雙體風機安裝船的穩(wěn)性分析

鄭 鵬 翔

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求迅猛發(fā)展，在國際社會都在倡導綠色環(huán)保的今天，風力發(fā)電作為一種新型的清潔能源備受關注。我國海岸線漫長，擁有豐富的海上風力資源，要大力發(fā)展海上風電，開發(fā)新型風機安裝船刻不容緩。

1 船 型

雙體風機安裝船為一艘中心起吊式雙體起重船，兼具風機基礎的打樁功能，配備4臺舵槳推進裝置，箱形船體、縱骨架式、單甲板鋼質(zhì)焊接結(jié)構（機艙為雙層底結(jié)構）。考慮到起重作業(yè)的特殊需要，該船由2個寬為16m的片體組成，2片體間隔為18m，2個雙片體由連接橋連接。不僅適用于沿海大功率風機的整體移位、安裝和風機分體安裝，也可用于風機基礎的安裝。

該船入CCS（中國船級社）級，適用于沿海水域環(huán)境條件下的起重作業(yè)，適應作業(yè)水深在3.2～30m的范圍。滿足國內(nèi)近海航區(qū)無人拖航調(diào)遣要求，并具有沿海作業(yè)自航的能力，見圖1，其尺度見表1。

表1 雙體風機安裝船主尺度 m

2 完整穩(wěn)性計算

鑒于該船兼具雙體船和起重船2種船型的特點，在中國船級社CCS和國際規(guī)范規(guī)則中還沒有特殊船型的穩(wěn)性校核標準，考慮到該船的作業(yè)功能和船型特點，其航行工況的完整穩(wěn)性的衡準應滿足中華人民共和國海事局《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》（國內(nèi)航行船舶海船法定檢驗技術規(guī)則2004及其修改通報，以下簡稱法規(guī)）[1]中的雙體客船的部分要求。作業(yè)工況按起重船的作業(yè)穩(wěn)性衡準來校核。對避風穩(wěn)性衡準要求，因該船具有沿海自航能力可以不做計算。

圖1 雙體風機安裝船

用NAPA程序來進行穩(wěn)性計算，其宏的編寫功能在這類無明確衡準定義的船舶穩(wěn)性計算中給予了很大的方便。即可以挑選和編寫需要的衡準來校核船舶裝載工況的穩(wěn)性是否滿足要求。

3 作業(yè)工況穩(wěn)性衡準

該船安裝風機、打樁、起重作業(yè)的時候，按照起重船的作業(yè)穩(wěn)性衡準來進行校核。法規(guī)對此也作出了相關規(guī)定：

式中：GM——初穩(wěn)性高度，并計及自由液面于懸吊重物對初穩(wěn)性高度的影響，m；

Mf——起重船承受的風壓傾側(cè)力矩，kN·m；

Mh——旋轉(zhuǎn)式起吊荷重傾側(cè)力矩，kN·m；

Ml——船舶不對稱裝載傾側(cè)力矩，kN·m；

θc ——起重船允許的極限靜傾角，（°）；

Δ——所核算裝載情況下的排水量，t；

Kc——穩(wěn)性衡準數(shù)；

lq——最小傾覆力臂，m；

lf——風壓傾側(cè)力臂，m。

參照法規(guī) 3.10.6條[2]要求，最主要的問題就是對最小傾覆力臂的計算，由于CCS的一些特殊衡準是參照前蘇聯(lián)的計算方法來校核船舶穩(wěn)性，與國際上用GZ（靜穩(wěn)性力臂）曲線上面積大小和比值來校核穩(wěn)性有較大的區(qū)別，且 NAPA軟件中沒有最大復原力臂這一參數(shù)的計算。根據(jù)規(guī)范對最小傾覆力臂 Lq的求解原理的描述，采取從一個固定點（可以是原點，或者是橫搖角對應的動穩(wěn)性曲線上反方向的點）分別到動穩(wěn)性曲線正穩(wěn)性范圍上選取一系列點（點選得越多，結(jié)果越精確)連條直線，來計算直線的斜率大小，并選取斜率最大值所對應的動穩(wěn)性曲線上的點，此點就是 Lq計算在動穩(wěn)性曲線上選取的點，具體計算原理如圖2所示。

圖2中，A為原點，B為切點，求AB線的斜率就是最小傾覆力臂 Lq，由此可根據(jù)規(guī)范選取最小傾覆力臂的要求來求得最小傾覆力臂的值，再與風壓力臂和傾側(cè)力矩引起的傾側(cè)力臂做比較。在NAPA中計算最小傾側(cè)力臂和風傾力臂宏的編制原理說明可參照文獻[3]。

