海洋核動力平臺減搖方式研究

韓 冰，張乃樑，郭 健，郭 翔

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

船舶在海上作業時，由于受到海浪、海風及海流等海洋環境擾動的作用，不可避免地產生6個自由度運動，即橫搖、縱搖、首搖、橫蕩、縱蕩和升沉。船舶搖擺會影響船上設備的正常工作，嚴重時還有可能損壞船上設備，此外過分搖擺也直接影響船員的工作效率及人身安全。海洋核動力平臺作為一種新興的海上發電設施，需要長期單點系泊于固定海域，屬于典型的非自航式船舶，此外，由于搭載核動力裝置，平臺對減搖的要求更加嚴格。本文對海洋核動力平臺減搖方式進行研究，通過分析平臺的運行環境及運動性能，對平臺的減搖需求進行論證，進而根據平臺自身特點，對減搖裝置進行篩選，并著重對減搖水艙及減搖陀螺方案進行了設計和論證，為該類問題的解決提供思路[1]。

1 海洋核動力平臺運行環境及運動性能

對于船舶而言，是否需要減搖裝置、需要哪種減搖裝置并不能一概而論，而是需要根據設計要求，綜合考慮船舶的作業海域條件及運動性能特征，對船舶的搖擺進行量化的分析，盲目地使用或取消減搖裝置都會對船舶的安全性及經濟性造成損害。

1.1 海洋核動力平臺運行環境分析

海洋核動力平臺設計作業海域為渤海海域，由于渤海風區小，災害性海浪的發生頻率也小，根據GJB4000-2000《艦船通用規范》可得各海況條件下對應的風浪數據，在設計過程中，假定海洋核動力平臺設計作業的極限海況為7級海況，根據《西北太平洋波浪統計集（1961-1990）》統計數據得到渤海海域各海況的發生概率，如圖1和表1所示。

圖1 渤海海域波浪全年統計數據Fig. 1 The wave′s annual statistics of Bohai sea

表1 渤海海域各海況發生概率Tab. 1 The sea state′s probability of occurrence of Bohai sea

1.2 海洋核動力平臺運動性能分析

船舶的運動性能與主尺度數據緊密關聯，為使表述更加清晰，給出海洋核動力平臺主尺度數據如表2所示。

表2 海洋核動力平臺主尺度數據Tab. 2 The principal dimensions of marine nuclear power plant

海洋核動力平臺由于長期單點系泊于渤海海域，為保證人員和設備的安全性，需要考慮海洋核動力平臺所有可能存在的運動狀態，尤其需要關注最危險的運動狀態。對于海洋核動力平臺運動狀態的分析，采用三維勢流方法結合作業海域的海浪譜分析，現對海洋核動力平臺迎浪以及橫浪狀態進行分析，數值預報效果如圖2所示，通過數值計算得到各海況下搖擺角如表3所示。

圖2 海洋核動力平臺耐波性數值預報效果圖Fig. 2 The rendering of wave resistance′s numerical prediction of marine nuclear power plant

表3 海洋核動力平臺各海況下搖擺角Tab. 3 The various sea state’s swing angle of marine nuclear power plant

1.3 人員設備對海洋核動力平臺搖擺的要求

1.3.1 人員對海洋核動力平臺搖擺的要求

人員對于船舶搖擺的要求一般使用船舶耐波性衡準來衡量。對于耐波性衡準，不同研究機構和專家學者提出了不同的建議，比較有代表性的建議包括《船舶設計實用手冊（總體分冊）》、北歐合作研究計劃以及國際標準化組織（ISO）衛生與安全委員會（HSC）的船舶耐波性執行標準[2]，上述建議雖然數據上略有不同，但差別不大，通過分析總結得出人能承受的最大橫搖角為10°，縱搖角為4.8°，超過這個界限則認為人無法正常活動；人能正常工作的最大橫搖角為8°，縱搖角為3°，超過這個界限則認為人無法正常工作。考慮到海洋核動力平臺的運行要求，需滿足在工作狀態下橫搖角盡量不超過8°，縱搖角盡量不超過3°。

