船舶減搖裝置

大連中遠造船工業有限公司 王 威

近百余年來，人們一直致力于減緩船舶搖擺的研究。世界各國先后研發了近百種不同形式的減搖裝置，但目前被廣泛采用的僅有減搖水艙、舭龍骨和減搖鰭，其中居壟斷地位的是減搖鰭，其減搖效果最佳。下面分別對上述三種減搖裝置進行介紹。

一、減搖水艙

減搖水艙主要分為被動式減搖水艙和主動式減搖水艙兩種。

1.被動式減搖水艙

將靠近船中部兩舷的水艙在底部用管道連接起來，艙內注入適量的水。利用船本身的橫搖運動而引起的水艙內水的物理運動來產生穩定力矩。它不需要任何動力，所以被稱為被動式減搖水艙，是各類減搖裝置中較簡單、造價較便宜的一種。

最常用的被動式減搖水艙是U形水艙和槽形水艙。被動式減搖水艙的工作原理是使設計的水艙內振蕩的固有頻率等于船橫搖的固有頻率。這樣，在共振的情況下，水艙隨船一起運動，而水艙里的水的運動滯后橫搖角90°。同時，當船橫搖的固有頻率等于波浪的擾動力矩頻率時，也發生共振，這時船的橫搖角滯后波浪力矩90°。這樣水艙里的水的運動就滯后波浪擾動力矩180°。也就是說，水艙里的水的重量引起的穩定力矩方向恰好和波浪擾動力矩方向相反，從而使共振區橫搖減小，即所謂的“雙共振減搖原理”。

被動式減搖水艙僅在中等海況和船舶初穩心高限定范圍以內時，能夠在很接近船舶固有頻率的附近提供有限的減搖效果，最好的減搖效果可達60%～70%。離開共振區其效果將顯著下降，甚至在較長的遭遇周期上會使橫搖角增加。它的優點在于設備簡單、費用低及在任何航速下均有一定的減搖效果。

為了改善被動式減搖水艙的減搖性能，設計了可控被動式減搖水艙。它主要是在水艙通道上安裝節流閥，通過橫搖傳感裝置對閥門開啟和關閉的程度進行調節，從而控制水的流量，對比被動式減搖水艙能夠在較寬的頻率范圍內有效工作。

2.主動式減搖水艙

為了彌補被動式減搖水艙的不足，有人提出了主動式減搖水艙。主動式減搖水艙的原理是采用角速度陀螺感應船舶橫搖角速度信號，控制閥伺服機構，從而控制閥張開的大小，利用泵將水從一舷打到另一舷的水量來建立穩定力矩。

主動式減搖水艙所需設備很多，主要包括控制系統，伺服系統，測水艙內水頭或壓力、水流速傳感器，大功率泵和原動機等，裝置比較復雜，并且費用比較高，所以還沒有在實際中得到應用。

總之，減搖水艙對改善低速船、海上作業的浮動平臺等特種船舶的橫搖性能具有獨特的優勢。

二、舭龍骨

在船體舭部列板外側，沿船長方向并垂直于舭板安裝的縱向構件被稱為舭龍骨。安裝舭龍骨可以有效減小船舶在波浪中航行時產生的橫搖，是一種結構簡單、應用最廣的防搖減搖裝置。

1.舭龍骨的分類及其結構形式

舭龍骨的結構形式主要有兩種，即單板舭龍骨和雙層板空心舭龍骨（又稱三角式舭龍骨），如圖1所示。

舭龍骨寬度小于等于550 mm時宜采用單板舭龍骨，單板舭龍骨的自由邊緣應加筋進行加強，多采用Φ30 mm×5～Φ40 mm×6 的鋼管（見圖1），也有用半圓鋼、扁鋼等的，大部分船廠所建的30萬t油船均采用扁鋼（見圖2）。

舭龍骨寬度大于550 mm時，宜采用雙層板空心舭龍骨，其兩腹板之間的夾角宜為20°～25°，邊緣采用Φ40 mm×6～Φ50 mm×6 的鋼管加強（見圖1）。兩腹板之間應設置支撐肘板，肘板之間距離為500～1 000 mm，不得與外板相連接，可采用塞焊與腹板連接，即肘板邊緣加扁鋼或折彎邊，腹板上開孔進行填塞焊接（見圖1）。

無論是單板舭龍骨還是雙層板空心舭龍骨，其腹板與船體舭板的連接都必須采用扁鋼過渡。過渡扁鋼的厚度與靠近船體的舭龍骨腹板厚度相等，扁鋼寬度應不小于10倍厚度。舭龍骨腹板與扁鋼之間的焊腳尺寸應該不小于板條與外板之間的焊腳尺寸，從而保證舭龍骨破壞時首先在腹板與過渡扁鋼之間產生斷裂，進而保護船體外板的完整性。還應該注意將舭龍骨的布置與外板邊接縫錯開（見圖3）。