圖2 NAPA軟件計算復原力臂原理

4 航行工況的穩(wěn)性衡準

該船航行工況按照法規(guī)第七章3.3條中雙體客船的部分穩(wěn)性衡準校核穩(wěn)性指標，具體如下：

式中：K1——雙體客船穩(wěn)性衡準數(shù)；

lq——最小傾覆力臂，m；

lf——風壓傾側(cè)力臂，m。

風壓傾側(cè)力臂計算按第七章第2條的規(guī)定。

對于片體舷側(cè)線型在水線附近呈直壁式的雙體客船（本船就是這個類型），其最小傾覆力臂 lq可按下式計算：

式中：GM——所核算裝載情況下船舶計及自由液面修正的初穩(wěn)性高度，m；

θj——所核算裝載情況下船舶的進水角，（°）；

θ1——所核算裝載情況下船舶的橫搖角，（°）。

橫搖角θ1的求解公式可以參照法規(guī)中的公式來計算，但是在進水角θj的計算過程中，有一些裝載工況的進水角不存在，且該工況也沒有超過最大吃水，縱傾也比較小，但在進水角曲線上卻可以找到與吃水對應的進水角，見圖3。

其他工況的進水角數(shù)值與進水角曲線上對應的進水角都不一致，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)那些不存在進水角的裝載工況和裝載工況得出的進水角與進水角曲線中的進水角差別比較大的工況都有一個共同的特點，就是重心都比較高。一般進水角的計算與裝載工況的重心高度無關，只與進水點位置和船形有關。通過假設一些相同吃水和浮態(tài)、重心高度從低到高的工況進行比較，其結(jié)果見表2。穩(wěn)性曲線如圖4所示。

表2 相同吃水和浮態(tài)不同重心高度下的進水角

圖3 不同吃水下進水角曲線

圖4 各重心高度穩(wěn)性曲線

從中得出產(chǎn)生此現(xiàn)象是在求船舶進水角曲線的過程中假設了船舶在橫傾過程中是平浮的，但船舶在橫傾過程中會有縱傾的[4]。船舶在傾斜力矩的作用下產(chǎn)生橫傾，如果傾斜力矩是靜力性質(zhì)的，那么，傾斜力矩剛好和船舶本身的復原力矩相平衡，傾斜力矩所做的功就轉(zhuǎn)化為船舶的位能。根據(jù)最小位能原理，船舶是保證不了在橫傾的過程中保持平浮的（除非船舶艏艉形狀完全一致,且船舶初始狀態(tài)完全平浮），雙體船在橫傾過程中水線面的變化比單體船更大（特別是在片體入水和片體出水的情況），所以雙體船在橫傾過程中產(chǎn)生的縱傾要大很多，以致使進水角隨著不同的縱傾有不同的變化。重心高度的大小也是影響縱傾程度的因素之一，表3明顯反映了這個情況。

表3中沒有產(chǎn)生進水角的裝載工況就是因為在船舶橫傾到進水點之前，船舶已經(jīng)傾覆，所以就產(chǎn)生不了進水角了，一般在單體船的計算中，這個問題不太明顯。經(jīng)過驗證，單體船在進水角的計算過程中考慮此影響和假設平浮所求的進水角（單位取度）誤差一般都在小數(shù)點之后的位數(shù)，所以可忽略不計。表3是該船重心高度為30m對應裝載工況因橫傾而產(chǎn)生的縱傾情況。

表3 橫傾自由縱傾對應表

表3中37.2°的情況時，船已有51.403m的縱傾，如此大的縱傾使該船早已傾覆，對于靜穩(wěn)性的計算沒有意義。而此時的進水角35.99°還是在橫傾角數(shù)據(jù)的范圍之內(nèi)，因此再大的重心高度的工況船舶在傾覆時進水點還沒接觸水面，以致無法產(chǎn)生進水角數(shù)據(jù)。

由上面的分析可以知道有的裝載工況無法產(chǎn)生進水角，而在規(guī)范中最小傾覆力臂ql的計算公式中又包含進水角，所以規(guī)范中最小傾覆力臂ql的計算公式對該船已不適用，究其原因以前法規(guī)是為了計算方便，假設船舶橫傾的時候不產(chǎn)生縱傾，各個工況的進水角與進水角曲線相一致。但在計算軟件不斷發(fā)展和國際海事組織對穩(wěn)性需考慮縱傾因素的今天，該船的最小傾覆力臂按一般船舶的傾覆力臂來確定比較合適。具體方法見本文傾覆力臂的計算，其中橫搖角的計算按照法規(guī)3.3條中雙體客船的具體公式來計算。

5 結(jié) 語

利用NAPA軟件宏的編寫功能對穩(wěn)性進行分析，計算結(jié)果表明，該船的完整穩(wěn)性能滿足相關法規(guī)的規(guī)定，并且有一定的富裕度。因此，NAPA軟件在雙體風機安裝船完整穩(wěn)性計算中的應用是成功的。

進水角的計算在雙體船和單體船上有比較大的差異，在雙體船以及類似的多體船的進水點定義過程中應特別注意，因為橫傾過程中會產(chǎn)生比較大的縱傾，所以還要考慮進水點縱向位置的影響，選取多個可能危險的進水點予以計算。

[1] 國際海事組織.2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則（2008年IS規(guī)則）及其解釋性說明[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 中華人民共和國海事局.船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則，國內(nèi)航行船舶海船法定檢驗技術規(guī)則[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 李彤宇，盛慶武.NAPA軟件計算起重船作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)性衡準數(shù)的方法[J].船舶，2010, (5): 5-8.

[4] 馬 強.多體船破艙穩(wěn)性研究[D].上海：上海交通大學，2008.