1.3.2 設備對海洋核動力平臺搖擺的要求

海洋核動力平臺設備主要分為平臺設備及核動力裝置2部分，其中平臺設備主要遵循GJB、中國船級社等相關規范要求，核動力裝置主要參考俄羅斯關于核動力船舶的相關規范；此外，由于海洋核動力平臺需要在海上進行裝卸料操作，因此還需要滿足極為苛刻的裝卸料操作要求，如表4所示。

綜上可知，為滿足海洋核動力平臺所有設備的使用要求及海上裝卸料操作要求，平臺在工作狀態下的橫搖角應盡量不超過6.5°，縱搖角不超過5°。

表4 海洋核動力平臺設備搖擺限定值要求Tab. 4 The limit of swing angle of marine nuclear power plant

1.3.3 海洋核動力平臺海況條件及運動性能總結

通過分析上述數據可得，平臺縱搖相對于橫搖而言，其搖擺幅度較小，加之目前并沒有很好的減小縱搖的方法，因此本文暫不考慮縱搖的影響。結合上述海洋核動力平臺運行環境、運動性能以及人員設備對搖擺角的要求，得出海洋核動力平臺海況條件及運動性能總結如表5所示。

表5 海洋核動力平臺海況條件及運動性能Tab. 5 The sea state and athletic performance of marine nuclear power plant

根據表5可知，在6～7級海況并且平臺處于橫浪狀態時，海洋核動力平臺橫搖角可能超過要求值，為了使橫搖角在規定范圍內，此時有必要使用減搖裝置來緩解橫搖。

2 減搖方式介紹

一般來說，實現船舶減搖的途徑大約有3種，即增大阻尼系數、減小船舶固有頻率、直接減小擾動力或力矩。目前應用比較廣泛的減搖裝置主要包括：舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙、減搖陀螺及舵減搖[3]。

2.1 舭龍骨

2.1.1 減搖特點

舭龍骨結構簡單、造價低、效能高、沒有運動部件、便于維護，且在任何情況下都有減搖效果，因此被廣泛應用到各類船舶。

2.1.2 典型應用實例

目前幾乎所有海船都毫無例外地裝有舭龍骨，它已成為海船船體的一部分。

2.2 減搖鰭（非零航速）

2.2.1 減搖特點

減搖鰭是目前最常用且減搖效果最好的船舶主動式減橫搖裝置。減搖鰭有一個較大的缺點，鰭所產生的用來減搖的力矩跟航速平方成正比，所以在低速情況下減搖效果很差，零航速時沒有減搖效果。減搖鰭在橫浪下減搖效果最好，在迎浪、特別是尾斜浪下的減搖效果不理想甚至不減搖。

2.2.2 典型應用實例

目前許多國家海軍的中高速大型船舶、許多商船和其他船舶都裝有減搖鰭，收放式減搖鰭主要裝在較寬船型的船舶上，如客船、車客渡船、滾裝船、集裝箱船等。

2.3 零航速減搖鰭

2.3.1 減搖特點

相比于普通減搖鰭，零航速減搖鰭無需航速即可完成減搖，但所需功率大大高于普通減搖鰭的控制動力。

2.3.2 典型應用實例

VT Naiad Marine聯合公司推出的S@ATM零航速減搖系統己經設計定型并被安裝到許多正在建造的游艇上（如MY Princea Vlantina號游艇）；美國的Quantum船舶工程公司于2002年開發了多種規格的名為OnAnchorTM的零航速減搖鰭系統，當年就有18支船安裝了該公司的零航速減搖鰭。

2.4 減搖水艙

2.4.1 減搖特點

減搖水艙的減搖效果跟航速沒有直接關系，可以在任何航速下減搖，此外還具有結構簡單，消耗的能量小，造價低廉，易于維護保養等優點。減搖水艙存在減搖效率相對較低、占用空間大、低頻擾動下易增搖等缺點。

