靜水中AHTS操縱特性探析

王續仁 吳屯彪

1.中海油田服務股份有限公司湛江分公司；2.廣東海洋大學

1.引言

AHTS作為海上油氣開發不可缺少的海洋裝備，備受各國海洋油氣能源企業的重視，如何更好掌握A HTS的操縱特性，最大程度上降低海上事故是各船舶管理公司所關注的重點。當前關于AHTS操縱特性的研究主要集中在以下2個方面。

（1）AHTS某次作業的具體操縱問題分析。李偉等[1]分析了“海洋石油675船”拖帶“海洋石油944”平臺拖纜受力情況，并對“海洋石油675船”采取相應操縱成功出江；沈愛平[2]介紹了AHTS在“南海八號”平臺起拋錨作業中的操船要點；施金超[3]基于AHTS靠泊海上平臺對船舶操縱要領進行闡述。綜上文獻，AHTS海上作業類別多樣，作業情況復雜多變，要求船長具備豐富的理論基礎及實踐經驗。

（2）AHTS舵漿水動力分析。近年，新型AHTS開始使用吊艙式推進器，同時研究者對AHTS操縱性能的研究交點也轉移到對吊艙式推進器。趙大剛等[4]對L型吊艙推進器直航及操舵工況水動力性能進行試驗研究；武軍[5]研究了吊艙式推進器的技術細節，并對其具體應用展開分析；袁桂蓉[6]對吊艙式推進器船舶的操縱系統進行了深入的研究，并通過建立吊艙推進器船舶的操縱運動模型、海上干擾作用力模型，對吊艙推進器船舶的運動進行仿真試驗。上述文獻通過對船舶螺旋槳和舵建模及模擬實驗，分析其受力情況，從單個設備得出了船舶的動力特性。

綜上，當前對AHTS操縱性能的研究主要集中在某次作業或某種作業中對遇到的情況展開研究，一些學者從理論角度對AHTS的螺旋槳和舵受到的水動力影響展開研究，對船長在AHTS生產作業中具有一定的指導意義。然而，對于AHTS海上常規作業，需要從其自身的操縱特性出發，結合實踐，建立一套完整的AHTS操縱體系，以應對海上各種復雜海況和工況。

2.AHTS船體結構及動力配置

基于A HTS的靠泊特性和作業性質，各等級的AHTS均具備靈活的操縱特性，同時由于作業水深和作業種類的不同，不同等級的AHTS船體結構和動力配置有所差異。

結構方面，AHTS船長在60～80m之間，噸位：1000～4000GMT，滿載吃水:5～8m，干舷:2～4m。生活區位于船首，水線以上主要受風區域位于船首，船中及船尾受風面積較小。駕駛室設置前、后可獨立操縱雙控駕駛臺，前駕駛臺用于航行，后駕駛臺用于海上靠泊、拖帶以及拋起錨等作業。

動力配置，大多AHTS采用可變螺距（CPP）雙螺旋槳，配備導流罩，雙襟翼舵，部分新建船舶采用吊艙式可回轉雙推進器，可分開或聯合控制。對于雙舵槳船配備首尾側推器，吊艙式可回轉雙推進器配備首側推器。首尾側推器最大推力：10～50T，主機總功率：8000～30000hp。

3.無外界因素干擾下自有動力作用下的運動

AHTS在可變螺距螺旋槳、襟翼舵以及前后側推器的聯合使用下具備良好的操控性能。下面從AHTS自有動力展開討論，探析靜水中船體在自有動力作用下的運動態勢。

圖1 右螺旋槳進車運動軌跡

圖2 右螺旋槳倒車運動軌跡

3.1 可變螺距螺旋槳（CPP）作用下的運動

AHTS可變螺距槳能夠在不改變螺旋槳和主機轉向的情況下，僅改變螺距產生一定的推力，減少柴油機換向應車時間，主機定速情況下實現無級變螺距，使船舶微速前進或后退，相比定距槳具有明顯的操縱優勢。

