海工辅助船可控被动式减摇水舱设计

唐伟炜，刘子晴，陈爱国，盘茂燕

（广州航海学院，广东 广州 510725）

0 引 言

当前船舶普遍采用钢质船壳，横摇阻尼较小，在海上航行或作业时容易产生巨大的横摇运动。

海工辅助船既可为海洋平台提供起重作业、直升机停靠、干散货输运、海上居住和对外消防等服务，又能为其供应钻井水、燃油和淡水等物资。由于作业的特殊性和工作环境的复杂性，海工辅助船对抗横摇性能的要求相比其他船型更高。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，并对该系统的减摇效果加以说明。

1 海工辅助船减摇系统设计

该海工辅助船的舱室按用途的不同分为机舱、锚链舱、油舱、淡水舱、压载舱、隔离舱和货舱等。与其他普通船舶不同的是，该海工辅助船的设计更加人性化，强调舒适性，其基本参数见表1。

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

该海工辅助船的主要功能是向深海钻井平台提供淡水、燃油和其他生活物资，辅助海工船完成海上作业。从经济性的角度考虑，主动式减摇舱的成本较高，为使减摇效果满足要求，根据该海工辅助船的结构特点，选取U型可控被动式水舱作为基本模型。被动式减摇水舱通常采用“双共振”原理设计，在谐摇区内横摇情况较为严重。当船舶出现横摇运动时，水舱内的水左右移动产生力矩，该力矩能抵抗波浪的扰动力矩，从而减缓船舶的横摇运动，达到横向减摇的效果。

根据“双共振”原理，可控被动式减摇水舱通过气阀控制水流速度，减摇水舱内水流的振荡周期与船舶横摇运动周期相同[1]，即

式(1)中：Tβ、Tθ和Tω分别为海上的波浪周期、船舶横摇固有周期和减摇水舱内水流的振荡周期。

具体地，航行中的船舶在受到波浪的扰动时，其两侧的减摇水舱会形成水位差，从而产生力矩以抵抗横摇。由于惯性的作用，减摇水舱内的水会向倾斜一侧流动；当波浪开始扰动时，减摇水舱内的水又开始向另一侧流动。图1为U型被动式减摇水舱原理及相位图，由于有相位差，减摇水舱内的水要到船舶横倾达到一定的角度之后才开始运动。

与此同时，减摇水舱要通过增设气阀来使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，更能有效防止横摇振荡加剧，提高其可靠性。此外，气阀可调节阻尼，使减摇水舱内水流的速度得到限制。

图1 U型被动式减摇水舱原理及相位图

综上所述，U型可控被动式减摇水舱的设计要遵循2个原则，即：减摇水舱的减摇周期与船舶的横摇周期相匹配；减摇水舱的内部阻尼需保证减摇水舱内的水能在合适的时间内左右流动（若阻尼太小，会使减摇水舱内水流的速度过快；若阻尼太大，会使减摇水舱内水流的速度过小）。然而，决定U型减摇水舱阻尼的是U型减摇水舱通道的尺寸及其内部的结构，只有经过反复试验才能求得准确的数据。

1.2 约束条件

1) 根据经验，减摇水舱内水的总质量占排水量的1%～2%，且不能为空。船舶在航行过程中，其减摇水舱的振荡固有周期是有大幅度变化的。

2) 为防止减摇水舱内的水不冲击舱顶及避免水在运动过程中带来严重的噪声，保证舱内的水可在纵向自由移动。减摇水舱的高度须大于水深的1.7倍。

3) 为达到限制减摇水舱自由液面面积的目的，通常规定减摇水舱内自由液面的稳性损失小于 25%初稳性高。

减摇水舱在船上的布置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 水舱形状和尺寸的计算

图2为U型可控被动式减摇水舱横剖面图，由于气阀的作用，其振荡固有周期往往小于船舶横摇固有周期[2]。因此，在设计U型可控被动式减摇水舱的振荡固有周期时，不能按照船舶的横摇固有周期来设置，一般取接近船舶可安全作业的海况（即服务海域海浪的周期）进行设计。

减摇水舱的振荡固有周期可表示为

式(2)中：Le为减摇水舱的特征长度，其经验公式如下。

图2 U型可控被动式减摇水舱横剖面图

式(3)～式(6)中：T1为减摇水舱的液位高；T2为高出连接通道的液位差；H2为连接通道的高度；B1为减摇水舱边舱总宽度；B2为减摇水舱的宽度。

由此可知，U型减摇水舱的振荡固有周期受水舱宽度B2和连接通道高度H2的影响。在一定的范围内，水舱的各项尺寸和水量决定着水舱的振荡固有周期，其中水量对水舱振荡固有周期的影响比较小。换言之，水舱的尺度确定之后，其振荡周期即基本确定[3]。但实际上，船舶在航行过程中由于油水损耗，其横摇固有周期时刻在变化。因此，为达到预期的减摇效果，水量应该适中。

