减摇水舱技术在船舶上的应用
周亚兰
摘要：船舶横摇对船舶的安全和舒适性影响很大，通过不同的方式来减轻船舶横摇对船舶的影响是船舶设计者一直考虑的问题。被动可控式减摇水舱，因其减摇效果显著、清洁节能的优点正被广泛应用在各类船舶上。
关键词：减摇装置 减摇鳍 减摇水舱 被动可控式减摇水舱
1 减摇技术概要
1.1 概述
在种类繁多的减摇装置中，目前最常用的有舭龙骨、减摇鳍以及减摇水舱。舭龙骨由于其良好的减摇性能、建造成本低以及对船舶航速影响小等优点，几乎已成为海船必备的装置。而具有可控性质的减摇鳍和减摇水舱一直是减摇技术领域研究的重点，随着计算机、自动控制技术以及流体力学的发展，这两种减摇装置均取得了突破性的进展，减摇性能不断提高。
1.2 减摇鳍的应用
减摇鳍是最常用的主动式减摇装置之一，基于机翼理论设计的传统减摇鳍在与流体有较高的相对速度时会产生较大的升力，所以当船舶在中高航速行驶时，传统减摇鳍会取得70%以上的减摇效果。但是由于其升力产生原理限制，当船舶行驶在低航速或零航速情况下，传统减摇鳍几乎没有减摇效果。
为了使船舶在各种航速下均有很好的减摇效果，近年来，零航速减摇鳍得到了充分的重视和发展，这种减摇鳍的运动方式和执行机构与传统减摇鳍有很大不同，利用新的运动机理使得翼面在零航速也可产生对抗海浪干扰力矩的升力，国外已有少数船只应用的实例。但这种零航速减摇装置结构复杂，制造和保养的成本都很高，还有许多问题需做进一步的改进和研究。
1.3 减摇水舱的研究和应用
减摇水舱作为一种全航速下的减摇装置，不仅在各种船舶航速下均有减摇效果，适用于集装箱船、轮渡、滚装船、海洋工程船、科学考察船等。另外，减摇水舱具有结构简单、造价低廉、便于保养维护等优点，这使得减摇水舱被越来越多的船东所接受，市场前景看好。
2 减摇水舱的分类
减摇水舱按照其控制特点可分为主动式减摇水舱、被动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱等三种类型。主动式减摇水舱具有减摇效果高、响应速度快等优点，但其系统复杂，造价较高，而且功率消耗非常大，经济性较低，因此已经很少被使用。被动式减摇水舱结构简单，根据“双共振”原理进行工作，在船舶的谐摇频率范围内具有良好的减摇效果，但其减摇频率范围较小，在低频和高频范围内甚至可能产生增摇效果。
对被动式减摇水舱结构的优化设计以及位置的合理布置成为提高被动式减摇水舱性能的关键。可控被动式减摇水舱是对被动式减摇水舱的一个重要改进，充分利用水舱的结构特点，通过少量能量控制水舱顶部气体连通道或底部液体连通道的开口，实现对水舱内液体运动的控制，避免了在因减摇水舱不可控对船舶产生的不利影响。
3 减摇水舱的工作原理
当船的固有横摇周期和波浪遭遇周期相同时，船的横摇角度最大。这个原理和以下例子相同：假如在一艘小船上，船上的人员比船的横摇周期早一拍左右移动几次，船的横摇将会加剧。相反，如果船上的人员比船的横摇周期晚一拍左右移动几次，船的横摇将会变缓。可控被动式减摇水舱工作原理就是把上述的船上人员换作液体，巧妙地利用这种液体流动的时间和力矩，来减轻船的摇动。
船的一次横摇周期用360°角度来表示时，船的摇动起始点总是比波浪遭遇点滞后90°的角度，这种现象的反复出现会加剧船的横摇。如果减摇水舱中液体的固有周期和船的横摇周期相同的话，减摇水舱中液体的移动起始点将一直比船的摇动起始点滞后90°的角度。这就意味着减摇水舱中的液体移动起始点总是比引起船舶横摇的波浪起始点滞后180°角度。
