尉志源 仲偉東
(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)
海洋工程船U型減搖水艙設(shè)計(jì)
尉志源 仲偉東
(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)
采用經(jīng)驗(yàn)公式及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究U型減搖水艙在初期階段設(shè)計(jì)的過程。首先對(duì)U型減搖水艙的工作機(jī)理、減搖水艙參數(shù)、固有周期進(jìn)行分析,研究U型被動(dòng)可控式減搖水艙的特點(diǎn),然后對(duì)其適用船型、布置位置、設(shè)計(jì)約束條件、效果評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行研究,提出一種對(duì)被動(dòng)可控式減搖水艙的設(shè)計(jì)流程,最后舉例設(shè)計(jì)并驗(yàn)證目標(biāo)船舶的減搖水艙設(shè)計(jì)。
海洋工程船;U型減搖艙;被動(dòng)可控式;橫搖固有周期;設(shè)計(jì)流程
海洋工程船在動(dòng)力定位、系泊狀態(tài)下作業(yè)時(shí)需要良好的耐波性,主要設(shè)計(jì)指標(biāo)是將橫搖角降至合理的范圍。船舶由于自身的橫搖阻尼較小,往往導(dǎo)致橫搖較大,因此,設(shè)計(jì)專門的減搖裝置是改善橫搖性能的重要方法。
減搖裝置可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式減搖裝置依靠本身的動(dòng)力和控制系統(tǒng)使船舶產(chǎn)生穩(wěn)定力矩以減少橫搖;被動(dòng)式減搖裝置本身不具有動(dòng)力,僅根據(jù)使船舶橫搖的風(fēng)浪擾動(dòng)力矩的大小而起作用。
舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙等裝置是常見的船舶減搖裝置。舭龍骨因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜以及良好的減搖效果(減搖20%~30%)等優(yōu)勢(shì)幾乎為海工船必備。減搖鰭作為目前效果最好的減搖裝置(減搖85%~90%),常用于航速較高的軍船。
常規(guī)減搖鰭在船舶零航速下幾乎沒有效果,因此一般不用于海工船舶;非常規(guī)減搖鰭因造價(jià)過高,也不具有工程普遍適用性。減搖水艙由于其適用于系泊和定位零航速狀態(tài),并且價(jià)格適中、減搖效果良好(減搖30%~70%),因此普遍用于對(duì)船舶橫搖有較高需求的海洋工程船[1]。
減搖水艙根據(jù)控制型式不同,主要分為以下三類:
(1)主動(dòng)式減搖水艙。該型式借助水泵或壓縮空氣,根據(jù)橫搖情況,將艙內(nèi)水從一舷打到另外一舷。然而,該型式需要較大動(dòng)力,才能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)左右調(diào)撥艙內(nèi)水,故目前工程很少采用。不過,筆者大膽預(yù)測(cè),未來船舶動(dòng)力充沛,對(duì)船舶橫搖角要求極高,主動(dòng)式水艙或?qū)⒊蔀榉€(wěn)定船舶橫搖的主要設(shè)施。
(2)被動(dòng)式減搖水艙。該型式本身沒有動(dòng)力和控制系統(tǒng),主要包括U形減搖水艙和自由液面減搖水艙兩種。
(3)被動(dòng)可控式減搖水艙。該型式通常在U型被動(dòng)式減搖水艙的基礎(chǔ)上,在兩邊艙頂部或是空氣通道上安裝氣閥,利用控制氣閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)水艙內(nèi)液體流動(dòng)的控制,使水艙中的液體始終保持在船舶向上運(yùn)動(dòng)的一側(cè)水艙內(nèi)。[2]
在概念或方案設(shè)計(jì)時(shí),通常需要總體專業(yè)確定減搖水艙的基本尺寸。本文研究的重點(diǎn)是如何能在缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)且計(jì)算軟件不成熟的情況下,快速有效地確定設(shè)計(jì)方案。
1.1 U型被動(dòng)式減搖水艙工作機(jī)理
