关于大型航标船加装减摇装置的可行性分析及设备选型探讨

摘 要：本文从船舶在风浪作用下的运动形式入手，介绍了船舶减摇装置的作用、分类和发展。并通过对舭龙骨、收放式减摇鳍、非收放式减摇鳍、被动式减摇水舱、可控式减摇水舱几种主要的减摇装置的性能和适用性的对比，结合海巡172船的实际情况，对减摇装置的选型进行了阐述。

关键词：航标船 减摇装置 设备选型

1.绪论

1. 1船舶在风浪作用下的运动形式

船舶在海上航行时，受到波浪的作用，船舶产生摇摆，可分解为6个自由度的运动，即横摇、艏摇、纵摇和横荡、纵荡和垂荡。通常所说的减摇，除非特别说明外都是针对横摇运动而言。

在波浪的作用下，作为刚体的船舶绕x轴的转动称为横摇。横摇是船的固有运动特性，船舶在波浪中横摇所受的力矩可以看成船舶在静水中横摇所受的力矩加上波浪对正浮状态船体的扰动力矩。它是波浪对船体的外力矩（波浪扰动力矩）和船体的内在力矩（复原力矩）共同作用的结果。

1.2海巡172船基本情况

广州航标处海巡172船建造时间为1998年，航区近年由近海航区升级为远海航区，其基本参数列表如下（表1）：

目前，海巡172船除了肩负广州航标处辖区内的航标维护调换，还肩负南海海区其他六个航标处的航标大保养任务，另外还需要进行日趋常态化的南海巡航以及频繁参与配合西沙、南沙航标处的航标建设。对该船的性能都提出了更高的要求，因此，我们开始探讨在海巡172船加装减摇装置的问题。

2.本论

2. 1船舶减摇装置的作用、分类和比较

船舶减摇装置基本上分为舭龙骨，减摇水舱，减摇鳍等几大类，其中减摇水舱又可以分为被动式减摇水舱和可控式减摇水舱，减摇鳍又可以分为收放式减摇鳍和非收放式减摇鳍。

其所能产生的作用主要有以下几个方面：①船舶横摇角幅值减小，横摇运动减缓；②改善船舶适航性；包括摇摆平稳性、方向操作性等；③提高船舶抗风浪能力，增加航行安全性；④提高船舶在波浪中航行的航速，保证航期准点；⑤改善船上人员的工作和生活条件，提高舒适性和作业效率；⑥改善船上设备和系统的运行条件，有利于提高其工作可靠性和延长其使用寿命；⑦为船舶特殊作业（直升飞机起降，海上补给、医疗急救手术、航天观测及武备定位跟踪等）提供保障条件。

下面列表对各种减摇装置的性能和优劣加以比较（表2）。

从上表可知：减摇鳍和减摇水舱是用于减摇最有效的装置，其中减摇鳍在航速越高时，减摇效果越好，而减摇水舱在低航速时减摇效果理想。

2.2结合实船情况对减摇装置进行选型

根据以上对减摇装置的比较，结合海巡172船的实际情况，可以得出以下分析：①海巡172已设置了舭龙骨，舭龙骨面积为20.5m2，从舭龙骨的结构强度考虑，该舭龙骨已无法继续增大。②海巡172设计航速约为14kn，现实船巡航航速约为12kn，航速中等。在进行吊标起重作业时，作业航速约为2～3节，属于低航速状态。此状态采用减摇水舱的减摇效果较好。但本船的起重作业稳性，要求在以下限制条件下进行起重作业：应在蒲氏风级不超过5级，有义波高不超过1m的海况海域条件下进行起重作业。起吊荷重为10t，跨距为8m。实船在起重作业时，船舶横倾角度能达到15度左右，如采用减摇水舱，其稳性会变差，横倾角度会加大，影响船舶安全。③设计减摇水舱需要改装一组压载水舱，减少了压载水重量，其稳性会变差，起重作业限制条件要求加高，降低实船作业能力。④由于海巡172船要频繁进行航标作业，非收放式减摇鳍可能会影响到航标作业。