因此，减摇水舱中的液体移动力矩和波浪力矩总是相反，互相抵消，所以船舶横摇得以减缓。如图1和图2所示。
4 可控被动式减摇水舱的控制方式
可控被动式减摇水舱的最关键技术在于周期的调节，如何将减摇水舱的周期调至与船舶横摇周期一致是减摇水舱设计成败的决定因素，如果这两个周期不一致，减摇水舱的减摇效果很差，甚至还会产生增摇。目前，可控被动式减摇水舱的周期调节方式主要有两种：一种是气道控制式，另一种是水道控制式。
德国的产品一般采用气道控制式，它是通过水舱顶部空气道控制水舱内可压缩性气体的流动，实现间接对舱内液体流动的控制。这种水舱利用自动控制系统通过气阀的启闭来调节舱内液体的振荡周期，以适应船舶横摇周期的变化。阀门的控制作用相当于自动延长了舱中水流的振荡周期，从而使水舱能在更宽的频率范围内进行有效减摇。这种控制方式也有其弊端：一是由于气体具有可压缩性，很难做到精准控制；二是由于气阀在一个横摇周期内要启闭两次，所消耗的功率相对较大，阀的磨损也比较厉害，维护保养成本相对较高。
水道控制式是通过改变设置在底部液体通道中挡板的位置来改变液体通道的面积，从而改变减摇水舱的固有周期。水道控制式减摇水舱具有以下优点：一是液体没有压缩性，可以做到精准控制；二是水道式只需要对挡板进行调节，所需能量非常小，挡板的开合没有空气阀那么频繁，设备的磨损也非常小，维护保养成本很低。
5 被动可控式减摇水舱在船舶中的应用
被动可控式减摇水舱广泛应用于各类船舶中，目前应用最多的是救助船，海监船，引航船，航标船，医疗船，科学考察船，破冰船等。这些类型的船舶由于其使用的特殊性，低航速或者抛锚执勤的时间相对比较多，对船舶横摇的程度对船舶的安全操作很重要。
一般减摇水舱的减摇效果设计时都以达到40%～60%为目标。但减摇水舱的减摇效果跟减摇水舱在船上布置的位置，减摇水舱的大小，船舶横摇周期和减摇水舱的周期的匹配都有直接的关系。同样的减摇水舱的大小，布置的位置越高，则减摇效率就越高。如果船舶的横摇周期和减摇水舱的横摇周期不匹配，则位置布置得再高，减摇水舱再大，则减摇效果都不会理想。减摇水舱的水量越大，则减摇力矩就越大，减摇效果越好。
减摇水舱的布置往往受到船舶总体布置的限制，船舶满载排水量的限制，减摇水舱的水量达不到所要求的减摇力矩的大小，这样就无法达到预计要求的60%的减摇效果。
不同的船型对减摇方式的要求也不一样。有些船会同时设置减摇鳍和减摇水舱，主要是针对不同的使用情况。如某型救助船，在高航速航行时使用减摇鳍，在执勤时一般处于抛锚或者低航速航行，这时使用减摇水舱，充分利用两种减摇方式的长处。
6 减摇效果的确认
减摇水舱的减摇效果的确认，一般先进行理论计算，得到一个大概的估算。再根据模型试验进行确认，模型试验会得到一个相应曲线，最后再通过海上试航结果进行再次确认。
图3、图4所示为在不同的波浪条件下得到的模型试验数据：
从模型试验中得出减摇效果为40%以上。
图5为海上试验时的数据。
通过模型试验的数据和海上试航的数据进行对比，可得到最后准确的减摇效率数据。
7 结束语
被动可控式减摇水舱做为一种清洁节能的减摇方式，减摇效果明显。这种方式耗能较低，碳排放也很低，这正好切合的当前节能减排的造船大环境，正被国内外船东所接受。