被動(dòng)式減搖水艙是根據(jù)“雙共振”的原理進(jìn)行設(shè)計(jì),即減搖水艙水流振蕩的周期與船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的周期相等。在船舶諧搖時(shí),波浪與船舶橫搖之間以及船舶橫搖和水艙內(nèi)水流振蕩之間發(fā)生雙重共振現(xiàn)象,使水艙內(nèi)水流振蕩對(duì)船體產(chǎn)生的力矩與波浪對(duì)船體產(chǎn)生擾動(dòng)力矩的相位相反,從而達(dá)到被動(dòng)式減搖水艙的減搖效果。即:
式中:TB為波浪周期,s;Tθ為船舶橫搖固有周期,s;Tw為減搖水艙內(nèi)水的振蕩周期,s。
圖1為U型被動(dòng)式減搖水艙的工作機(jī)理圖。
圖1 U型被動(dòng)式減搖水艙原理及相位圖
圖1表明,被動(dòng)式減搖水艙是利用滯后船舶橫搖相位90°來達(dá)到減搖效果。該方法優(yōu)點(diǎn)是不需要船舶內(nèi)部動(dòng)力,完全利用波浪能量,因此費(fèi)用低且操作簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是不能針對(duì)各裝載狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)水艙水量,也不能應(yīng)對(duì)不同海況條件下不斷變化的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此當(dāng)船舶自身橫搖周期發(fā)生變化時(shí),將導(dǎo)致被動(dòng)式減搖水艙的橫搖頻率與船舶橫搖的頻率相差較大,減搖效果明顯降低,甚至?xí)箼M搖加劇。
1.2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙工作機(jī)理
被動(dòng)可控式減搖水艙仍然根據(jù)共振的原理進(jìn)行設(shè)計(jì),但通過增加氣閥的設(shè)置,使減搖水艙一側(cè)的水量始終保持較高水平。這樣不僅能夠應(yīng)對(duì)經(jīng)常變化的外部波浪條件,而且能夠防止橫搖加劇,提高可靠性。同時(shí),氣閥可以有效調(diào)節(jié)阻尼,使減搖水艙流速得到一定的控制。圖2為U型被動(dòng)可控式減搖水艙的工作機(jī)理圖。
圖2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙原理及相位圖
圖2表明:在相位2至相位4以及相位6至相位8時(shí),減搖氣閥處于關(guān)閉狀態(tài);在相位4至相位6時(shí),減搖氣閥處于打開狀態(tài)。相位2至相位4段以及相位6至相位8段表明被動(dòng)可控式減搖水艙內(nèi)水的振蕩波形被改變,延長(zhǎng)了峰值覆蓋范圍,因此適用于更大范圍的船舶橫搖周期。
U型被動(dòng)可控式減搖水艙設(shè)計(jì)主要遵循兩個(gè)原則:一是U型減搖水艙的自搖周期與船舶橫搖周期匹配;二是U型被動(dòng)可控式減搖水艙內(nèi)部的阻尼能保證減搖水艙在合適時(shí)間內(nèi)左右流動(dòng),即在相位4至相位6段能夠快速流動(dòng)。阻尼太小,會(huì)使減搖艙內(nèi)水流速度太快,并引發(fā)撞擊頂部及晃蕩所造成的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn);阻尼太大,會(huì)使減搖艙內(nèi)水流速度過慢,從而不能最大程度體現(xiàn)減搖效果。U型減搖水艙阻尼大小主要受U型艙內(nèi)通道尺寸與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式的影響,這往往需要反復(fù)試驗(yàn)才能獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。U型被動(dòng)可控式減搖水艙更受限于氣閥調(diào)節(jié)的能力,而該控制方法涉及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),故在此不作深入論述。本文注重分析周期匹配性,研究如何在總體設(shè)計(jì)初期確定U型被動(dòng)可控式減搖水艙的尺度。
2.1 橫搖固有周期
被動(dòng)式減搖水艙采用雙共振的原理進(jìn)行設(shè)計(jì),選取水艙的固有周期與船舶橫搖固有周期相等。U型被動(dòng)可控式減搖水艙由于氣閥的控制作用,其固有周期往往小于船舶。因此在設(shè)計(jì)U型減搖水艙的固有周期時(shí),不能按照船舶固有橫搖周期來設(shè)計(jì),一般應(yīng)選取接近船舶可以安全作業(yè)的海況進(jìn)行設(shè)計(jì),即服務(wù)處所海浪的平均周期。圖3為 U型減搖水艙的典型橫剖面圖。
圖3 U型減搖水艙典型橫剖面圖
