基于W型船動(dòng)力定位系統(tǒng)研究

朱凌玉 廖國(guó)紅 王林

【摘要】隨著海洋時(shí)代的到來(lái)，各種新型船舶也應(yīng)運(yùn)而生。而動(dòng)力定位系統(tǒng)在深海以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。為研究動(dòng)力定位系統(tǒng)在新型船舶上的應(yīng)用，本文提出一種新型的W吸油船，研究了其主體設(shè)計(jì)及可行性。另外，對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)在此船上的應(yīng)用做了理論分析，以供其他研究者參考。

【關(guān)鍵詞】新型W型船；吸油船；動(dòng)力定位系統(tǒng)

動(dòng)力定位系統(tǒng)以定位精度高、靈活性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、適用于多種海況的優(yōu)勢(shì)，而廣泛用于海上作業(yè)和海上平臺(tái)的定點(diǎn)系泊。而對(duì)新型船應(yīng)用動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究能推進(jìn)動(dòng)力定位系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，故而本文以一種新型的W吸油船為例，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用研究。

1、新型W船

1.1主體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目提出一種W型多片體組合式設(shè)計(jì)方案，船身由首部片體，關(guān)于船中縱剖面對(duì)稱(chēng)分布的左舷外側(cè)片體、左舷內(nèi)側(cè)片體、右舷內(nèi)側(cè)片體和右舷外側(cè)片體 5 個(gè)片體組成，如圖1.1、1.2所示，本船的主尺度表如表 1.1所示：

1.2 航行阻力預(yù)估

W型在合攏狀態(tài)航行時(shí)，其阻力成分主要是摩擦阻力和粘壓阻力以及興波阻力。其中粘壓阻力和興波阻力總稱(chēng)剩余阻力。因此，我們只需計(jì)算船舶的摩擦阻力和剩余阻力即可。由表 1.1 和表 1.2 得到船舶主尺度參數(shù)：

船長(zhǎng) L=60m，吃水 T=4m，船寬 B=23.2m，型深 D=6m.合攏時(shí)最大航速V=7.768m/s。

1）計(jì)算濕面積（海水溫度 T=15°），

運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)γ=1.8831×10-8㎡/s

參考一般油船的方形系數(shù)Cb=0.815，

排水體積▽=Cb×L×B×d=4454.4m3

W型船濕面積：S=L×B×T（1/T+2/B+2/L）-4.4（▽?zhuān)?/Cb-1））2/3

=5568×0.37-4.4×100.74=1616.9 ㎡

2）計(jì)算雷諾數(shù)Re===2.41×10-10

3）據(jù)光滑平板摩擦阻力公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)Cf==1.067×10-3

粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)△Cf=0.4×10-3

4）計(jì)算摩擦阻力 Rf=（Cf +△Cf）×（）=73.354KN

5）剩余阻力

CR 為剩余阻力系數(shù)，查剩余阻力圖譜得方形系數(shù)為 0.815 的船的剩余阻力系數(shù) CR=0.016。那么剩余阻力RR=CR× =800.827KN

總阻力 RT =Rf+ RR =874.181KN

故此W型船在正常航行下的有效推進(jìn)功率應(yīng)為PE=RT×V=6790.638KW

1.3 應(yīng)用前景

近年來(lái)的海上溢油污染案例體現(xiàn)了溢油回收船在防止海洋污染中的重要作用。本文提出的“多片體組合式可展開(kāi)船”利用可展開(kāi)的船體，可顯著增加船體收油寬度，且在W型底部有效積累油厚利于收油機(jī)高效工作，克服了以往收油船收油寬度小，收油效率低下的缺點(diǎn)。它具有覆蓋面廣，吸油效率高，且能適用于較惡劣海況，大規(guī)模溢油事故的特點(diǎn)，在我國(guó)對(duì)高效吸油船有極大需求的大背景下，具有極好的發(fā)展前景。

2、動(dòng)力定位系統(tǒng)在W型船中的應(yīng)用

2.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)工作原理

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過(guò)控制系統(tǒng)馭動(dòng)船舶推進(jìn)器來(lái)抵消風(fēng)、浪、流等作用于船上的環(huán)境外力，從而使船舶保持在海平而某要求的位置上。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)不斷檢測(cè)船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，再根據(jù)環(huán)境外力的影響計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置所需推力的大小，進(jìn)而對(duì)全船的各推進(jìn)器進(jìn)行推力分配，使各推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力以克服風(fēng)、浪、流等環(huán)境外力的干擾，使船舶保持在某確定位置或沿一定預(yù)定航跡航行。