摘要：船舶横摇对船舶的安全和舒适性影响很大，通过不同的方式来减轻船舶横摇对船舶的影响是船舶设计者一直考虑的问题。被动可控式减摇水舱，因其减摇效果显著、清洁节能的优点正被广泛应用在各类船舶上。
关键词：减摇装置 减摇鳍 减摇水舱 被动可控式减摇水舱
1 减摇技术概要
1.1 概述
在种类繁多的减摇装置中，目前最常用的有舭龙骨、减摇鳍以及减摇水舱。舭龙骨由于其良好的减摇性能、建造成本低以及对船舶航速影响小等优点，几乎已成为海船必备的装置。而具有可控性质的减摇鳍和减摇水舱一直是减摇技术领域研究的重点，随着计算机、自动控制技术以及流体力学的发展，这两种减摇装置均取得了突破性的进展，减摇性能不断提高。
1.2 减摇鳍的应用
减摇鳍是最常用的主动式减摇装置之一，基于机翼理论设计的传统减摇鳍在与流体有较高的相对速度时会产生较大的升力，所以当船舶在中高航速行驶时，传统减摇鳍会取得70%以上的减摇效果。但是由于其升力产生原理限制，当船舶行驶在低航速或零航速情况下，传统减摇鳍几乎没有减摇效果。
为了使船舶在各种航速下均有很好的减摇效果，近年来，零航速减摇鳍得到了充分的重视和发展，这种减摇鳍的运动方式和执行机构与传统减摇鳍有很大不同，利用新的运动机理使得翼面在零航速也可产生对抗海浪干扰力矩的升力，国外已有少数船只应用的实例。但这种零航速减摇装置结构复杂，制造和保养的成本都很高，还有许多问题需做进一步的改进和研究。
1.3 减摇水舱的研究和应用
减摇水舱作为一种全航速下的减摇装置，不仅在各种船舶航速下均有减摇效果，适用于集装箱船、轮渡、滚装船、海洋工程船、科学考察船等。另外，减摇水舱具有结构简单、造价低廉、便于保养维护等优点，这使得减摇水舱被越来越多的船东所接受，市场前景看好。
2 减摇水舱的分类
减摇水舱按照其控制特点可分为主动式减摇水舱、被动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱等三种类型。主动式减摇水舱具有减摇效果高、响应速度快等优点，但其系统复杂，造价较高，而且功率消耗非常大，经济性较低，因此已经很少被使用。被动式减摇水舱结构简单，根据“双共振”原理进行工作，在船舶的谐摇频率范围内具有良好的减摇效果，但其减摇频率范围较小，在低频和高频范围内甚至可能产生增摇效果。
对被动式减摇水舱结构的优化设计以及位置的合理布置成为提高被动式减摇水舱性能的关键。可控被动式减摇水舱是对被动式减摇水舱的一个重要改进，充分利用水舱的结构特点，通过少量能量控制水舱顶部气体连通道或底部液体连通道的开口，实现对水舱内液体运动的控制，避免了在因减摇水舱不可控对船舶产生的不利影响。
3 减摇水舱的工作原理
当船的固有横摇周期和波浪遭遇周期相同时，船的横摇角度最大。这个原理和以下例子相同：假如在一艘小船上，船上的人员比船的横摇周期早一拍左右移动几次，船的横摇将会加剧。相反，如果船上的人员比船的横摇周期晚一拍左右移动几次，船的横摇将会变缓。可控被动式减摇水舱工作原理就是把上述的船上人员换作液体，巧妙地利用这种液体流动的时间和力矩，来减轻船的摇动。
船的一次横摇周期用360°角度来表示时，船的摇动起始点总是比波浪遭遇点滞后90°的角度，这种现象的反复出现会加剧船的横摇。如果减摇水舱中液体的固有周期和船的横摇周期相同的话，减摇水舱中液体的移动起始点将一直比船的摇动起始点滞后90°的角度。这就意味着减摇水舱中的液体移动起始点总是比引起船舶横摇的波浪起始点滞后180°角度。
