技术控:船艇减摇装置大解析

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舰船在海上航行、工作时,由于受到海浪、海风以及海流等海洋环境扰动的作用,不可避免的产生摇荡运动,剧烈的摇荡不但影响船舶的航行,还会极大的降低了人们在航行过程中的舒适性,并对船舶上装备带来不良的影响,对船上的货物和人员带来不安全因素。

 

 

这种运动一般有六个自由度,称之为横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡(或升沉) ,其中船舶横摇不良影响最大,减摇效果也最佳,因此船舶减摇装置主要以减轻横摇为目的。而纵摇和首摇程度较轻,减摇必要性不大,且摇摆力矩大,减摇的效果和经济性均较差,所以在船上没有专门为其设置减摇装置。

 

 

在恶劣的海况下,船舶横摇30~40º是常见的,海况越恶劣,波倾角q越大,船舶摇摆也越激烈。设波高h,波长L,则q=180h/L,当船舶遭遇到一个波长大大超过船宽、波倾角为q的横浪时,就会受到波浪给予的一个横摇力矩,力图使船舶中线与波面垂直,此力矩称为横倾力矩,在数值上与船在静水中倾斜q时复原力矩相等。为了平衡波倾角量为q的波浪所作用于船舶的横摇力矩,减摇装置必须具有与该力矩相等的减摇力矩。实际上减摇装置所具有的减摇力矩是有限,通常将其最大减摇力矩所能克服的波浪波倾角q作为衡量减摇装置能力的标志,并称为减摇装置的当量波倾角或减摇能力。

 

 

为了船舶的航行安全以及提高航行中的舒适性,迫切需要减小船舶的摇荡。人类从 19 世纪初的帆船年代的舭龙骨开始,就已经开始了船舶减摇的努力和斗争,前后共提出了350余种不同类型的减摇装置,其中用于了实践的达20几种。直到二十世纪九十年代,保留下来的船舶减摇装置主要有舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、减摇陀螺、舵减摇等少数几种。 


舭龙骨
 

“舭龙骨”顾名思义是安装在船体舭部的,这是目前应用最广泛,也是最简单的减摇装置。它沿着船长方向安装在船的舭部,在横摇时扰动船体周围的流场,使船产生附加阻尼,并借以增加横摇阻尼从而达到减摇的目的。它在任何情况下都有效,在近似共振状态下减摇效果最明显。与其他减摇方式相比较,舭龙骨的显著优点是没有运动部件,且除了通常所做的清除船体表面的维护外无需其他维护,唯一的缺点是装上舭龙骨会使船舶阻力略有增加。另外,由于它简单、建造成本低、对航速影响小,且有一定的减摇效果(一般可减小横摇30%左右)等优点,目前几乎在所有海船都毫无例外地装有舭龙骨,它已成为海船船体的一部分。

 


为什么是安装在舭部而不是安装在船底或是舷侧呢?早在百余年前,人们就曾在船的侧面、舭部和底部等处装舭龙骨进行试验,试验表明装在舭部的舭龙骨减摇效果最好。分析原因是舭部距船重心G最远,舭部曲率大,此处流速较大,因此提高了舭龙骨引起的阻尼力矩。对减摇效果有影响的另一个因素是舭龙骨的尺寸。首先,舭龙骨的宽度对其减摇效果有影响。因为舭龙骨引起的附加阻尼随宽度增加而增大,其次是长度对减摇效果的影响,但因各类船型不同,其长度存在一有效值。当超过有效值时再增加其长度,舭龙骨效能变化不大,原因是靠船首尾的舭龙骨处在船舭部曲率减小的位置,故阻尼力矩很小。

 

减摇鳍
 

减摇鳍是使用最多、效果良好的减摇装置,其构造主要包括机翼型的鳍(至少一对) 、转鳍的液压传动装置和电气控制系统。船舶在航行中,当两鳍向相反方向偏转而具有相反的冲角时,水流就在两鳍片上产生一对反向升力,就会形成一个减摇力矩,减摇力矩等于或大于波浪作用于船的横摇力矩,就能有效地减轻船舶的横摇。 

 


