朱 航， 游貴標(biāo)， 孫義平， 張春龍， 張先宇

(上海羽翼船舶設(shè)備有限公司， 上海 201612)

減搖鰭在百噸級(jí)漁政船上的應(yīng)用效果分析

朱 航， 游貴標(biāo)， 孫義平， 張春龍， 張先宇

(上海羽翼船舶設(shè)備有限公司， 上海 201612)

百噸級(jí)漁政船沒(méi)有安裝減搖裝置時(shí)在三級(jí)以上海況下會(huì)發(fā)生劇烈橫搖，對(duì)人員以及設(shè)備都會(huì)有嚴(yán)重影響。結(jié)合百噸級(jí)漁政船實(shí)際使用海況，詳細(xì)對(duì)比計(jì)算了有無(wú)減搖裝置時(shí)的橫搖運(yùn)動(dòng)特性，并以安裝減搖鰭裝置為例，指出了減搖鰭裝置應(yīng)如何針對(duì)本船特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算分析表明，安裝合適的減搖鰭后，這類船的橫搖幅值會(huì)顯著減小，通常減搖效果達(dá)60%～80%，能明顯改善船員的生活作業(yè)環(huán)境，提高執(zhí)法出勤率。

漁政船 減搖鰭 陀螺減搖器

1 前言

百噸級(jí)漁政船作為各省市以及海區(qū)漁政管理部門的主力執(zhí)法公務(wù)船，主要執(zhí)法區(qū)域是沿海近海海區(qū)以及內(nèi)河航道，工作海況大都在2～3級(jí)，極少數(shù)在4級(jí)，極端情況下可能達(dá)到5級(jí)。盡管大多數(shù)情況下，工作海況不算太惡劣，但因船的噸位不大，加上船體瘦長(zhǎng)，船的橫搖運(yùn)動(dòng)仍然比較嚴(yán)重。如果沒(méi)有安裝減搖設(shè)備，船員可能感到暈船，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行也會(huì)帶來(lái)不利影響，導(dǎo)致船員和船只的出勤率嚴(yán)重下降。

適合輕小型船只使用的減搖裝置主要有減搖鰭和陀螺減搖器。前者的優(yōu)勢(shì)是按照設(shè)計(jì)航速正常巡航時(shí)減搖效果十分明顯，后者的優(yōu)勢(shì)是可以在任意航速下減搖。本文以某漁政船安裝固定式減搖鰭裝置為例，詳細(xì)分析減搖鰭的應(yīng)用效果。

2 減搖鰭裝置基本工作原理

為減小船的橫向搖擺運(yùn)動(dòng)，必須施加給船一個(gè)穩(wěn)定力矩Mst。該穩(wěn)定力矩應(yīng)與波浪擾動(dòng)力矩相位相反，用于抵消波浪力矩對(duì)船體的作用。減搖鰭就是能對(duì)船有效產(chǎn)生穩(wěn)定力矩的一種裝置。

減搖鰭是裝在船舶左右舭部水線下剖面形狀呈對(duì)稱的流線型水翼。當(dāng)船舶以速度V航行時(shí)，若一舷鰭相對(duì)于來(lái)流速度方向偏轉(zhuǎn)α角度，如圖1(a)所示，則因上下翼面來(lái)流流速之差導(dǎo)致的壓力差在鰭上產(chǎn)生一向上的升力P，升力的值為

(1)

若另一舷的鰭向反方向偏轉(zhuǎn)同樣的角度，則產(chǎn)生一個(gè)向下的升力P，如圖1(b)所示。左右兩舷鰭升力的作用下將對(duì)船形成一個(gè)穩(wěn)定力矩Mst。

(2)

R為鰭升力作用點(diǎn)至橫搖軸線的距離。

圖1 升力及穩(wěn)定力矩

對(duì)于安裝有減搖鰭的船舶，減搖鰭控制系統(tǒng)根據(jù)需要不斷調(diào)整鰭角α的大小和方向，使鰭對(duì)船產(chǎn)生減搖力矩，最大限度地抵消波浪對(duì)船的擾動(dòng)力矩，從而起到穩(wěn)定船舶、減小搖擺的作用。

