船舶减摇装置

大连中远造船工业有限公司 王 威

近百余年来，人们一直致力于减缓船舶摇摆的研究。世界各国先后研发了近百种不同形式的减摇装置，但目前被广泛采用的仅有减摇水舱、舭龙骨和减摇鳍，其中居垄断地位的是减摇鳍，其减摇效果最佳。下面分别对上述三种减摇装置进行介绍。

一、减摇水舱

减摇水舱主要分为被动式减摇水舱和主动式减摇水舱两种。

1.被动式减摇水舱

将靠近船中部两舷的水舱在底部用管道连接起来，舱内注入适量的水。利用船本身的横摇运动而引起的水舱内水的物理运动来产生稳定力矩。它不需要任何动力，所以被称为被动式减摇水舱，是各类减摇装置中较简单、造价较便宜的一种。

最常用的被动式减摇水舱是U形水舱和槽形水舱。被动式减摇水舱的工作原理是使设计的水舱内振荡的固有频率等于船横摇的固有频率。这样，在共振的情况下，水舱随船一起运动，而水舱里的水的运动滞后横摇角90°。同时，当船横摇的固有频率等于波浪的扰动力矩频率时，也发生共振，这时船的横摇角滞后波浪力矩90°。这样水舱里的水的运动就滞后波浪扰动力矩180°。也就是说，水舱里的水的重量引起的稳定力矩方向恰好和波浪扰动力矩方向相反，从而使共振区横摇减小，即所谓的“双共振减摇原理”。

被动式减摇水舱仅在中等海况和船舶初稳心高限定范围以内时，能够在很接近船舶固有频率的附近提供有限的减摇效果，最好的减摇效果可达60%～70%。离开共振区其效果将显著下降，甚至在较长的遭遇周期上会使横摇角增加。它的优点在于设备简单、费用低及在任何航速下均有一定的减摇效果。

为了改善被动式减摇水舱的减摇性能，设计了可控被动式减摇水舱。它主要是在水舱通道上安装节流阀，通过横摇传感装置对阀门开启和关闭的程度进行调节，从而控制水的流量，对比被动式减摇水舱能够在较宽的频率范围内有效工作。

2.主动式减摇水舱

为了弥补被动式减摇水舱的不足，有人提出了主动式减摇水舱。主动式减摇水舱的原理是采用角速度陀螺感应船舶横摇角速度信号，控制阀伺服机构，从而控制阀张开的大小，利用泵将水从一舷打到另一舷的水量来建立稳定力矩。

主动式减摇水舱所需设备很多，主要包括控制系统，伺服系统，测水舱内水头或压力、水流速传感器，大功率泵和原动机等，装置比较复杂，并且费用比较高，所以还没有在实际中得到应用。

总之，减摇水舱对改善低速船、海上作业的浮动平台等特种船舶的横摇性能具有独特的优势。

二、舭龙骨

在船体舭部列板外侧，沿船长方向并垂直于舭板安装的纵向构件被称为舭龙骨。安装舭龙骨可以有效减小船舶在波浪中航行时产生的横摇，是一种结构简单、应用最广的防摇减摇装置。

1.舭龙骨的分类及其结构形式

舭龙骨的结构形式主要有两种，即单板舭龙骨和双层板空心舭龙骨（又称三角式舭龙骨），如图1所示。

舭龙骨宽度小于等于550 mm时宜采用单板舭龙骨，单板舭龙骨的自由边缘应加筋进行加强，多采用Φ30 mm×5～Φ40 mm×6 的钢管（见图1），也有用半圆钢、扁钢等的，大部分船厂所建的30万t油船均采用扁钢（见图2）。

舭龙骨宽度大于550 mm时，宜采用双层板空心舭龙骨，其两腹板之间的夹角宜为20°～25°，边缘采用Φ40 mm×6～Φ50 mm×6 的钢管加强（见图1）。两腹板之间应设置支撑肘板，肘板之间距离为500～1 000 mm，不得与外板相连接，可采用塞焊与腹板连接，即肘板边缘加扁钢或折弯边，腹板上开孔进行填塞焊接（见图1）。