减摇鳍可分为非收放式减摇鳍、可收放式减摇鳍和折叠式减摇鳍。非收放式减摇鳍装置的鳍一直伸出在舷外,按控制规律转动,产生升力。其主要优点是结构简单,几乎适用于各种大型船舶,但该鳍的升力系数较收放式鳍的升力系数小,因而在面积相等、航速一样的情况下,升力较小;当大型船舶在静水中航行时,鳍像舭龙骨一样,对船舶产生附加阻力,且由于鳍一直伸出在舷外,也容易损坏。

 


收放式减摇装置的鳍在大型船舶遇风浪需要减摇时放出舷外,在控制信号作用下转鳍,产生稳定力矩,不用鳍时,将鳍收进舱内。其主要优点是鳍的升力系数较大,静水航行时鳍收进船舱,不产生附加阻力;缺点是多了一个收放机构,故需占用一定的船内空间,因此该型装置主要装在较“胖”船型的大型船舶上,

 


折叠式减摇鳍,采用将鳍向船首或船尾旋转90º的方法把鳍纳入位于两舷的鳍箱,可以减少所占空间,转鳍动力大多采用转叶油缸。油缸位于鳍箱内,浸泡在海水之中,必须完全水密并有良好防腐蚀性能,保养维修只能在进坞时进行,新型折叠式减摇鳍将转鳍油缸从鳍箱移入船内,避免上述缺点。

 


减摇水舱


减摇水舱是另一种减小船舶横摇的有效装置,迄今为止它已经有100多年的发展历史。与减摇鳍相比,减摇水舱的最大优点是船舶在任何航速下(即使停泊时)依然有较好的减摇效果,也就是说减摇效果与航速无关。另外,减摇水舱还有自动化、免维修、操作简单、成本低及可靠性高等特点,还可用来抗横倾和检测稳性。它的基本原理是在船的2/3或1/2总长的两舷侧设置两对水舱,通过检测船的横摇角及横摇角速度选择不同水舱组合,控制气阀的启闭,使水舱内水的横向流动周期和方向与船的摇摆运动周期同步,方向相反,从而达到削减摇摆幅度的目的。但是,其减摇效果不如减摇鳍的减摇效果好,且减摇水舱需占用船内空间,故只适用于有较大空间的船舶。

 


由于减摇水舱装置可将摇摆角度从30°减至15°,减幅达50%,故由横摇而致的危险性可大大降低;另外,船舶摇摆角每增加1°,船舶阻尼摇摆力就要相应地增加0.5%~0.9%,50%的减幅将大大节省能源。由于减摇效果与船的航速无关,因此减摇水舱可广泛用于低速航行船舶或停泊作业的工程船舶。减摇水舱从减摇原理来分可以分为被动式减摇水舱、可控被动式减摇水舱和主动式减摇水舱三种,而从结构上可以分为U形水舱、平面槽形水舱等。目前,减摇水舱在货船、客船和工作船上都得到了成功的应用。

 

 

自由液面式减摇水舱的工作原理,是靠船舶横摇时造成水在水舱中向左右舷作往返流动来减轻船舶横摇。水舱的容积应足够大,以便工作时水舱的一边可容纳全部水流,得到最佳减摇效果。但要注意使水舱的装水量应为舱容的一半,水量太多或太少都有不利影响。不可控式U形管被动减摇水舱,由设在两舷的水舱和连通管组成,其工作原理与自由液面式完全相同,差别只是水舱在两舷离船舶中线较远,水可在水舱中聚集液面更高,减摇效果更好些。

 

 

可控式被动减摇水舱,通常是封闭的U形管水舱,两水舱间的水流和气流可通过控制系统调节,因此水流的流动周期可调范围较大。自动调节两封闭水舱间空气连通管上的阀门,通过控制连通管中的气流,从而控制舱中水的流速,使水的流动周期在较大范围内与横摇周期趋向一致,来改善水舱的响应特性。

 


主动式减摇水舱是在U形被动式减摇水舱的基础上发展起来的,它通过水泵或风机强迫水在水舱间流动,并能形成较高的水位差,因此可在水量有限的条件下获得较大的减摇能力。控制系统可对水泵(鼓风机)、调节阀进行控制,调节水的流量,使装置在很宽的遭遇周期范围内具有良好的减摇效果,但水泵或风机的功率很大,经济性差,所以使用不多。 


