全航速减摇鳍设计研究

唐伟炜，钟宇萍，陈爱国，邓宏程

（广州航海学院，广州 510725）

1 引言

船舶在海上航行中，由于受到海浪环境等因素的干扰会产生横摇、横荡、纵摇、纵荡、垂摇、垂荡六个自由度的摇荡运动。由于船舶的船长远大于船宽，所以船舶在海上极易发生横摇，相较于其他自由度上的运动，横摇运动摇摆赋值最大、运动最为剧烈[1]。横摇运动对船舶在海上的正常工作、船员的舒适度等方面都有较大的影响。减摇鳍是目前最有效、最常见的抗横倾装置，而常规减摇鳍无法满足零航速状态下的减摇需求[2]。为了得到最优化的全航速减摇鳍设计参数，本文以非收放式减摇鳍抗横倾系统作为研究对象，侧重于对全航速的减摇鳍鳍型进行优化设计，设计出实用性强的全航速减摇鳍鳍型。

2 减摇鳍的减摇原理

减摇鳍通过鳍片产生升力力矩形成减摇力矩，用来对消海浪、海流等因素产生的波浪扰动力矩，从而达到抗横倾的效果。

波浪产生的横摇干扰力矩为：

式中：h 为初稳心高；D 为船舶排水量；γ 为波倾角。

在零、低航速下，减摇鳍是采用主动急拍的方式产生升力L；在中、高航速下，减摇鳍产生的减摇力矩为：式中： Af为鳍的面积；V 为船舶航速；CL为鳍升力系数。

由公式（2）可知，此力矩与鳍面积Af 和航速v的平方成正比。在鳍型参数及航行速度一定的情况下，减摇力矩MCT只由转鳍角α 来确定。

当MB与MCT相等时，即减摇鳍减摇力矩与海浪干扰力矩相互抵消时，船舶横摇运动将停止。

装有减摇鳍的船舶，其鳍型参数是确定不变的，那么鳍所获得的稳定力矩将只由航行速度和转鳍角来决定[3]。在保持稳定的航速时，则可以通过改变转鳍角α 来改变稳定力矩，从而达到对稳定力矩的控制，利用一定的控制规律、反馈装置和执行机构则能使鳍产生的稳定力矩恰好能与波浪扰动力矩互相抵消，达到抗横倾的效果。

3 高航速减摇鳍鳍型设计

由于普通减摇鳍的鳍面所受到的升力正比例于船舶航行速度的平方,所以减摇鳍提供的减摇力矩受限于船的航行速度，即在较低航速下鳍的减摇效果很差。由于许多船舶要求在零、低航速下工作，国外已有许多针对这方面的研究，并且发现采用主动急拍减摇鳍获得减摇力矩的方法要比被动式减摇水舱减摇成效高出许多[5-7]。这是因为零、低航速下减摇鳍是通过船舶辅机主动施力使鳍规律性拍打水面获得升力，这与中、高航速情况下获得升力的原理明显不一样，在这两种不同情况下鳍型的设计要求自然不一样。

3.1 船舶主要参数

以88 m 轻型海工辅助船为研究对象，设计适用于该船型的全航速减摇鳍鳍型。该船主要参数如下：

船舶初稳心高h 3.2 m

船舶排水量△ 1.4×107 kg×g=1.372×108 N

船宽B 20 m

最大波高H1/104.2 m

海浪波长λ 103 m

设计航速v 18 kn

海浪周期T 5 s

3.2 减摇鳍最大升力计算

由横摇运动方程以及船舶主要参数，可以计算得到船舶所受最大波浪扰动力矩为：

由减摇鳍原理可知，减摇鳍所产生的最大减摇力矩MCTmax应等于最大波浪扰动力矩MBmax，即

式中：Lzm为单个减摇鳍所需最大升力；R 为力矩力臂。

由公式（4）、（5）式可得：

3.3 鳍轴位置计算

在零航速情况下，通常全航速减摇鳍鳍轴位置比常规减摇鳍更加靠近前缘，升力多集中于鳍轴后端；当鳍尾部的线速度越大时，获得的升力也将越大。因此，在鳍型确定且零航速的情况下，鳍轴的前移能增加升力；将不同的鳍轴离前缘的长度代入式（1），可得出不同鳍轴位置所对应的升力大小，计算结果如图1 所示。

由图2 可知，将鳍轴向鳍前缘移动能够提升鳍在零航速状态获得的升力，且同时不使鳍工作于中、高航速时利用攻角获得的升力受到影响。但在中、高航速的情况下，鳍升力中心的位置接近于距鳍首缘的1/4处，如果鳍轴位置偏离此位置则将使鳍受到的转矩增大，从而使驱动鳍转动的力矩大幅增加，这将导致液压系统的功率大幅上升。

图2 为δ(1/Lzm) — Cc （零、低航速下最大升力的倒数增加比率）曲线和δ(Cm) — Cc （中、高航速下转矩增加比率）曲线。1/Lzm 和 Cm 的值均越小越好，对于全航速减摇鳍，选择两条曲线的交点来确定鳍轴最合适的位置，即取鳍轴相对位置参数Cc=1/6。

3.4 鳍面面积的计算

不同航速情况下减摇鳍展弦比的最优参数是不同的，对于应用于全航速情况下的减摇鳍，展弦比通常选择0.35 ～0.6，此处设计的展弦比为λ=0.5。

对于零、低航速下的鳍面面积需求，可以将LZm、λ 值等代入下式：

式中：ωm为鳍角速度ω 的最大值；t 为ω 从零增大到最大值ωm所耗时间；Cd是形状阻力系数；ka 为附加质量力系数；α 为转鳍角度。

对于中、高航速下的鳍面上的升力系数CL，可将α0=1.8π/57.3、CDC=0.8、αs=0、CDC=0.4、λ=0.5 代入式（7）：

式中：αs是鳍后掠角；αf为来流攻角；α0是升力曲线斜率的修正系数；CDC是形状参数，通常可取0.4 或0.8。

通常，来流攻角取af= 20°，设计航速v =18 kn，则中、高航速下的鳍面面积的计算，可结合式（2）和式（8）得出鳍面积为：

对两种航速情况下的鳍面积需求进行比较，发现鳍面积在零、低航速下所需面积较大，故按零、低航速的鳍面积需求取A=3.687 m2。

弦长4d、展宽e、鳍轴离首缘的长度c2计算得出：

4 全航速减摇鳍鳍型设计参数与结构图

4.1 减摇鳍鳍型的最终设计参数

全航速减摇鳍鳍型参数名称 数值

4.2 全航速鳍型设计结构图

全航速减摇鳍鳍型图见图3。

5 结 论

常规减摇鳍通常在零、低航速状况下几乎没有抗横倾效果，而采用主动急拍的工作方式可使减摇鳍在零航速的情况下也能产生减摇力矩。综合上述的理论分析和数据，设计的全航速减摇鳍克服了在零、低航速状态下面积需求过大及鳍轴位置矛盾等情况，可在零、低航速以及中、高航速同时实现减摇的效果。同时提出了全航速减摇鳍的鳍型优化方法。

根据实船参数以及结合上述全航速减摇鳍鳍型的优化方法，计算得出了88 m 轻型海工辅助船减摇鳍的设计参数。而在实际推广应用中，可通过实验方法计算合适的参数：鳍轴相对位置C 选择在前缘1/6-1/5 之间；展弦比λ 在0.35～0.6 之间；再结合升力模型计算得出实际所需的鳍面积A 等鳍型的其它参数。