全航速減搖鰭設(shè)計(jì)研究

唐偉煒，鐘宇萍，陳愛國(guó)，鄧宏程

（廣州航海學(xué)院，廣州 510725）

1 引言

船舶在海上航行中，由于受到海浪環(huán)境等因素的干擾會(huì)產(chǎn)生橫搖、橫蕩、縱搖、縱蕩、垂搖、垂蕩六個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)。由于船舶的船長(zhǎng)遠(yuǎn)大于船寬，所以船舶在海上極易發(fā)生橫搖，相較于其他自由度上的運(yùn)動(dòng)，橫搖運(yùn)動(dòng)搖擺賦值最大、運(yùn)動(dòng)最為劇烈[1]。橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)船舶在海上的正常工作、船員的舒適度等方面都有較大的影響。減搖鰭是目前最有效、最常見的抗橫傾裝置，而常規(guī)減搖鰭無(wú)法滿足零航速狀態(tài)下的減搖需求[2]。為了得到最優(yōu)化的全航速減搖鰭設(shè)計(jì)參數(shù)，本文以非收放式減搖鰭抗橫傾系統(tǒng)作為研究對(duì)象，側(cè)重于對(duì)全航速的減搖鰭鰭型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出實(shí)用性強(qiáng)的全航速減搖鰭鰭型。

2 減搖鰭的減搖原理

減搖鰭通過鰭片產(chǎn)生升力力矩形成減搖力矩，用來(lái)對(duì)消海浪、海流等因素產(chǎn)生的波浪擾動(dòng)力矩，從而達(dá)到抗橫傾的效果。

波浪產(chǎn)生的橫搖干擾力矩為：

式中：h 為初穩(wěn)心高；D 為船舶排水量；γ 為波傾角。

在零、低航速下，減搖鰭是采用主動(dòng)急拍的方式產(chǎn)生升力L；在中、高航速下，減搖鰭產(chǎn)生的減搖力矩為：式中： Af為鰭的面積；V 為船舶航速；CL為鰭升力系數(shù)。

由公式（2）可知，此力矩與鰭面積Af 和航速v的平方成正比。在鰭型參數(shù)及航行速度一定的情況下，減搖力矩MCT只由轉(zhuǎn)鰭角α 來(lái)確定。

當(dāng)MB與MCT相等時(shí)，即減搖鰭減搖力矩與海浪干擾力矩相互抵消時(shí)，船舶橫搖運(yùn)動(dòng)將停止。

裝有減搖鰭的船舶，其鰭型參數(shù)是確定不變的，那么鰭所獲得的穩(wěn)定力矩將只由航行速度和轉(zhuǎn)鰭角來(lái)決定[3]。在保持穩(wěn)定的航速時(shí)，則可以通過改變轉(zhuǎn)鰭角α 來(lái)改變穩(wěn)定力矩，從而達(dá)到對(duì)穩(wěn)定力矩的控制，利用一定的控制規(guī)律、反饋裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)則能使鰭產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩恰好能與波浪擾動(dòng)力矩互相抵消，達(dá)到抗橫傾的效果。

3 高航速減搖鰭鰭型設(shè)計(jì)

由于普通減搖鰭的鰭面所受到的升力正比例于船舶航行速度的平方,所以減搖鰭提供的減搖力矩受限于船的航行速度，即在較低航速下鰭的減搖效果很差。由于許多船舶要求在零、低航速下工作，國(guó)外已有許多針對(duì)這方面的研究，并且發(fā)現(xiàn)采用主動(dòng)急拍減搖鰭獲得減搖力矩的方法要比被動(dòng)式減搖水艙減搖成效高出許多[5-7]。這是因?yàn)榱恪⒌秃剿傧聹p搖鰭是通過船舶輔機(jī)主動(dòng)施力使鰭規(guī)律性拍打水面獲得升力，這與中、高航速情況下獲得升力的原理明顯不一樣，在這兩種不同情況下鰭型的設(shè)計(jì)要求自然不一樣。

3.1 船舶主要參數(shù)

以88 m 輕型海工輔助船為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)適用于該船型的全航速減搖鰭鰭型。該船主要參數(shù)如下：