根据以上分析，应选择一对收放式减摇鳍作为海巡172船的减摇装置。

2.3减摇鳍的原理及鳍面积计算

减摇鳍采用主动控制方式来减小船的横摇，是船舶工程与自动控制相结合的产物。根据测量装置获得船的摇摆运动信息，控制器给出转鳍指令信号，使鳍翻转到一定的角度，产生一个扶正力矩，从而抵消海浪对船的干扰力矩，达到稳定船体姿态的目的。

无论哪一种形式的减摇鳍，最终产生减摇效果的都是装于船的两舷、并于水线下一定深度处的横剖面为机翼型的鳍。当船舶以航速V前进时，在每个鳍上分别产生升力 ，该升力 与鳍面积，鳍攻角以及速度的平方成正比。如果使左右两鳍在控制系统的控制下产生相等但方向相反的鳍角，则在两个鳍上的升力 将大小相等方向相反。该升力 对于船舶重心G将产生一力矩。当此力矩的变化规律符合一定的关系时，则该力矩就是船舶减摇力矩。

考虑到船舶在不规则波中的横摇情况，减摇装置的效果可以用减摇前和减摇后的三一横摇幅值的比值来表示，称为减摇比。即

L―船舶横摇轴线至鳍升力作用点间的垂直距离，m。

依据海巡172船的船舶参数，在三一浪高约为3.25m海况下，该船以12kn航速航行时，启动减摇装置后，减摇以后平均剩余横摇角小于3.5°，则需采用单鳍面积为3.0m2的一对收放式减摇鳍。在三一浪高约为3.25m海况下，该船以10kn航速航行时，启动减摇装置后，减摇以后平均剩余横摇角小于4.5°

3.结论

根据上述讨论，可以得出以下的结论：①海巡172船因船型、满足航速等因素，其横摇角普遍较大，又因为要进行日趋常态化的南海巡航及频繁参与西南沙航标建设，故有必要探讨加装减摇装置减小其横摇角，保障船舶航行安全性，设备运行平稳性以及人员舒适性；②海巡172船已设置了舭龙骨，在减摇鳍与减摇水舱中，经过论证，选择减摇鳍作为合适的减摇装置；③考虑海巡172船航标作业的特殊性，在收放式减摇鳍和非收放式减摇鳍中选择收放式减摇鳍。④根据减摇鳍其面积计算公式，代入海巡172船参数，计算出在三一浪高约为3.25m海况下，该船以12kn航速航行时，要达到减摇以后平均剩余横摇角小于3.5°，则需采用单鳍面积为3.0m2的一对减摇鳍。

4.讨论

减摇鳍作为最常用的船舶减摇装置同样存在一系列的缺点，是我们应用过程需要注意的：①减摇鳍有一个较大的缺点，鳍所产生的用来减摇的力矩跟航速平方成正比，所以在低速情况下减摇效果很差，零航速时没有减摇效果。②虽然在风浪中由于减摇鳍改善了船舶的耐波性，增加了船舶适航性，相对而言提高了船的航速，但在静水中由于伸在船外的鳍相当于船舶附体（尤其对于非收放式减摇鳍），实际上会造成一定的静水航速损失。③减摇鳍鳍翼在高速情况下会产生空泡现象，降低了鳍的效率，并引起鳍体的空蚀。

参考文献：

[1]中国船级社.国内航行海船建造规范（2006）及相关最新修改通报.

[2]中国船级社.国内航行海船入级规则（2006）及相关最新修改通报.

[3]中国海事局.国内航行海船法定检验技术规则（2011）.

[4]洪超，陈莹霞.船舶减摇技术现状及发展趋势.

[5]刘胜，姚波.船舶减摇鳍系统最小方差控制.