3 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)

3.1 某例漁政船主要參數(shù)

船長(zhǎng)L： 35.4m；

吃水T：1.90m；

船寬B： 6.2m；

初穩(wěn)心高h(yuǎn)： 0.671m；

排水量D：215.06t；

水線面系數(shù)CWP： 0.734；

方形系數(shù)CB： 0.432；

舭龍骨面積Sb： 17m2；

設(shè)計(jì)航速V： 16kn=8.231m/s；

船舶自搖周期： 6.08s；

海況(三一浪高)ξ1/3：3～5級(jí)海況，0.5～4m。

3.2 減搖前船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)

通常為了計(jì)算簡(jiǎn)便，海浪譜取ITTC單參數(shù)譜[1]，其表達(dá)式如下：

(3)

(4)

以恒定航速在海浪中航行的船舶，通常在某一個(gè)航向上發(fā)生的橫搖最為劇烈。這個(gè)航向稱為共振航向，共振航向角可以由下式計(jì)算：

(5)

式中：ω0為船的自搖頻率。同時(shí)，當(dāng)船舶以一定的航速航行時(shí)，作用在船舶上的干擾力頻率與真實(shí)波浪頻率并不相一致，這種現(xiàn)象叫做多普勒頻移。因此，船舶在共振航向下航行時(shí)的遭遇頻率為

(6)

船舶具有一定的船寬和有限吃水，因而真正作用于船舶的波傾角與波面角并不相等，而是波面角乘以一定的修正系數(shù)，稱之為有效波傾角[2]，有效波傾角譜與波面角譜有如下關(guān)系：

(7)

式中：XB、XT分別為船寬修正系數(shù)和吃水修正系數(shù)，可由有關(guān)資料查得。

由此可以得到未減搖船舶橫搖角譜

(8)

式中：μ為設(shè)計(jì)航速下無(wú)因次橫搖阻尼系數(shù)，根據(jù)有關(guān)資料[3]查得。

未減搖橫搖角的統(tǒng)計(jì)特性與橫搖角譜之間有如下關(guān)系：

(9)

(10)

(11)

由公式(9)、(10)、(11)即可計(jì)算出本船在不同海況下以16kn航速沿著共振航向角航行時(shí)未減搖的橫搖角，如表1所示。

表1 本船在不同海況下未減搖的橫搖狀態(tài)參數(shù)表 單位：(°)

由表1可知，本船在4級(jí)海況下發(fā)生的橫搖搖擺幅值最大，這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)海況下波浪的平均頻率比較接近船舶的自搖頻率而發(fā)生諧搖導(dǎo)致的。隨著海況的增加，波浪的平均頻率向低頻移動(dòng)，偏離船舶的共振頻率，船舶的搖擺增加并不明顯甚至減少。

3.3 減搖后船舶的運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)

減搖鰭工作后，船舶的橫搖角譜如下：

(12)

式中：μs=μ+μ0是減搖鰭工作以后，船舶整體的橫搖阻尼；μ0是減搖鰭工作帶來(lái)的附加阻尼。

根據(jù)橫搖角譜可以計(jì)算得到減搖以后的船舶橫搖角的統(tǒng)計(jì)特性如下:

(13)

(14)

(15)

由此可得本船在不同海況下減搖后的剩余橫搖角以及減搖效果，如表2所示。

表2 本船在不同海況下減搖后的橫搖狀態(tài)參數(shù)表

單位：(°)

4 減搖裝置效能分析

上述計(jì)算是以共振航向角航行狀態(tài)計(jì)算得出的最嚴(yán)重的預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)際航行以共振航向角狀態(tài)航行概率很小，實(shí)際的未減搖橫搖角度和減搖后的剩余橫搖角度都要比計(jì)算值小。由以上對(duì)比分析可以看出，安裝減搖鰭后，本船在通常工作海況下，平均剩余橫搖角能滿足用戶通常提出的小于4°的要求，減搖效果基本在60%～80%之間，能顯著改善船舶的適航性。