船舶初穩(wěn)心高h(yuǎn) 3.2 m

船舶排水量△ 1.4×107 kg×g=1.372×108 N

船寬B 20 m

最大波高H1/104.2 m

海浪波長(zhǎng)λ 103 m

設(shè)計(jì)航速v 18 kn

海浪周期T 5 s

3.2 減搖鰭最大升力計(jì)算

由橫搖運(yùn)動(dòng)方程以及船舶主要參數(shù)，可以計(jì)算得到船舶所受最大波浪擾動(dòng)力矩為：

由減搖鰭原理可知，減搖鰭所產(chǎn)生的最大減搖力矩MCTmax應(yīng)等于最大波浪擾動(dòng)力矩MBmax，即

式中：Lzm為單個(gè)減搖鰭所需最大升力；R 為力矩力臂。

由公式（4）、（5）式可得：

3.3 鰭軸位置計(jì)算

在零航速情況下，通常全航速減搖鰭鰭軸位置比常規(guī)減搖鰭更加靠近前緣，升力多集中于鰭軸后端；當(dāng)鰭尾部的線速度越大時(shí)，獲得的升力也將越大。因此，在鰭型確定且零航速的情況下，鰭軸的前移能增加升力；將不同的鰭軸離前緣的長(zhǎng)度代入式（1），可得出不同鰭軸位置所對(duì)應(yīng)的升力大小，計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

由圖2 可知，將鰭軸向鰭前緣移動(dòng)能夠提升鰭在零航速狀態(tài)獲得的升力，且同時(shí)不使鰭工作于中、高航速時(shí)利用攻角獲得的升力受到影響。但在中、高航速的情況下，鰭升力中心的位置接近于距鰭首緣的1/4處，如果鰭軸位置偏離此位置則將使鰭受到的轉(zhuǎn)矩增大，從而使驅(qū)動(dòng)鰭轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩大幅增加，這將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的功率大幅上升。

圖2 為δ(1/Lzm) — Cc （零、低航速下最大升力的倒數(shù)增加比率）曲線和δ(Cm) — Cc （中、高航速下轉(zhuǎn)矩增加比率）曲線。1/Lzm 和 Cm 的值均越小越好，對(duì)于全航速減搖鰭，選擇兩條曲線的交點(diǎn)來(lái)確定鰭軸最合適的位置，即取鰭軸相對(duì)位置參數(shù)Cc=1/6。

3.4 鰭面面積的計(jì)算

不同航速情況下減搖鰭展弦比的最優(yōu)參數(shù)是不同的，對(duì)于應(yīng)用于全航速情況下的減搖鰭，展弦比通常選擇0.35 ～0.6，此處設(shè)計(jì)的展弦比為λ=0.5。

對(duì)于零、低航速下的鰭面面積需求，可以將LZm、λ 值等代入下式：

式中：ωm為鰭角速度ω 的最大值；t 為ω 從零增大到最大值ωm所耗時(shí)間；Cd是形狀阻力系數(shù)；ka 為附加質(zhì)量力系數(shù)；α 為轉(zhuǎn)鰭角度。

對(duì)于中、高航速下的鰭面上的升力系數(shù)CL，可將α0=1.8π/57.3、CDC=0.8、αs=0、CDC=0.4、λ=0.5 代入式（7）：

式中：αs是鰭后掠角；αf為來(lái)流攻角；α0是升力曲線斜率的修正系數(shù)；CDC是形狀參數(shù)，通常可取0.4 或0.8。

通常，來(lái)流攻角取af= 20°，設(shè)計(jì)航速v =18 kn，則中、高航速下的鰭面面積的計(jì)算，可結(jié)合式（2）和式（8）得出鰭面積為：

對(duì)兩種航速情況下的鰭面積需求進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)鰭面積在零、低航速下所需面積較大，故按零、低航速的鰭面積需求取A=3.687 m2。

弦長(zhǎng)4d、展寬e、鰭軸離首緣的長(zhǎng)度c2計(jì)算得出：

4 全航速減搖鰭鰭型設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)圖

4.1 減搖鰭鰭型的最終設(shè)計(jì)參數(shù)

全航速減搖鰭鰭型參數(shù)名稱 數(shù)值

4.2 全航速鰭型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

全航速減搖鰭鰭型圖見圖3。

5 結(jié) 論

常規(guī)減搖鰭通常在零、低航速狀況下幾乎沒有抗橫傾效果，而采用主動(dòng)急拍的工作方式可使減搖鰭在零航速的情況下也能產(chǎn)生減搖力矩。綜合上述的理論分析和數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的全航速減搖鰭克服了在零、低航速狀態(tài)下面積需求過大及鰭軸位置矛盾等情況，可在零、低航速以及中、高航速同時(shí)實(shí)現(xiàn)減搖的效果。同時(shí)提出了全航速減搖鰭的鰭型優(yōu)化方法。

根據(jù)實(shí)船參數(shù)以及結(jié)合上述全航速減搖鰭鰭型的優(yōu)化方法，計(jì)算得出了88 m 輕型海工輔助船減搖鰭的設(shè)計(jì)參數(shù)。而在實(shí)際推廣應(yīng)用中，可通過實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算合適的參數(shù)：鰭軸相對(duì)位置C 選擇在前緣1/6-1/5 之間；展弦比λ 在0.35～0.6 之間；再結(jié)合升力模型計(jì)算得出實(shí)際所需的鰭面積A 等鰭型的其它參數(shù)。