典型的DP系統(tǒng)主要由三部分組成：1）位置測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量出船舶或平臺(tái)相對(duì)于某一參考點(diǎn)的位置；2）控制系統(tǒng)，首先根據(jù)外部環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流）計(jì)算出船舶或平臺(tái)所受的擾動(dòng)力，然后由此外力與測(cè)量所得位置，計(jì)算得到保持船位所需的作用力，即推力系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生的合力；3）推力系統(tǒng)，一般由冗余的推力器組組成。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 靜水中合攏航行

W型船在合攏狀態(tài)下航行時(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的工作情況即與普通船舶相似。測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)船舶航行的實(shí)際位置，將信息傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)處理所得信息，分析出實(shí)際位置與要求的偏差，按推力分配原則將指令分配到推進(jìn)系統(tǒng)各推進(jìn)器使其產(chǎn)生相應(yīng)的力及力矩，以抵消外界干擾力，達(dá)到動(dòng)力定位的目的。

2.2.2 靜水中展開(kāi)合攏過(guò)程

1 船體在靜水中展開(kāi)過(guò)程：

（1） 1、4片體在側(cè)推的作用下展開(kāi)至指定角度。任一角度時(shí)，將有一對(duì)垂直于兩片體的推力，從而產(chǎn)生繞船尾基點(diǎn)的兩力矩。將兩推力分解到運(yùn)動(dòng)方向和垂直于運(yùn)動(dòng)方向，則總的作用力將與船舶運(yùn)動(dòng)方向相反。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)收集信息，經(jīng)控制系統(tǒng)計(jì)算分析后發(fā)出能抵消兩推力合理的推力指令，推力系統(tǒng)中的推進(jìn)器按指令發(fā)出相應(yīng)力的指令。從而使船舶能在展開(kāi)過(guò)程中不至于因側(cè)推推力的合力作用而產(chǎn)生向后的速度。

（2） 1、4片體展開(kāi)后分別保持1、2和3、4片體間的夾角不變，尾部吊艙推進(jìn)器發(fā)出推力F，使2、3片體也展開(kāi)一定的角度。力F分解成運(yùn)動(dòng)方向和垂直于運(yùn)動(dòng)方向的分量，將產(chǎn)生向前的合力以及力矩，此時(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)工作過(guò)程與1、4片體展開(kāi)時(shí)相似，將給予1、4片體上側(cè)推如圖所示T的力的指令，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位。

2 船體在靜水中的合攏過(guò)程即是展開(kāi)過(guò)程的逆，此處不再贅述。

2.2.3 展開(kāi)后遭遇風(fēng)浪作用

下面說(shuō)明本船以 W 型工作時(shí)遭遇尾斜浪情況下如何保證航向穩(wěn)定：假定船舶 W 型工作時(shí)重心位于 G 點(diǎn)，尾斜浪 q（x）作用于左舷，為了方便說(shuō)明，本項(xiàng)目將沿舷側(cè)分布的波浪作用力 q（x）簡(jiǎn)化為作用于舷側(cè)某一點(diǎn)的集中力Q，它對(duì)重心產(chǎn)生的力矩為 M（x）。此時(shí)船尾、船首的吊艙推進(jìn)器調(diào)整角度β2、β3、β4 和轉(zhuǎn)速，得到向左前方的力 F2、F3、F4，它們對(duì)重心的力矩為M2（x）、M3（x）、M4（x）。1、4 片體上的側(cè)推裝置調(diào)整轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速，得到力 F1、F5，對(duì)重心的力矩為 M1（x）、M5（x）。船舶受力如圖 1.3 所示：

為了保證航向穩(wěn)定，由力學(xué)條件，各力應(yīng)滿(mǎn)足：

當(dāng)船舶所受外載荷與螺旋槳產(chǎn)生推力平衡時(shí)，船舶航向保持不變。

結(jié)論

為研究動(dòng)力定位系統(tǒng)在新型船上的應(yīng)用，本文提出一種W型船，并簡(jiǎn)要介紹了其主體設(shè)計(jì)、性能分析以及應(yīng)用前景。此后，將動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的W型船，分析船舶在靜水中以合攏狀態(tài)航行、展開(kāi)合攏過(guò)程以及展開(kāi)后遭遇風(fēng)浪作用時(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的工作過(guò)程。此后，我們將制作出模型，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)以上理論分析的正確性。

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