因此，减摇水舱中的液体移动力矩和波浪力矩总是相反，互相抵消，所以船舶横摇得以减缓。如图1和图2所示。
4 可控被动式减摇水舱的控制方式
可控被动式减摇水舱的最关键技术在于周期的调节，如何将减摇水舱的周期调至与船舶横摇周期一致是减摇水舱设计成败的决定因素，如果这两个周期不一致，减摇水舱的减摇效果很差，甚至还会产生增摇。目前，可控被动式减摇水舱的周期调节方式主要有两种：一种是气道控制式，另一种是水道控制式。
德国的产品一般采用气道控制式，它是通过水舱顶部空气道控制水舱内可压缩性气体的流动，实现间接对舱内液体流动的控制。这种水舱利用自动控制系统通过气阀的启闭来调节舱内液体的振荡周期，以适应船舶横摇周期的变化。阀门的控制作用相当于自动延长了舱中水流的振荡周期，从而使水舱能在更宽的频率范围内进行有效减摇。这种控制方式也有其弊端：一是由于气体具有可压缩性，很难做到精准控制；二是由于气阀在一个横摇周期内要启闭两次，所消耗的功率相对较大，阀的磨损也比较厉害，维护保养成本相对较高。
水道控制式是通过改变设置在底部液体通道中挡板的位置来改变液体通道的面积，从而改变减摇水舱的固有周期。水道控制式减摇水舱具有以下优点：一是液体没有压缩性，可以做到精准控制；二是水道式只需要对挡板进行调节，所需能量非常小，挡板的开合没有空气阀那么频繁，设备的磨损也非常小，维护保养成本很低。
5 被动可控式减摇水舱在船舶中的应用
被动可控式减摇水舱广泛应用于各类船舶中，目前应用最多的是救助船，海监船，引航船，航标船，医疗船，科学考察船，破冰船等。这些类型的船舶由于其使用的特殊性，低航速或者抛锚执勤的时间相对比较多，对船舶横摇的程度对船舶的安全操作很重要。
一般减摇水舱的减摇效果设计时都以达到40%～60%为目标。但减摇水舱的减摇效果跟减摇水舱在船上布置的位置，减摇水舱的大小，船舶横摇周期和减摇水舱的周期的匹配都有直接的关系。同样的减摇水舱的大小，布置的位置越高，则减摇效率就越高。如果船舶的横摇周期和减摇水舱的横摇周期不匹配，则位置布置得再高，减摇水舱再大，则减摇效果都不会理想。减摇水舱的水量越大，则减摇力矩就越大，减摇效果越好。
减摇水舱的布置往往受到船舶总体布置的限制，船舶满载排水量的限制，减摇水舱的水量达不到所要求的减摇力矩的大小，这样就无法达到预计要求的60%的减摇效果。
不同的船型对减摇方式的要求也不一样。有些船会同时设置减摇鳍和减摇水舱，主要是针对不同的使用情况。如某型救助船，在高航速航行时使用减摇鳍，在执勤时一般处于抛锚或者低航速航行，这时使用减摇水舱，充分利用两种减摇方式的长处。
6 减摇效果的确认
减摇水舱的减摇效果的确认，一般先进行理论计算，得到一个大概的估算。再根据模型试验进行确认，模型试验会得到一个相应曲线，最后再通过海上试航结果进行再次确认。
图3、图4所示为在不同的波浪条件下得到的模型试验数据：
从模型试验中得出减摇效果为40%以上。
图5为海上试验时的数据。
通过模型试验的数据和海上试航的数据进行对比，可得到最后准确的减摇效率数据。
7 结束语
被动可控式减摇水舱做为一种清洁节能的减摇方式，减摇效果明显。这种方式耗能较低，碳排放也很低，这正好切合的当前节能减排的造船大环境，正被国内外船东所接受。