无论是单板舭龙骨还是双层板空心舭龙骨，其腹板与船体舭板的连接都必须采用扁钢过渡。过渡扁钢的厚度与靠近船体的舭龙骨腹板厚度相等，扁钢宽度应不小于10倍厚度。舭龙骨腹板与扁钢之间的焊脚尺寸应该不小于板条与外板之间的焊脚尺寸，从而保证舭龙骨破坏时首先在腹板与过渡扁钢之间产生断裂，进而保护船体外板的完整性。还应该注意将舭龙骨的布置与外板边接缝错开（见图3）。

舭龙骨纵向端部应在船体刚性构件附近结束，并且端部应在其3～4倍宽度范围内逐渐减小舭龙骨宽度，以减小结构突变引起的应力集中。

2.舭龙骨的位置、尺寸对减摇效果的影响

“舭龙骨”顾名思义是安装在船体舭部的，但为什么是安装在舭部而不是船底或是舷侧呢？这个问题值得思考。

早在百余年前，贝克等人曾在船的侧面、舭部和底部等处安装舭龙骨，试验结果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最远，舭部曲率大，此处流速较大，从而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，图4是某30万t油船舭龙骨安装简图。

从图3、4中可以看出，舭龙骨不应超出船横剖面的最大边框线，平均取（3%～5%）B，在0.3～1.2 m之间（图中为400 mm）。

其次是长度对减摇效果的影响。通常舭龙骨的长度约为L/4～L/2，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，因为靠船首尾的舭龙骨处在舭部曲率减小的位置，故阻尼力矩很小。

三、减摇鳍

减摇鳍是各种减摇装置中减摇效果最好的一种，最佳可减摇90%以上。1985年英国“玛丽皇后”号船在大风浪条件下进行了减摇鳍性能试验。结果表明，当减摇鳍工作时，船的横摇角平均在2°左右，而减摇鳍不工作时，横摇角达25°，可见其减摇效果是相当可观的。

减摇鳍属于主动式减摇装置，其构造主要包括机翼形的鳍、转鳍传动装置、控制系统等。

1.鳍的分类和应用特点

减摇鳍分为开襟式（或称带襟翼的）鳍和非开襟式（整体式）鳍，如图5所示。对于1 000 t以下的中小型船舶，多采用不可收放鳍，鳍展弦比较小（为0.5～1.0），可转大角度提升升力，又考虑到鳍结构应尽量简单，所以常常选择非开襟式鳍。对于大型船舶的减摇鳍，鳍展弦比较大（为1～2），鳍角受升力失速和空泡的限制。为了提高升力和抑制空泡，常常采用后缘开襟式鳍，在提供同样升力的情况下，开襟式鳍的转鳍功率比非开襟式鳍的要小，但结构简单。

2.鳍的安装

鳍在船上最理想的安装位置是船中的舭部。原因是该处和横摇中心之间的距离最大；舭部是唯一可提供安装不可收放鳍的地方，使鳍限制在船外框线以内，避免鳍遭遇碰撞。一般对不可收放式鳍的安装有一要求，即保证避碰角不大于5°（见图6）。

鳍被安装在船中位置可避免船舶操舵运动的相互影响。为了避免鳍上发生空泡，鳍应位于水下尽可能深的位置。当鳍因其他原因不能位于船中时，其位置应尽量向前，因为船体前半部分的周围流场受扰动较小，边界层较薄，因此对有效鳍面积影响较小。

3.减摇鳍发展概况

上面谈到的两点是对减摇鳍整体的把握，其实影响减摇鳍减摇效率的因素有很多，鳍结构也比较复杂。减摇鳍是国内外研究人员的主要研究对象，其形状也多种多样。目前国外主要采用以下几种典型的减摇鳍：（1）沃斯泼（VOSPER）中小型舰船不可收放式减摇鳍。（2）丹尼-布朗（DEANY-BROWN）中型舰船可伸缩减摇鳍。（3）丹尼-布朗-AEG可收放式减摇鳍。（4）斯贝利（SPERRY）可收放式减摇鳍。

需要指出的是，由于减摇鳍装置复杂，造价昂贵，一般只用于舰船和一些对减摇要求非常高的船舶。我国从20世纪60年代中期开始从事减摇鳍的研究和制造，现在已取得相当的发展，大批舰船装备了自行设计制造的减摇鳍。值得一提的是，著名的“哈尔滨”号上的减摇鳍就是由哈尔滨工程大学自行研究设计的。