舵减摇


与减摇鳍、减摇水舱相比,舵减摇是一项较新的减摇技术,它最早由荷兰在20世纪70年代提出。船舶的横摇周期一般在7~15s之间,而艏艉摇一般在20~40s之间,这种巨大差别允许将转向和减摇控制信号同时施加给舵,而不致产生不良的相互响应,因此可利用操舵来减少船舶横摇,目前的实验研究表明,舵减摇的效果可达60%左右。由于它不需要一套专门的减摇装置,因此在船舶工程界倍受关注。

 


舵减摇的理论基础是,舵的低频运动主要影响船舶的艏摇,而舵的高频运动则主要影响船舶的横摇,同时也增加了船舶的航行阻力,但比减摇鳍的要小。与减摇鳍相比,舵减摇的最大优点在于,取消昂贵的减摇鳍装置,有很好的经济性。只要对舵机加装减摇控制环节,就可使某些现有船舶具备减摇能力,但现有舵机用作减摇后,以最大转舵速度工作的频率增加,会加速机构的磨损。

 


减摇陀螺


陀螺减摇器是最早在船舶上实际应用的减摇装置之一,工作原理是,首先让转子高速旋转,具有足够的动量矩,或者叫减摇能力容量。当船艇在波浪的作用下发生摇摆时,转子框架会自发地围绕进动轴往复进动,进动产生的反作用力矩将通过安装基架作用于船艇上,在进动调速装置的合理控制下,可以使陀螺的这种作用力矩在相位上总是与波浪的作用力矩保持大约反向,使船艇减摇。它具有体积较小、安装方便、减摇效果较好、能在任意航速下减摇等优势。

 


陀螺减摇器给人们的印象是高档货,应当用在高档次的船艇上,过去确实如此。然而,近年来,随着材料技术、加工技术、控制技术、冷却和降噪技术的发展,特别是,在以美国seakeeper为代表的多家公司的大力推广下,陀螺减摇器的这种形象已经悄然发生着变化。特别是国产陀螺减摇器的出现,这种高档货已经逐步装上普通游艇,并将成为某些款型国产游艇的“标配产品”,为“低价高配”这一中国特色游艇业发展思路提供重要助力。目前世界上减摇陀螺主要厂商有美国Seakeeper,澳大利亚Halcyon、SeaGyro、VeemGyro,日本三菱重工等,国内厂商目前有上海羽翼船舶设备有限公司和上海矶怃科技有限公司。

 


陀螺减摇器可以很方便地用来减轻船艇的横摇、纵摇或者参数横摇。当需要减横摇时,只要将进动轴沿船的横向布置即可,减纵摇时纵向布置。利用陀螺减摇器来减轻参数横摇时,至少需要使用一对陀螺减摇器,有的进动轴呈横向、有的呈纵向布置。

 


游艇减摇,从技术上讲有特别之处吗?

 

游艇大多数是排水量较小的船艇,游艇上留给减摇装置的安装空间通常很小。游艇通常是让人们用来享受生活的,所以,游艇对减摇装置的外观以及振动、噪声、散热等性能往往都有较高要求,游艇通常还有零航速减摇要求。另外,除豪华游艇外,绝大部分游艇的造价相对较低,要想让减摇装置能够用在大多数游艇上,这种装置应当是便于批量制造的,可以降低成本。

 


针对游艇减摇要求,目前看来,较为合适的减摇装置主要有两种,一种是陀螺减摇器,另一种是超小型或者小型减摇鳍。从性价比上讲,陀螺减摇器更适合用在小型(排水量在100吨以下)游艇上,而减摇鳍更适合用在较大型游艇上。

 

 

怎样合理选择游艇陀螺减摇器


陀螺减摇器的减摇能力容量取决于陀螺转子的动量矩,所以,陀螺减摇器的规格通常也是以动量矩的大小来标注的。想要合理选用陀螺减摇器,就必须把船艇的稳性参数罗列清楚,包括艇长、艇宽、型深、吃水、横稳性高、重心高、排水量等。

 

 

合理的陀螺减摇器不只是在减摇能力容量上要求合理,还有尺寸、重量等重要指标需要考量。在减摇能力容量相同的情况下,为减小安装空间,可以将陀螺减摇器设计得偏重一些;相反,为减轻重量,也可以将陀螺减摇器设计得偏大一些,对不同款型的船艇选用不同的陀螺减摇器才是最合理的。

 

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来源 | 矶怃科技

编辑 | 海之蓝

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更新时间:2021年7月28日 16:25

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