基于新型直翼舵槳的減搖系統設計

摘要 基于新型直翼減搖鰭的減搖系統是一種利用直翼舵槳技術來降低船舶在海上行駛時船舶穩(wěn)定性的一種解決方案。該系統包含直翼舵槳和控制系統兩部分。直翼舵槳的設計可以通過升搖和減搖的方式降低船體受到的橫向、縱向波浪的影響，直翼減搖鰭裝置的結構可以參考直翼舵槳設計方式。它與傳統舵的最大不同是直翼舵槳可直接掛靠在船舷上，與船體整合成為一個集成結構。這也增加了減搖鰭的穩(wěn)定性和流線型，使其具有更高的工作效率。文章分別通過對直翼減搖鰭本體、控制系統及零航速下的減搖特點，對新型直翼減搖鰭系統設計展開研究，分析了優(yōu)缺點及相應的應用前景，提出未來的發(fā)展方向。

關鍵詞 船舶；新型直翼減搖鰭；減搖控制系統；零航速

中圖分類號 U662.2；U662.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0013-04

0 引言

船舶減搖設備是一種安裝在船舶或海洋工程結構物上，用來減輕海上搖擺的設備。它主要能夠減少因外界環(huán)境因素（如風、波）等引起的船體晃動、傾斜等不穩(wěn)定現象，從而提高船舶的穩(wěn)定性和安全性。國內外常見的船舶減搖設備包括主動式船舶減搖系統、被動式船舶減搖系統和增壓式船舶減搖系統三種。主動式船舶減搖系統的基本原理是通過在船舶上安裝傳感器和控制器，監(jiān)測船舶運動狀態(tài)，并控制滾擺設備或其他執(zhí)行機構，使船舶維持穩(wěn)定的航行狀態(tài)。被動式船舶減搖系統通常由定向振動吸收器、液態(tài)振動吸收器等構成。由于其被動性質，需要船舶發(fā)生擺動后進行響應，局限性較大。增壓式船舶減搖系統主要是通過改變船體水下形狀來改變船的荷載和穩(wěn)定性。以上的船舶減搖設備既要控制船速，也要控制搖擺，系統復雜，體積龐大、能源消耗大、且減搖效果不明顯。該文介紹的基于直翼減搖鰭具備不論船在何種航向和航速下，只要控制直翼舵槳轉速和舵（鰭）角，減搖裝置即可自動對船產生扶正力矩，最大限度地抵消波浪對船的擾動力矩，達到穩(wěn)定船舶和減小搖擺的作用，特別是在低航速和零航速時具有極佳的減搖效果。

1 減搖裝置

1.1 組成

通過控制直翼減搖鰭裝置[1]來減小或抵消船舶在海洋、湖泊等自然水域中由于海浪、風浪等自然因素引起的橫搖和縱傾。該，減搖裝置主要由直翼減搖鰭裝置、永磁同步電機，伺服電機、機旁控制箱、陀螺儀穩(wěn)定儀、遠傳控制板等組成，全船裝一對或者根據需要裝幾對減搖鰭。

減搖鰭結構如圖1所示，主要由1直翼減搖鰭裝置、2主槳葉、3永磁同步電機、4伺服電機等構成。

1.2 選型及安裝

根據船舶的船型、載重、船長、船寬等參數來制定系統設計方案，典型安裝如圖2所示。其中還包括選擇合適的傳感器、控制器等設備以及安裝位置和數量等。

由于不同的船型與航線環(huán)境不一樣，所以安裝的具體流程和詳細細節(jié)會有所不同。

1.3 減搖工作原理

1.3.1 推力動態(tài)

主要是通過檢測船舶的運動狀態(tài)，實時計算船舶的運動參數[2]，控制主槳葉轉速及槳葉舵面角度，產生向上或向下的推力，從而抑制船舶的橫搖、縱傾等運動。槳葉推力動態(tài)圖如圖3所示。

1.3.2 推力與功率消耗

以11 kW直翼減搖鰭裝置為例，減搖裝置產生的減搖鰭垂向力和推進器消耗功率如表1所示。

1.3.3 零航速減搖功能

傳統減搖設備，一般只有船舶航速達到一定航速時減搖裝置才能發(fā)揮作用。當航速為零，船舶處于停泊狀態(tài)時，傳統減搖設備幾乎無法工作。為解決這個問題，近年來，通過船舶設置減搖水艙來達到這個目的，即通過改變船體內的左右舷減搖水艙的水來平衡船體，以達到減緩船舶橫搖的效果。該系統通常由減搖水艙、水泵、管路和控制系統等組成，不僅系統復雜、成本高，而且由于船舶與水面之間的波浪周期一般在數秒到20 s之間，在此波浪交替之際為達到船體舷減搖水艙兩側交替注入水的過程，需要非常大的壓載減搖水泵，通常要幾十千瓦到上百千瓦，在增加了船舶自重的同時，還需要配置非常大的發(fā)電機來驅動水泵，船舶油耗也大大增加，給船東帶來非常大的不便。

從表1可見，在零航速（0節(jié)）的時候直翼減搖鰭裝置也可以產生188.9 kg垂向力（升力），即船舶無論在何種航速下，均可實現船舶減搖功能。

2 減搖控制

2.1 組成

電氣設備包括電控系統和電力驅動系統。具體結構部件包括控制箱、綜合模塊、陀螺儀、操作面板、電控系統、信號處理分系統、工作順序控制分系統、報警控制分系統、應急停止等。具體控制內容如下：