采用以上3种经验公式计算所得结果相差不大，本文采用式(5)进行计算。

1.4 水舱位置的初步确定

在设计U型减摇水舱时，首先要确定其在船上的位置。在横向位置上，为得到最大的斜倾力矩，减摇水舱的边舱总宽度B1一般与船宽相等，减摇水舱的边舱宽度一般与舷侧压载舱的宽度相等[4]。在纵向位置上，既要考虑船舶的纵向浮态，又要避免产生过大的艏摇，故布置在舯部 1/4舱位置处比较合适[5]。在垂向位置上，理论上减摇水舱布置得越高，其减摇效果越佳。在以往的设计中，考虑到布置和结构条件，减摇水舱往往会布置得偏低一些，例如略低于重心高度，这时减摇水舱的减摇效果不会严重受损。

根据实际需要，为增强减摇效果，本文将减摇水舱设计在舯部位置处，具体位置根据计算结果而定。由此可得U型可控被动式减摇水舱的输入参数见表2。

表2 U型可控被动式减摇水舱的输入参数 单位：m

根据经验公式，U型减摇水舱边舱宽度B2、目标海域波浪平均周期Tθ和U型减摇水舱底部连接通道的高度H2满足关系式

式(7)和式(8)中：Le为水舱的特征长度；g为重力加速度；Tθ为船舶横摇固有周期；π为圆周率；T2为高出连接通道的液位差；H2为连接通道的高度；B1为减摇水舱边舱总宽度；B2为减摇水舱宽度。Tθ=10s，g取9.8m/s，得Le=49.6m；π取3.14，得H2=0.86m。考虑到安装时船体结构的影响，H2约亏损0.16m，这里取H2=0.7m。

根据目标最大横倾角sφ得到最大静横倾力矩Mst，确定U型减摇水舱总长度L1。由于横摇角度越大，所需舱长越长，若工作环境较为恶劣，可采用多个减摇水舱。

考虑到轻型海工辅助船主要在近海作业，本文取sφ=5°进行相关分析。通过经验公式进行相关计算，即

式(9)和式(10)中：Mst为最大静横倾力矩；sφ为最大横倾角；D为排水量；GM为初稳性高；L1为U型舱总长度；T1为U型减摇水舱液位高；B1为减摇水舱边舱总宽度；B2为减摇水舱宽度。

该海工辅助船的排水量D=14000t，初稳性高GM=3.2m，计算得出最大静横倾力矩Mst≈2345t·m。进而求出 U型减摇水舱总长度L1≈15.3m。位置最终确定为：根据舱室的设计要求，考虑到船体的结构影响和亏损情况，减摇水舱总长度取12m。由表1得船长为88m，理论上该减摇水舱应布置在舯部的1/4处。根据实际情况，避开船内其他设备，并考虑到上层建筑所在位置，避免纵倾加剧，减摇水舱布置在距艏部18～32m范围处。船上的舱室有减摇水舱、重油舱、柴油舱、辅助设备舱和机舱等。

2 减摇效果评定

U型可控被动式减摇水舱设计计算结果见表3。

表3 U型可控被动式减摇水舱设计计算结果

由表3可知，减摇水舱的横摇周期较长，最大横倾角较小，减摇效果较好。在海工辅助船上，减摇效果通常用船舶横摇幅值的相对大小来表示，即

式(11)和式(12)中：Bφ为不计船舶减摇效果的船舶横摇角；φCH为特征数；sφ为船舶静止期间水从左舱流向右舱时的船舶静横倾角；dφ为U型减摇水舱内水的惯性作用及其他因素对船舶横倾的影响。考虑到可控被动式减摇水舱气阀的影响，将dφ取值为20%sφ，方向与sφ相反。

通过计算可得特征数φCH=2.3°，减摇效果达54%。

该减摇水舱在轻型海工辅助船上较为适用，稳定性高且符合要求。最终的减摇水舱模型见图3。

图3 最终的减摇水舱模型

3 结 语

本文以轻型海工辅助船为例，通过对U型可控被动式减摇水舱进行分析，根据固有周期的经验估算公式，计算出减摇水舱尺寸的基本参数，并根据实际情况在该船上安装减摇水舱。从提高船舶的抗摇性和舒适性的角度看，该设计符合最初的理念。