2.4.2 典型應用實例

我國的跨海火車輪渡——“粵海鐵1號”，采用了英特靈減搖水艙系統；丹麥多艘大型火車輪渡及多艘貨船上都裝有德國英特靈公司提供的多功能可控被動水艙[4]。

2.5 舵減搖

2.5.1 減搖特點

與鰭減搖裝置相比，舵減搖具有造價低，所占空間小，使用和維修方便，不增加附加阻尼，以及便于對原來沒有配備減搖裝置的現役船舶進行加裝改造等優點。舵減搖缺點是需要很大的功率和舵速，民用船舶的舵機必須進行改造方可安裝。另外，舵減搖控制器對船舶參數高度敏感，船體結構的微小變化、船舶裝載的改變、船舶航速的變化及舵機參數的改變等所引起的船舶參數的變化都會使減搖效果下降，甚至使減搖控制失敗。

2.5.2 典型應用實例

Blohm+Voss industries公司在過去的10年左右的時間里，就已經為22條船配套了舵減搖設備，其中大部分為海軍用戶，包括荷蘭海軍、韓國海軍和德國海軍[5]。

2.6 陀螺減搖

2.6.1 減搖特點

陀螺減搖應用比較成熟，其噪音低、結構緊湊、占用空間小、無航速限制、不增加航行阻力、可以單獨制造和安裝，在船舶零航速下亦可產生很好的減搖效果。陀螺減搖的缺點是目前還未普及大型化，絕大部分情況下應當用于排水量小于100 t的船艇。

2.6.2 典型應用實例

美國海軍曾于1992年在UUS Worden 驅逐艦上安裝了陀螺減搖裝置；此外，陀螺減搖已經有大型化趨勢，如意大利在排水量為41 700 t的豪華班輪Conte Di Savoia上安裝了1套主動陀螺減搖裝置[6]。

2.7 減搖裝置分析

2.7.1 減搖裝置對比

根據文獻及相關廠商提供的數據[7]，總結各種減搖方式對比分析如表6所示。

表6 減搖方式對比分析Tab. 6 Comparison and analysis of various stabilizer

2.7.2 減搖裝置總結

通過綜合分析海洋核動力平臺運行特點及主要減搖裝置的性能等，得出結論如下：

1）舭龍骨結構簡單、造價低、效能高，且在任何情況下都有減搖效果，它已成為海船船體的一部分，海洋核動力平臺同樣安裝有舭龍骨。

2）由于海洋核動力平臺長期單點系泊于渤海海域，所以大部分時間處于零航速狀態，普通減搖鰭的作用微乎其微；此外，海洋核動力平臺沒有安裝舵機，因此舵減搖也不適用。

3）由于零航速減搖鰭技術難度大，對于大排水量船舶的減搖效果不明確，加之目前國內尚沒有企業可以獨立生產零航速減搖鰭，技術成熟度不高，因此零航速減搖鰭也不適用。

4）減搖水艙和減搖陀螺都可以在零航速下實現船舶減搖，目前技術比較成熟的被動可控式減搖水艙以及減搖陀螺耗電量小，國內已有廠家可以獨立生產并且其產品也已有較廣泛的應用，減搖陀螺雖鮮有大型船舶應用的實例，但其減搖原理是力矩的疊加，隨著陀螺數量的增加理論上可以實現大型船舶的減搖，因此應用減搖水艙和減搖陀螺對海洋核動力平臺進行減搖的可行性較大。

3 減搖水艙及減搖陀螺方案設計結果介紹

針對海洋核動力平臺項目，分別進行了減搖水艙方案及減搖陀螺方案的設計工作。

3.1 減搖水艙

海洋核動力平臺減搖水艙方案設有中部與首部2個減搖水艙，中部減搖水艙艙容1 230 m3，裝載804 t淡水。首部減搖水艙艙容1 676 m3，裝載943 t淡水。整個減搖水艙方案共需空間2 906 m3，總重量約2 000 t。減搖水艙方案需要船舶供電系統提供兩路380 V，50 Hz的三相交流連續供電，在各種工況下設備的最大用電功率為20 kW。減搖水艙系統在控制氣閥開啟和關閉時，需要船舶高壓氣系統為其供氣，系統需要兩路供應壓力3MPa的高壓氣，每路耗氣量120 m3/h。

