壓載系統重力浸水作業時間動態計算方法研究

韓 健 吳立斌 鐘 濤

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

艦船浮態調整一般是通過注排壓載水或對壓載艙水進行前后、左右調撥實現的［1］。對于姿態調整要求較高的艦船、工程船，如兩棲攻擊艦、船塢登陸艦、浮船塢、半潛船、SPAR深水平臺等［2］，一般均設有專用壓載系統。

壓載系統注水型式一般分為泵注水和重力浸水兩種。泵注水型式較為常規，注水速度主要取決于泵的能力及管網設計，注水速度較為穩定，管路阻力及壓載艙頂部距泵排出口高度的總和在確保泵揚程范圍內的前提下，對壓載艙的位置無特殊限制，但對壓載艙透氣管尺寸有一定的要求；重力浸水型式以舷外船體吃水處與壓載艙內的液位的高度差產生的壓頭為動力源，注水速度主要取決于高度差及管網阻力，一般重力浸水管網簡單，浸水速度由快向慢變化，但對壓載艙位置有一定的限制。

重力浸水技術日趨成熟，應用越來越廣泛，例如“黃蜂”級兩棲攻擊艦采用重力浸水型式，可在15 min內將船體從預壓載狀態下沉至塢艙首吃水約1.2 m，尾吃水約3 m；“西北風”級兩棲攻擊艦也采用泵注水與重力浸水結合型式。

作業時間作為系統設計的核心指標，與壓載系統型式、注排水設施的能力、管路長度及管徑大小、管網閥附件等因素息息相關。在整個作業過程中，船體水線處于動態變化的過程，導致作業時間的計算參數（如管網流量）為不定值。為掌握重力浸水作業時間內管網流量動態變化規律，以單艙重力浸水、多艙同時重力浸水為典型工況，分析影響作業時間因素，研究作業時間動態計算方法，為實船快速作業提出理論計算支撐。

1 單艙重力浸水作業時間動態計算方法

單艙重力浸水為海水從舷外通過單獨海底門注入至某一壓載艙內。根據控制閥門安裝部位，可分為干式型式和濕式型式，如圖1和圖2所示。考慮濕式安裝的維修性，一般本艙浸水控制閥安裝于相鄰壓載艙內。單艙重力浸水管路較短且無支管、通徑一致，控制較為簡單。

圖1 單艙重力浸水干式安裝布置型式

圖2 單艙重力浸水濕式安裝布置型式

根據能量守恒定律，以舷外水線處至壓載艙內液位處兩點之間流線建立伯努利方程，如圖3所示。

圖3 重力浸水計算示例

式中：ρ為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；ZWL為水線距基線高度，m；ZLL為壓載艙內液位距基線高度，m；PWL為水線壓力，Pa，表壓可視為0；PLL為壓載艙內液位壓力，Pa；vWL為水線流速，m/s，為0；vLL為載艙內液位流速，m/s，為0。h損為浸水過程阻力損失，m，由局部阻力損失和沿程阻力損失兩部分組成，計算如式（2）所示。

式中：λ為摩擦阻力系數；l為管路長度，m；d為管路內徑，m；ζ為局部阻力系數，可查船舶設計實用手冊［3］獲得各部件系數值；v為管路流速，m/s。

一般來說，對于泵注排水的壓載艙，壓載艙透氣管截面積應至少大于注入管截面積的1.25倍［3］；對于重力浸水的壓載艙，為保證浸水速度不受透氣阻力的影響，透氣管可參照泵注排水壓載艙計算選取，壓載艙內液位壓力（表壓）為0。

根據式（1）、式（2）可得出式（3）。

式中：μ為流量系數，計算如式（4）所示。

一般而言，重力浸水管路較短，沿程阻力損失較小。局部阻力系數主要包含海底門格柵、蝶閥、濾器、吸口、彎頭以及自管流出等阻力系數。根據實例計算，對于重力浸水，沿程阻力損失相較于局部阻力損失較小，工程計算中可忽略沿程阻力損失。