其固有周期可以用式(2)表示:
Le為水艙的特征長(zhǎng)度,經(jīng)驗(yàn)公式分為以下幾種:
常用公式[3]:
羅布公式:
渡邊公式:
交大經(jīng)驗(yàn)公式[4]:
以上三種經(jīng)驗(yàn)公式均表明U型減搖水艙的固有周期主要受到B2和H2的影響。三種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差不大,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),本文取交大經(jīng)驗(yàn)公式作為計(jì)算值。
2.2 設(shè)計(jì)原則
2.2.1 適用船型
U型減搖水艙適用于船寬較大、穩(wěn)性有一定余量的工程船舶,一般對(duì)于為0.03~0.18的船舶較為適用,而對(duì)方形系數(shù)較小、線型為“V形”的船舶則不宜使用。[1]
2.2.2 水艙位置
U型減搖水艙在設(shè)計(jì)階段時(shí),首先需要確定減搖水艙在船舶的布置位置。橫向位置上為得到最大的傾斜力矩,減搖水艙的總寬度一般與船寬相等,減搖水艙的邊艙寬度一般與船舶舷側(cè)的壓載艙等寬??v向位置上既要考慮平衡船舶的縱向浮態(tài),又要避免產(chǎn)生過大的首搖,所以一般布置于船舯1/3艙段內(nèi)較為適宜。在垂向位置上,隨著垂直位置不斷增加,由于艙內(nèi)壓載水的慣性作用,水艙的減搖效果不斷提高,但考慮到對(duì)船舶重心的影響及布置受限,一般將水艙布置在船舶重心高度附近。本文考慮減搖水艙布置在船舶重心附近的計(jì)算案例。
2.2.3 約束條件
U型減搖水艙的水量一般不超過船舶4%排水量,在工程船上一般不超過5%。
為保證U型水艙的水不沖擊艙頂部且不產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲,液位高度T1一般低于60%邊艙高度H3,本文設(shè)計(jì)中取50%。
由于U型減搖水艙的自由液面影響,穩(wěn)性高應(yīng)該滿足船舶規(guī)范的要求。
2.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)
U型減搖水艙的效果一般用特征數(shù)和減搖效果表示。
特征數(shù)[4]:
式中:φs為船舶在靜水中U型減搖水艙從一舷移至另外一舷時(shí)的船舶靜橫傾角;φd為U型減搖水艙內(nèi)水的慣性作用或其他影響(氣閥控制)對(duì)船舶橫傾角的影響,一般為φs的20%~30%,方向與φs相反。本文考慮被動(dòng)可控式減搖水艙的氣閥控制影響,該高度位置位于船舶重心以下,φd取20%φs,即:
φs的設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為3°~ 4°,φCH的設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為2°~ 3°,根據(jù)每條船的不同設(shè)計(jì)要求而取不同值。
減搖效果:工程上,減搖效果通常以船舶橫搖角度幅值的相對(duì)減小值來表示,即:。其中φB為不計(jì)減搖效果的船舶橫搖角(注意與供應(yīng)商所采用的減搖效率進(jìn)行區(qū)別)。本文以作為減搖效果的評(píng)估值。
2.3 設(shè)計(jì)過程
2.3.1 輸入條件
設(shè)計(jì)U型減搖水艙時(shí),目標(biāo)船舶的基本參數(shù)往往已經(jīng)初步確定。以假定某目標(biāo)船為例,表1為該船參數(shù)輸入。
表1 船舶參數(shù)輸入
根據(jù)本文2.2.2節(jié)的分析,一般U型減搖水艙的寬度B1與船寬B相等,U型減搖水艙的總高度H1和U型艙邊艙寬度B2在設(shè)計(jì)初期基本確定。因此,U型艙總寬度B1、U型艙總高度H1、U型艙邊艙寬度B2可作為輸入條件,如表2所示。
表2 U型被動(dòng)可控式減搖水艙參數(shù)輸入m
2.3.2 設(shè)計(jì)流程
第一步:
根據(jù)U型艙總高度H1,確定U型艙邊艙液位高T1,本文取T1=H1×0.4。
第二步:
根據(jù)U型艙邊艙寬度B2,目標(biāo)海域波浪平均周期Tθ,確定U型艙底部通道高度H2。
第三步:
根據(jù)目標(biāo)最大靜橫傾角φs得到最大靜橫傾力矩Mst,確定U型艙總長(zhǎng)度L1。本文取φB為2.5°、3°、3.5°和4°共四個(gè)值來進(jìn)行分析判斷。[3]
2.3.3 結(jié)果分析
根據(jù)表3分析結(jié)果,考慮U型底部通道受到縱向結(jié)構(gòu)件的影響,約損失0.15 m,U型艙底部通道高度H2取整為1.4 m;再考慮減搖水艙內(nèi)總裝水量不宜過大,并按照肋位整數(shù)檔及布置限制條件,故U型艙總長(zhǎng)度L1取13.2 m。