將譜分析方法用于船舶運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)計(jì)算，可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，這種方法在近些年已被廣泛應(yīng)用，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)船情況相符很好。本文也采用了該方法，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，可以成為設(shè)計(jì)人員對(duì)減搖設(shè)備進(jìn)行精確選型計(jì)算時(shí)的重要參考。

5 減搖鰭參數(shù)

根據(jù)滿足上述減搖要求的μ0，由下式可以確定所需減搖鰭單鰭的面積[4]：

(16)

式中：k為放大系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)選取，通常取9～14。

根據(jù)以上計(jì)算分析，并結(jié)合鰭在船上布置的實(shí)際情況，可以確定本類漁政船型最合適的鰭的幾何要素如下：

[][]

鰭型：NACA-0015；

展弦比：0.70；

展長(zhǎng)：529 mm；

平均弦長(zhǎng)：756 mm；

鰭面積：0.4 m2；

裝置外形尺寸：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)+鰭：～857×1 364×1 106 mm；

液壓機(jī)組：～900×500×750 mm；

控制箱：～500×600×250 mm；

面板：～226.5×163×36 mm；

裝置總重量：～450 kg；

裝置消耗功率：～5.5 kW。

這種單鰭面積較小的減搖鰭體積較小，重量較輕，所消耗的功率也較小，十分適合安裝于該型號(hào)的漁政船上。盡管國(guó)內(nèi)單鰭面積在0.5 m2及以下的減搖鰭還沒(méi)有實(shí)船安裝的案例，但是在外國(guó)游艇市場(chǎng)這種超小型減搖鰭(最小單鰭面積達(dá)到0.2 m2)應(yīng)用得十分普遍，有幾家甚至對(duì)鰭翼采用非金屬材料利用壓鑄模批量制造。非金屬鰭翼的好處是能顯著改善鰭表面的線型以及光潔度，提高升阻比和美觀度。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以某百噸級(jí)漁政船為例進(jìn)行的詳細(xì)計(jì)算分析可以看出，該船安裝一對(duì)單鰭面積為0.4 m2的減搖鰭后，船的橫搖幅值明顯減小，通常減搖效果達(dá)60%～80%，能顯著改善船員的生活作業(yè)環(huán)境，有利于提高執(zhí)法出勤率。

[1] 陶?qǐng)蛏?船舶耐波性[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1985.

[2] C.H.勃拉哥維新斯基著，魏東升譯.船舶搖擺[M].北京：高等教育出版社，1959.

[3] 金鴻章，姚緒梁. 船舶控制原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

[4] A.H.霍洛季林著，許百春譯.船舶的耐波性和在波浪上的穩(wěn)定措施[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

The Application Effect Analysis of Fin Stabilizer in 100 t Fishery Administration Vessel

ZHU Hang, YOU Gui-biao, SUN Yi-ping, ZHANG Chun-long, ZHANG Xian-yu

(Shanghai Yoyeah Marine Equipment Co., Ltd., Shanghai 201612， China)

100 t fishery administration vessel without stabilizer will shake violently at more than 3 class sea condition, which results in a bad effect to personnel and equipments. This article combines with the actual sea conditions of 100 t fishery administration vessel, contrasts and calculates the rolling motion features of the vessel with stabilizer or not. Taking the vessel with stabilizer as an example, the proper optimized design of stabilizer based on the vessel characteristics are pointed out. The calculation result shows a 60%～80% reduction of the amplitude of roll with suitable fin stabilizer, the living and working environment of sailors are improved, and the rate of attendance is enhanced.

Fishery administration vessel Fin stabizer Gyrostablizer

朱 航(1983-)，男，高級(jí)工程師。

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