（1）傳感器檢測船舶運動：控制系統中搭載垂向、橫向、航向等傳感器，通過檢測船舶的傾斜、加速度、角速度等運動參數，實時采集船舶的運動狀態(tài)信息。

（2）控制器計算、分析數據：傳感器采集的數據傳輸給控制器。控制器根據數據計算并分析船舶的運動狀態(tài)及其變化規(guī)律。

（3）直翼槳、舵調整角度：根據控制器計算的運動狀態(tài)信息，控制器產生等幅度、相位相同的共振信號，然后將信號傳輸給直翼槳、舵等控制執(zhí)行器，實時調整槳、舵等設備的速度及角度。

（4）減搖水效作用：通過調整槳、舵等設備的速度及角度，控制船舶的橫搖、縱傾等運動。調整后直翼減搖鰭可以產生水升力（向上或向下），來產生與波浪的反作用力，從而抵消船舶的運動，達到減搖的目的。

（5）指示器顯示狀態(tài)信息：通過儀表或指示燈等，實時顯示船舶的運動狀態(tài)及控制系統的工作狀態(tài)。

2.2 控制策略

當船舶處于一個波浪波期時，船舶產生一個橫搖或者縱傾力矩，通過陀螺儀等傳感器檢測船舶運動，通常檢測為X、Y、Z方向趨勢。如圖4所示，通過PID的算法，輸出給定直翼減搖鰭槳、舵等設備的速度及角度，使減搖裝置產生一個升搖或者減搖，通船舶左舷升搖，右舷減搖，且與波浪力矩相反，如圖5所示。

同時，疊加風浪、涌浪、近岸浪、流波效應、深水波和淺水波、群波、駐波、內波、潮汐波、風暴潮等海上波浪的矢量合成，控制策略預報線性、非線性控制算法結合，上述動作重復執(zhí)行，直到船舶達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

相比傳統零航速減搖水艙，不僅原減搖裝置功率不變，設備無任何增加，減搖反應執(zhí)行速度通常在毫秒級，極大地提升了減搖效果，降低了使用成本。

2.3 陀螺儀

提供與船橫搖角速度成正比的電壓信號。該陀螺儀為壓電速率陀螺，參數如下：

2.4 控制面板

包括減搖裝置電動機啟、停順序和保護，以及正、反轉的動作順序控制，以達到所需工作程序的控制目的。按下控制箱上的“啟動”按鈕（或按下遠傳操作面板上的啟動按鈕），機組工作指示燈亮。選擇自動模式，來自陀螺儀的控制信號、GPS信號、車鐘信號控制減搖電動機工作，系統進入減搖或升搖狀態(tài)。在控制箱上、遠傳操作面板上可顯示舵（鰭）角、轉速、升搖減搖和船舶姿態(tài)角度。按下控制箱上的“停止”按鈕（或按下遠傳操作面板上的停止按鈕），通過程控器邏輯控制，切斷減搖裝置信號，舵（鰭）角復零，經延時后電機停止工作。

2.5 報警控制

由機組執(zhí)行機構上的各傳感器送來的信號，經過處理轉化為聲光報警，提醒操作人員裝置有故障，同時裝置自身會自動做出故障處理。通過程控器邏輯控制，操作面板上的蜂鳴器報警，控制箱上的報警指示燈亮，系統停止工作。第一次按下控制箱、操作面板上的消音按鈕可解除聲報警，如果報警信號已經消失，第二次按下則解除光報警，否則光報警將保持。當減搖裝置溫度超過80 ℃時，溫度操作面板內觸點接通，通過程控器邏輯控制。

2.6 工作模式

控制箱里有一個工作方式選擇開關“自動/手動”，當在“自動”工況下，裝置本身能按照一定的頻率和幅度生成正弦波，兩套減搖裝置在該信號的控制下發(fā)生周期轉速。在該信號的作用下，船舶將發(fā)生一定幅度的橫搖，模仿波浪的作用。正常情況下，將該開關切換到“自動”工況下。

2.7 應急停止

當裝置處于工作狀態(tài)，如值班人員發(fā)現機組有異常現象（如異響、油溫高等）時，可按下控制箱上的“應急停止”按鈕（或按下駕控臺操作面板上的應急停止按鈕），機組立刻停止工作。

關于直翼減系統原理圖如圖6所示，系統具有自檢功能，通訊采用Modbus串行通信協議，通訊接口采用RS485。關于電控設備各項功能，見表2。

5 結果與討論

船舶直翼減搖裝置是一種新型的減搖裝置，與傳統的減搖裝置相比，具有更高的減搖效果，特別是零航速下的使用效果。在實際應用中，可以顯著提高船舶穩(wěn)定性，提高了船員乘船的舒適度和船舶設備的穩(wěn)定性，降低了船舶燃油消耗和設備的維護成本，使航行效率和經濟性大大提高，也減少了環(huán)境污染，具有較高的實用價值。然而，直翼減搖裝置的初始成本較高，需要更高的技術要求和維護成本，因此在船舶設計和制造上還需要繼續(xù)改進和優(yōu)化，以進一步提高其市場競爭力。該技術可被廣泛應用于各類大型海洋工程船舶、客船、貨輪、石油天然氣勘探船等各種船舶類型中。此外，該技術也適用于海上風力發(fā)電場的建設和維護等領域。

參考文獻

[1]黃佳林. 船舶直翼側推器：CN20

2193202 U [P]. 2012-04-18.

[2]史俊武. 基于CFD的直翼推進器水動力性能研究及參數影響分析[J]. 船舶力學， 2021（2）： 183-192.