舭龍骨縱向端部應在船體剛性構件附近結束，并且端部應在其3～4倍寬度范圍內逐漸減小舭龍骨寬度，以減小結構突變引起的應力集中。

2.舭龍骨的位置、尺寸對減搖效果的影響

“舭龍骨”顧名思義是安裝在船體舭部的，但為什么是安裝在舭部而不是船底或是舷側呢？這個問題值得思考。

早在百余年前，貝克等人曾在船的側面、舭部和底部等處安裝舭龍骨，試驗結果表明裝在舭部的舭龍骨減搖效果最好。分析原因是舭部距船重心最遠，舭部曲率大，此處流速較大，從而提高了舭龍骨引起的阻尼力矩。

對減搖效果有影響的另一個因素是舭龍骨的尺寸。首先，舭龍骨的寬度對其減搖效果有影響。因為舭龍骨引起的附加阻尼隨寬度增加而增大，圖4是某30萬t油船舭龍骨安裝簡圖。

從圖3、4中可以看出，舭龍骨不應超出船橫剖面的最大邊框線，平均取（3%～5%）B，在0.3～1.2 m之間（圖中為400 mm）。

其次是長度對減搖效果的影響。通常舭龍骨的長度約為L/4～L/2，但因各類船型不同，其長度存在一有效值。當超過有效值時再增加其長度，舭龍骨效能變化不大，因為靠船首尾的舭龍骨處在舭部曲率減小的位置，故阻尼力矩很小。

三、減搖鰭

減搖鰭是各種減搖裝置中減搖效果最好的一種，最佳可減搖90%以上。1985年英國“瑪麗皇后”號船在大風浪條件下進行了減搖鰭性能試驗。結果表明，當減搖鰭工作時，船的橫搖角平均在2°左右，而減搖鰭不工作時，橫搖角達25°，可見其減搖效果是相當可觀的。

減搖鰭屬于主動式減搖裝置，其構造主要包括機翼形的鰭、轉鰭傳動裝置、控制系統等。

1.鰭的分類和應用特點

減搖鰭分為開襟式（或稱帶襟翼的）鰭和非開襟式（整體式）鰭，如圖5所示。對于1 000 t以下的中小型船舶，多采用不可收放鰭，鰭展弦比較小（為0.5～1.0），可轉大角度提升升力，又考慮到鰭結構應盡量簡單，所以常常選擇非開襟式鰭。對于大型船舶的減搖鰭，鰭展弦比較大（為1～2），鰭角受升力失速和空泡的限制。為了提高升力和抑制空泡，常常采用后緣開襟式鰭，在提供同樣升力的情況下，開襟式鰭的轉鰭功率比非開襟式鰭的要小，但結構簡單。

2.鰭的安裝

鰭在船上最理想的安裝位置是船中的舭部。原因是該處和橫搖中心之間的距離最大；舭部是唯一可提供安裝不可收放鰭的地方，使鰭限制在船外框線以內，避免鰭遭遇碰撞。一般對不可收放式鰭的安裝有一要求，即保證避碰角不大于5°（見圖6）。

鰭被安裝在船中位置可避免船舶操舵運動的相互影響。為了避免鰭上發生空泡，鰭應位于水下盡可能深的位置。當鰭因其他原因不能位于船中時，其位置應盡量向前，因為船體前半部分的周圍流場受擾動較小，邊界層較薄，因此對有效鰭面積影響較小。

3.減搖鰭發展概況

上面談到的兩點是對減搖鰭整體的把握，其實影響減搖鰭減搖效率的因素有很多，鰭結構也比較復雜。減搖鰭是國內外研究人員的主要研究對象，其形狀也多種多樣。目前國外主要采用以下幾種典型的減搖鰭：（1）沃斯潑（VOSPER）中小型艦船不可收放式減搖鰭。（2）丹尼-布朗（DEANY-BROWN）中型艦船可伸縮減搖鰭。（3）丹尼-布朗-AEG可收放式減搖鰭。（4）斯貝利（SPERRY）可收放式減搖鰭。

需要指出的是，由于減搖鰭裝置復雜，造價昂貴，一般只用于艦船和一些對減搖要求非常高的船舶。我國從20世紀60年代中期開始從事減搖鰭的研究和制造，現在已取得相當的發展，大批艦船裝備了自行設計制造的減搖鰭。值得一提的是，著名的“哈爾濱”號上的減搖鰭就是由哈爾濱工程大學自行研究設計的。