表3 計(jì)算結(jié)果
2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
根據(jù)表4驗(yàn)證結(jié)果可知,該U型減搖水艙特征數(shù)為2.29°,減搖效果可達(dá)50.9%。U型被動(dòng)可控式減搖水艙的固有周期與目標(biāo)海域波浪平均周期較為接近,穩(wěn)性高且滿足設(shè)計(jì)要求。
表4 U型減搖水艙參數(shù)驗(yàn)證
本文通過分析U型減搖水艙的工作機(jī)理(尤其是海洋工程船U型被動(dòng)可控式減搖水艙的工作機(jī)理),根據(jù)固有周期的經(jīng)驗(yàn)估算公式,得到一種在總體設(shè)計(jì)初期階段時(shí)確定U型水艙的布置及參數(shù)的方法,以供設(shè)計(jì)者參考:
(1)U型減搖水艙的固有周期與U型艙的橫剖面參數(shù)有關(guān),與U型減搖水艙的總長(zhǎng)無關(guān),其中底部通道的高度及邊艙的寬度影響較為敏感。
(2)由于U型艙底部通道較長(zhǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)雜,故不同方案的U型水艙阻尼均難以準(zhǔn)確計(jì)算。動(dòng)橫傾角與阻尼也息息相關(guān),目前最有效的方法是試驗(yàn)驗(yàn)證。
(3)U型減搖水艙在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)注意結(jié)構(gòu)縱向構(gòu)件對(duì)底部通道的高度影響,設(shè)計(jì)中保留一定余量,同時(shí)應(yīng)考慮U型橫剖面型式在實(shí)際應(yīng)用中存在多樣性而帶來的影響[5]。
(4)本文有些系數(shù)選擇采用經(jīng)驗(yàn)值,工程人員在參考時(shí)還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。
另外,本文對(duì)于部分問題論述較為粗淺,歡迎批評(píng)指正。
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Design of U-shaped anti-rolling tank for offshore construction vessels
WEI Zhi-yuan ZHONG Wei-dong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)
This paper investigates the initial design stage of the U-shaped anti-rolling tank by the empirical formula combined with the design experience.Firstly, the operation principle, anti-rolling parameter and natural period of the U-shaped anti-rolling tank are analyzed.Then, the suitable hull form, arrangement location, design constraint and effect evaluation are studied for the design process for a passively controlled anti-rolling tank.Finally, an anti-rolling tank of the target ship is designed for the validation.
offshore construction vessel (OCV); U-shaped anti-rolling tank; passively controlled; rolling natural period; design process
U661.32
A
1001-9855(2016)06-0006-06
2016-06-16;
2016-06-30
尉志源(1988-),男,工程師,研究方向:船舶總體設(shè)計(jì)。仲偉東(1979-),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:船舶總體設(shè)計(jì)。
10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.006