周亞蘭

摘要：船舶橫搖對(duì)船舶的安全和舒適性影響很大，通過不同的方式來減輕船舶橫搖對(duì)船舶的影響是船舶設(shè)計(jì)者一直考慮的問題。被動(dòng)可控式減搖水艙，因其減搖效果顯著、清潔節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)正被廣泛應(yīng)用在各類船舶上。

關(guān)鍵詞：減搖裝置 減搖鰭 減搖水艙 被動(dòng)可控式減搖水艙

1 減搖技術(shù)概要

1.1 概述

在種類繁多的減搖裝置中，目前最常用的有舭龍骨、減搖鰭以及減搖水艙。舭龍骨由于其良好的減搖性能、建造成本低以及對(duì)船舶航速影響小等優(yōu)點(diǎn)，幾乎已成為海船必備的裝置。而具有可控性質(zhì)的減搖鰭和減搖水艙一直是減搖技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)以及流體力學(xué)的發(fā)展，這兩種減搖裝置均取得了突破性的進(jìn)展，減搖性能不斷提高。

1.2 減搖鰭的應(yīng)用

減搖鰭是最常用的主動(dòng)式減搖裝置之一，基于機(jī)翼理論設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)減搖鰭在與流體有較高的相對(duì)速度時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的升力，所以當(dāng)船舶在中高航速行駛時(shí)，傳統(tǒng)減搖鰭會(huì)取得70%以上的減搖效果。但是由于其升力產(chǎn)生原理限制，當(dāng)船舶行駛在低航速或零航速情況下，傳統(tǒng)減搖鰭幾乎沒有減搖效果。

為了使船舶在各種航速下均有很好的減搖效果，近年來，零航速減搖鰭得到了充分的重視和發(fā)展，這種減搖鰭的運(yùn)動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)減搖鰭有很大不同，利用新的運(yùn)動(dòng)機(jī)理使得翼面在零航速也可產(chǎn)生對(duì)抗海浪干擾力矩的升力，國外已有少數(shù)船只應(yīng)用的實(shí)例。但這種零航速減搖裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和保養(yǎng)的成本都很高，還有許多問題需做進(jìn)一步的改進(jìn)和研究。

1.3 減搖水艙的研究和應(yīng)用

減搖水艙作為一種全航速下的減搖裝置，不僅在各種船舶航速下均有減搖效果，適用于集裝箱船、輪渡、滾裝船、海洋工程船、科學(xué)考察船等。另外，減搖水艙具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、便于保養(yǎng)維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，這使得減搖水艙被越來越多的船東所接受，市場(chǎng)前景看好。

2 減搖水艙的分類

減搖水艙按照其控制特點(diǎn)可分為主動(dòng)式減搖水艙、被動(dòng)式減搖水艙和可控被動(dòng)式減搖水艙等三種類型。主動(dòng)式減搖水艙具有減搖效果高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)較高，而且功率消耗非常大，經(jīng)濟(jì)性較低，因此已經(jīng)很少被使用。被動(dòng)式減搖水艙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)“雙共振”原理進(jìn)行工作，在船舶的諧搖頻率范圍內(nèi)具有良好的減搖效果，但其減搖頻率范圍較小，在低頻和高頻范圍內(nèi)甚至可能產(chǎn)生增搖效果。

對(duì)被動(dòng)式減搖水艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及位置的合理布置成為提高被動(dòng)式減搖水艙性能的關(guān)鍵?？煽乇粍?dòng)式減搖水艙是對(duì)被動(dòng)式減搖水艙的一個(gè)重要改進(jìn)，充分利用水艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過少量能量控制水艙頂部氣體連通道或底部液體連通道的開口，實(shí)現(xiàn)對(duì)水艙內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)的控制，避免了在因減搖水艙不可控對(duì)船舶產(chǎn)生的不利影響。

3 減搖水艙的工作原理

當(dāng)船的固有橫搖周期和波浪遭遇周期相同時(shí)，船的橫搖角度最大。這個(gè)原理和以下例子相同：假如在一艘小船上，船上的人員比船的橫搖周期早一拍左右移動(dòng)幾次，船的橫搖將會(huì)加劇。相反，如果船上的人員比船的橫搖周期晚一拍左右移動(dòng)幾次，船的橫搖將會(huì)變緩?？煽乇粍?dòng)式減搖水艙工作原理就是把上述的船上人員換作液體，巧妙地利用這種液體流動(dòng)的時(shí)間和力矩，來減輕船的搖動(dòng)。

船的一次橫搖周期用360°角度來表示時(shí)，船的搖動(dòng)起始點(diǎn)總是比波浪遭遇點(diǎn)滯后90°的角度，這種現(xiàn)象的反復(fù)出現(xiàn)會(huì)加劇船的橫搖。如果減搖水艙中液體的固有周期和船的橫搖周期相同的話，減搖水艙中液體的移動(dòng)起始點(diǎn)將一直比船的搖動(dòng)起始點(diǎn)滯后90°的角度。這就意味著減搖水艙中的液體移動(dòng)起始點(diǎn)總是比引起船舶橫搖的波浪起始點(diǎn)滯后180°角度。