3.1.1 單螺旋槳作用下的運動

右螺旋槳進車，產生偏轉推力，使船尾右轉，船首左轉。右螺旋槳旋轉方向向右，螺旋槳進車時產生橫向力使船尾右轉，船首左轉，兩偏轉力疊加后船舶運動態勢：船尾右轉，船首左轉。右螺旋槳倒車，產生偏轉推力，船尾左轉，船首右轉。右螺旋槳旋轉方向向右，倒車時產生橫向力使船尾右轉，船首左轉，兩偏轉力方向相反，但螺旋槳位置偏移產生推力遠大于橫向力產生推力，兩偏轉力疊加后運動態勢依然使船尾左轉，船首右轉，但偏轉幅度小于右螺旋槳進車螺距產生的幅度。同理，左螺旋槳作用下的運動與右螺旋槳作用下的運動相反。

3.1.2 雙螺旋槳作用下的運動

雙螺旋槳螺距大小和方向相同時，船體不產生偏轉力矩，且雙螺旋槳外旋，左右螺旋槳產生的橫向力相互抵消，同樣產生偏轉力矩。此時，雙螺旋槳相同螺距進車或倒車，船舶沿直線運動，保向性較好。

雙螺旋槳螺距不定而方向相反時運動態勢。以右螺旋槳進車，左螺旋槳倒車為例，受力分析見圖3。

圖3 右螺旋槳進車，左螺旋槳倒車

圖4 雙螺旋槳螺距不定方向相反時運動軌跡

圖3雙螺旋槳轉軸連線與AHTS首尾線交點為O，O點到螺旋槳轉軸中心距離L為力臂，左右螺旋槳推力為F。雙螺旋槳推力產生力矩遠大于雙螺旋槳橫向力產生力矩，橫向力產生力矩不予考慮。

螺旋槳推力產生的力矩為：

式中：M1為左螺旋槳產生力矩；F1為左螺旋槳產生推力；L1為左螺旋槳推力力臂；M2為右螺旋槳產生力矩；F2為右螺旋槳產生推力；L2為右螺旋槳推力力臂；M3為螺旋槳合力矩。在M3作用下船體逆時針旋轉。同理，左螺旋槳進車，右螺旋槳倒車，船舶順時針旋轉。

綜上，雙螺旋槳運動軌跡主要有3種情況：①雙螺旋槳螺距大小及方向相同時，船舶沿直線運動；②雙螺旋槳螺距大小不等方向相同時運動軌跡與單螺旋槳近似，但轉向角速度有所差異；③雙螺旋槳螺距不定方向相反時船體產生旋轉運動。

3.2 襟翼舵和螺旋槳綜合作用下的運動

襟翼舵位于螺旋槳后方，其產生的轉船力矩主要來源于螺旋槳排出流作用到舵葉面，進而產生轉船力矩。因此，靠泊中的工作船要想獲得舵力，須與螺旋槳配合使用。

舵力對重心的轉船力矩：

式中：Mδ為舵力產生的轉船力矩；Pδ為水在舵葉上產生的舵力；d為船舶重心與舵力之間的垂直距離；δ為舵角，L為船長。

當船舶向左轉向時，左螺旋槳倒車、右螺旋槳進車、操左舵，如圖5。

圖5 舵和螺旋槳綜合操縱

1）雙螺旋槳產生合力矩：

M3=M1+M2，船首逆時針方向旋轉。

3）合力矩：

M=M3+Mδ，船首逆時針方向旋轉。

當左螺旋槳倒車、右螺旋槳進車、操右舵，則合力矩為：

M=M3-Mδ

綜上：a）當舵力轉向力矩和螺旋槳的轉向力矩大小相等且方向相反時，船體不產生旋轉；b）當舵力轉向力矩大于螺旋槳的轉向力矩且方向相反時，船舶向右旋轉，旋轉效果較差；c）當舵力轉向力矩小于螺旋槳的轉向力矩且方向相反時，船舶向左旋轉，旋轉效果較差。

3.3 首、尾側推器作用下的運動

AHTS首尾側推器多為可變螺距（CPP）槽道式側推器，具有可頻繁變相的優點，部分船舶首部裝有折臂或伸縮式的全旋回側推器。側推器可以提供橫向力，提高船舶操縱靈活性。