由于船體水線高度隨著壓載艙內注水量動態變化，管路流速也在不斷變化，浸水時間是一個變量的累加。在dt時間段內注水量dV之間的關系見式（5）。

式中：V為壓載艙內注水量，m3；A為管路橫截面積，m2；t為時刻，s。

對式（5）進行積分，即：

當dt取足夠短時間步長，即在dt時間段內，高度差（ZWL-ZLL）可簡化為定值，管路流速即為定值。

因注水過程，船體水線動態變化，根據船體屬性，船體水線距基線高度ZWL與壓載艙內裝載量V有關；根據壓載艙結構圍壁可得出壓載艙液位距基線高度ZLL與壓載艙內裝載量V之間一一對應的數值。因此，時刻t、船體水線距基線高度ZWL、壓載艙液位距基線高度ZLL、壓載艙內裝載量V和管路流速v這5個參數之間關系可相互計算得出，具體計算迭代如圖4所示。

圖4 五個參數計算迭代關系

當需進行艦船浮態調整時，一般進行裝載計算獲取壓載艙所需最終裝載量Vn；根據裝載量Vn及圖4的迭代計算關系，可反推出達到此時裝載量的時刻tn，即得出重力浸水時間。若計算重力浸水時間不滿足系統指標要求，則需加大管路及閥附件通徑、優化管路布置，重新計算直至滿足系統指標要求，且應有一定的裕度。

2 多艙同時重力浸水作業時間動態計算方法

多艙重力浸水為多個壓載艙分組共用一個海底門，可以減少海底門的數量，也將減少船體的開口［4］。多艙重力浸水根據控制閥門安裝部位同樣可分為干式型式和濕式型式，如下頁圖5、圖6所示。多艙重力浸水管路較短且有支管，總管與支管通徑一般不一致。

圖5 多艙重力浸水干式安裝布置型式

圖6 多艙重力浸水濕式安裝布置型式

根據能量守恒定律及質量守恒定律，以舷外水線處至每個壓載艙內液位處兩點之間流線建立伯努利方程組，見式（7）～式（10）。

式中： 下標0、1、2、3分別代表總管、1號壓載艙、2號壓載艙、3號壓載艙的相關參數。

根據式（7）至式（10）可求得總管流速及各個支管流速。進而根據單艙重力浸水動態計算思路可得出每個壓載艙對應裝載量的重力浸水時間。

3 重力浸水與向泵注水轉變人工預判策略

如上所述，重力浸水管路較短，布置較為簡單，管路阻力損失主要集中為局部阻力損失，可忽略沿程阻力損失，根據計算及經驗預估，管路局部阻力系數可控制在5左右，因此，流量系數可取為約0.45。對于泵注水型式，管路設計流速為2～3 m/s，一般取2.5 m/s。

當重力浸水管路流速大于泵注水管路流速（2.5 m/s）時，根據式（3）估算，即舷外船體吃水處與壓載艙內的液位的高度差（ZWL-ZLL）大于1.57 m，重力浸水型式相比泵注水型式效率較高，可優先選用重力浸水型式。實船應用中，壓載艙液位與船體水線實時監測，當以下3種情況即兩者之間差值小于1.57 m時，或可根據液艙液位變化查艙容實時計算的支管流速小于2.5 m/s時，或直接觀察壓載艙液位變化較為緩慢時，均可由重力浸水向泵注水轉變。

4 結 語

對于重力浸水及泵注水結合型式的壓載系統，基于能量守恒及質量守恒定律，獲得單艙重力浸水、多艙同時重力浸水作業時間的動態計算方法。根據計算及經驗預估，當壓載艙液位與船體水線兩者之間差值小于1.57 m時，可結束重力浸水；若壓載艙裝載量仍未達到目標裝載，則可轉換泵注水方式繼續裝載。上述方法可供實際應用參考。