因此，減搖水艙中的液體移動(dòng)力矩和波浪力矩總是相反，互相抵消，所以船舶橫搖得以減緩。如圖1和圖2所示。

4 可控被動(dòng)式減搖水艙的控制方式

可控被動(dòng)式減搖水艙的最關(guān)鍵技術(shù)在于周期的調(diào)節(jié)，如何將減搖水艙的周期調(diào)至與船舶橫搖周期一致是減搖水艙設(shè)計(jì)成敗的決定因素，如果這兩個(gè)周期不一致，減搖水艙的減搖效果很差，甚至還會(huì)產(chǎn)生增搖。目前，可控被動(dòng)式減搖水艙的周期調(diào)節(jié)方式主要有兩種：一種是氣道控制式，另一種是水道控制式。

德國的產(chǎn)品一般采用氣道控制式，它是通過水艙頂部空氣道控制水艙內(nèi)可壓縮性氣體的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)間接對(duì)艙內(nèi)液體流動(dòng)的控制。這種水艙利用自動(dòng)控制系統(tǒng)通過氣閥的啟閉來調(diào)節(jié)艙內(nèi)液體的振蕩周期，以適應(yīng)船舶橫搖周期的變化。閥門的控制作用相當(dāng)于自動(dòng)延長(zhǎng)了艙中水流的振蕩周期，從而使水艙能在更寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行有效減搖。這種控制方式也有其弊端：一是由于氣體具有可壓縮性，很難做到精準(zhǔn)控制；二是由于氣閥在一個(gè)橫搖周期內(nèi)要啟閉兩次，所消耗的功率相對(duì)較大，閥的磨損也比較厲害，維護(hù)保養(yǎng)成本相對(duì)較高。

水道控制式是通過改變?cè)O(shè)置在底部液體通道中擋板的位置來改變液體通道的面積，從而改變減搖水艙的固有周期。水道控制式減搖水艙具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是液體沒有壓縮性，可以做到精準(zhǔn)控制；二是水道式只需要對(duì)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，所需能量非常小，擋板的開合沒有空氣閥那么頻繁，設(shè)備的磨損也非常小，維護(hù)保養(yǎng)成本很低。

5 被動(dòng)可控式減搖水艙在船舶中的應(yīng)用

被動(dòng)可控式減搖水艙廣泛應(yīng)用于各類船舶中，目前應(yīng)用最多的是救助船，海監(jiān)船，引航船，航標(biāo)船，醫(yī)療船，科學(xué)考察船，破冰船等。這些類型的船舶由于其使用的特殊性，低航速或者拋錨執(zhí)勤的時(shí)間相對(duì)比較多，對(duì)船舶橫搖的程度對(duì)船舶的安全操作很重要。

一般減搖水艙的減搖效果設(shè)計(jì)時(shí)都以達(dá)到40%～60%為目標(biāo)。但減搖水艙的減搖效果跟減搖水艙在船上布置的位置，減搖水艙的大小，船舶橫搖周期和減搖水艙的周期的匹配都有直接的關(guān)系。同樣的減搖水艙的大小，布置的位置越高，則減搖效率就越高。如果船舶的橫搖周期和減搖水艙的橫搖周期不匹配，則位置布置得再高，減搖水艙再大，則減搖效果都不會(huì)理想。減搖水艙的水量越大，則減搖力矩就越大，減搖效果越好。

減搖水艙的布置往往受到船舶總體布置的限制，船舶滿載排水量的限制，減搖水艙的水量達(dá)不到所要求的減搖力矩的大小，這樣就無法達(dá)到預(yù)計(jì)要求的60%的減搖效果。

不同的船型對(duì)減搖方式的要求也不一樣。有些船會(huì)同時(shí)設(shè)置減搖鰭和減搖水艙，主要是針對(duì)不同的使用情況。如某型救助船，在高航速航行時(shí)使用減搖鰭，在執(zhí)勤時(shí)一般處于拋錨或者低航速航行，這時(shí)使用減搖水艙，充分利用兩種減搖方式的長(zhǎng)處。

6 減搖效果的確認(rèn)

減搖水艙的減搖效果的確認(rèn)，一般先進(jìn)行理論計(jì)算，得到一個(gè)大概的估算。再根據(jù)模型試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，模型試驗(yàn)會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)曲線，最后再通過海上試航結(jié)果進(jìn)行再次確認(rèn)。

圖3、圖4所示為在不同的波浪條件下得到的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

從模型試驗(yàn)中得出減搖效果為40%以上。

圖5為海上試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)。

通過模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和海上試航的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可得到最后準(zhǔn)確的減搖效率數(shù)據(jù)。

7 結(jié)束語

被動(dòng)可控式減搖水艙做為一種清潔節(jié)能的減搖方式，減搖效果明顯。這種方式耗能較低，碳排放也很低，這正好切合的當(dāng)前節(jié)能減排的造船大環(huán)境，正被國內(nèi)外船東所接受。