船舶靜止中，單獨使用首側推器產生側推力，船首將繞轉心旋轉，初始旋轉角速度在側推器推力和水阻尼力共同作用下，船舶旋轉角速度從零逐漸增大到最大，最終做勻速圓周運動，船舶轉心從距船尾0.333L處逐漸向質心處移動，船舶作勻速圓周運動時，轉心穩定在船尾前0.359L處，船首旋回半徑加大，所需水域相應加大，船尾旋回半徑較小，所需水域小并有一定的反量，如圖6a。

圖6 靜水中單端受力運動軌跡

同理，當單獨使用尾側推器時，船尾旋回半徑加大，所需水域相應加大，船首旋回半徑較小，所需水域小并有一定的反量，如圖6b運動軌跡。

3.4 AHTS在無外界因素干擾情況下自有動力車、舵、側推器作用下的綜合操縱

由于海上作業環境和作業任務的不同，AHTS的靠泊動力設備配置有一定的差異，下面介紹兩種沒有配置尾側推器的船舶典型的綜合操縱方法。

3.4.1 船舶橫向向右或向左平行移動

向右平行移動，操縱方式：左車右進、左車退、用左舵、首側推器向右推。如圖7所示，靠泊前后富余距離較小泊位。

圖7 靠泊前后富余距離較小泊位

對此操縱方式受力解析：

對船尾：右螺旋槳進車，左螺旋槳倒車產生的力矩使船首向左偏轉船尾向右偏轉，操左舵產生的轉船力矩使船首向左偏轉船尾向右偏轉，車和舵產生的推力合力使船尾向右偏轉，船首向左偏轉。

對船首：首側推器向右推使船首向右偏轉。當船舶首尾兩端受到的推力相等方向相同時，船舶整體向右移動，當進車和倒車產生推力相等方向相反時，船舶縱向無進退，此時船舶整體運動狀態為：首向平行起始首向，縱向無進退，平行向右移動。

3.4.2 以船尾為旋轉中心，船長為半徑旋轉運動

以船尾為旋轉中心，船長為半徑旋轉運動，船首向右旋轉，操縱方式：右車進左車退，操左舵，首側推器向右推。船體旋轉時會產生離心力，迫使船體在旋轉的過程中也在向前運動，如圖8。

圖8 靜水中以船尾為原點船長為半徑運動軌跡

對此操縱方式受力解析：

首側推器向右推，船首向右偏轉船尾向左偏轉；右車進左車倒，操左舵抵消船尾向左偏轉使船尾保持原位置；倒車大于進車抵消船體旋轉產生的離心力使船尾縱向距離保持在原位置。

此操縱方法多在船舶靠泊平臺正在吊裝作業或帶臍帶為平臺輸送散料、補給油水并需同時調整船舶位置時常用，此類方法應謹慎操縱協調配合，避免拉斷吊索或拉斷臍帶造成人員受傷或海洋污染。

4.結束語

AHTS的特殊結構設計，擁有兩個可變螺距推進器、可單獨聯合操控的雙舵、若干個可變螺距的側推器，在操縱設備硬件配備上決定其操縱靈活性是一般海船不可比的。靠泊海上平臺，有時為了滿足作業需要，靠泊距離非常近，最近距離有時會小于一米，因此，操縱AHTS的人員必須從原理和方法上著手，熟悉掌握單邊、雙邊用車，單獨、聯合用舵，單獨或同時使用前后側推，相互配合協調使用車、舵、側推所產生的效應，控制船舶運動狀態，從而使船舶穩定在理想的作業位置上。此外，在實際工作中，還會有風、流水對船舶產生外力，因此靠泊時除了考慮靜水中操縱特性外，還要運用車、舵、側推等消除外力對船舶運動的影響。海上機動靠泊平臺作業，面臨海況復雜多變，作業時間較長，要求船長具有良好的身體、心理素質，熟練掌握船舶車、舵、側推器各個效應，熟練綜合協調各個力匹配使用，確保靠泊作業安全順利。