減搖水艙的仿真計算結果如圖3所示。

圖3 仿真計算結果Fig. 3 Simulation results

根據仿真計算數據可知，在6級海況下，減搖水艙減搖效果達到44.8%，在7級海況下，其效果可以達到31%。

3.2 減搖陀螺

減搖陀螺在大排水量船舶上的應用目前尚處于理論研究階段，缺乏成熟的實驗方法和仿真手段，但由于減搖陀螺最終輸出的是減搖力矩，因此其減搖方法可以簡單理解為是力矩的疊加，依據這個原理即可進行方案的初步設計[8]。

減搖陀螺方案共有2個設計思路，一是采用一個或幾個大角動量陀螺，二是采用多個小角動量陀螺。考慮到技術成熟度的因素，海洋核動力平臺減搖陀螺方案采用方案2，即采用多個目前市面上已有成熟產品的500 k N.m.s角動量型號的減搖陀螺疊加的方案，本方案采用20個角動量為500 k N.m.s的減搖陀螺，共提供10 000 k N.m.s角動量。每個減搖陀螺的外形尺寸約為3.5 m×3.5 m×3.5 m，重量10 t。單個陀螺耗電量約為45 kW（運轉功率），總耗電量為900 kW，噪音不超過75 dB，檢修周期為10 000 h/次，壽命約為20年。

根據力矩計算數據可知，在6級和7級的海況下，減搖陀螺減搖效果均可達到60%。

4 減搖裝置設計結論

通過對海洋核動力平臺運行環境及運動狀態的分析，得出減搖裝置設計結果如表7所示。

給出減搖水艙及減搖陀螺代價對比如表8所示。

表7 海洋核動力平臺減搖裝置需求分析Tab. 7 Demand analysis of stabilizer of marine nuclear power plant

表8 減搖水艙及減搖陀螺代價對比Tab. 8 The price comparison between anti-roll tank and anti-roll gyro

通過綜合分析，可得如下結論：

1）在1～5級海況下，船舶橫搖角都在允許范圍內，不需要使用任何減搖設備進行輔助；在6～7級海況下并且處于橫浪狀態時，船舶搖擺角超過允許范圍，此時通過減搖水艙及減搖陀螺方案均能保證6級海況下船舶搖擺角在允許范圍內，但在7級海況下仍然不能滿足要求。根據《西北太平洋波浪統計集（1961–1990）》可知，渤海海域未檢測到過7級海況發生的情況，因此認為此設計結果滿足要求；

2）減搖陀螺雖減搖效果相對較好，對設備空間的要求也小，但其價格極其昂貴，已遠遠超出以發電盈利為最終目的的海洋核動力平臺項目所能承受的范圍；

3）減搖水艙技術成熟度高，目前也已有大排水量船舶應用的實例，其減搖效果雖然不及減搖陀螺，但也能達到要求，且其成本遠遠低于減搖陀螺，應用的現實性高；此外，減搖水艙雖占用船內空間及重量較大，但結合海洋核動力平臺自身特點，可將減搖水艙兼做壓載水艙，在合理規劃設計后，其空間及重量代價可以維持在可承受范圍內，因此決定選擇減搖水艙作為海洋核動力平臺的減搖方式。

5 結 語

海洋核動力平臺屬于典型的非自航式船舶，此類船舶的減搖問題一直以來都是困擾著船舶行業的難題，此外，由于搭載核動力裝置，平臺對減搖的要求更加嚴格。本文對海洋核動力平臺減搖方式進行研究，通過分析海洋核動力平臺的運行環境及運動性能，對減搖方式進行了選擇和設計，最終將平臺在設計海況下的搖擺幅度控制在合理的范圍內，為該類問題的解決提供了思路。