横倾的影响。考虑到可控被动式减摇舱气阀的影响，这里的数值取为20%，它的方向与相反。

根据计算，可得：特征数=2.3°，减摇效果达54％。

该U型减摇舱在轻型海工辅助船上适用，稳定性高且符合要求。最终，减摇舱的模型如图5所示：

1-气阀 2-连通器 3-侧边舱 4-双层底

图5 减摇舱的模型

3. 总结 

本文针对轻型海工辅助船，通过对U型可控被动式减摇水舱进行研究分析，根据固有周期的经验估算公式，计算得出减摇舱尺寸的基本参数，并根据实际情况在本船上安装减摇舱。在提高船舶抗摇性以及舒适性的角度上，本设计符合最初理念。

基金项目

广东省科技计划项目（2017B090901032），广州市科技计划项目（No.201704020147），广州市高校创新创业教育项目（2017201201），广东省普通高校工程技术研究（技术开发）中心项目（2016GCZX003）。

参考文献

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[2] 吴建林,邵昱,刘少卿,马婷.U 型减摇水舱模型试验与数值仿真[J].船舶工程，2016,38（6）：42-44.

[3] 于立君，孙经广.综合减摇系统耦合分析方法研究[J].中国造船, 2014(2).

[4] MITRA S,et al. A 3D fully coupled analysis of nonlinear sloshing and ship motion [J].  Ocean Engineering, 2011, 39(1): 1-13.

[5] 钢质海船入级规范第二分册[M]，2016.