减摇水舱是船舶的一种防摇设备,用来减小
船舶的摇摆。在我国古代船舶上就出现了减摇水舱。
定义
船舶减摇水舱是一种常用的
减振装置,分为被动式减摇水舱和主动式减摇水舱的,依靠船舶横摇运动自身所产生的能量使水舱内的水流动,产生力矩减少了船舶的横摇,具有结构简单,造价小的特点,并且可以在零航速、低航速下起到很好的减摇效果,消耗能量低,可控被动式水舱能够起到破冰、抗衡倾的作用。减摇水舱被普遍用于RORO船、
科学考察船、运输船等船只。
历史发展
减摇水舱是减小
船舶横摇的有效装置之一,已有120多年的应用与发展历史,目前仍然被广泛采用.被动减摇水舱的优势是造价低廉,而且其减摇效能不受航速的制约。但是,对于不加控制的被动减摇水舱,由于其有效区域很窄,在非
谐摇区可能会出现增摇情况,所以对其减摇效果的评价尚存争议。
早在唐宋时期,我国造船师为了提高
船舶耐波性,在海船中设置了“敞开式减摇水舱”,只不过当时的船舶是
木帆船,
横摇问题没有现代舰船那么严重。但是真正意义上的减摇水舱出现在1860年,那时,,造船师首次把水舱作为固定的减摇设备。1880年,在英国皇家海军的一艘早期潜艇上,为了减少潜艇在水面航行时的摇摆,装上了减摇水舱。
国外发展
1911年,德国人佛拉姆(Frahm)提出了一种U型减摇水舱,使减摇水舱发展成为一种实用的减摇装置。
舷边舱部分充水,相互间由连通水道相沟通,而在上面部分由空气连通道相连接,大量的水在横播作用下自一舷边舱流到另一舷边舱,由于它的重量和部分惯性的作用而产生稳定力矩,以减小船舶的横摇运动。这种水舱称为被动式U型水舱或佛拉姆水舱。
1958年美国船舶局曾在
海洋调查船、导弹跟踪船上装备的槽型平面减摇水舱,它是一种改良的平面水舱,利用带有较大自由液面的水槽把船左右两舷边舱联接起来,水槽中水的振荡表现为水舱的阻尼,用适当水槽尺度和水舱水深得到稳定力矩,以减小船舶的横摇运动,其减摇效果相当显著。常称这种水舱为槽型水舱。
随后,
英国国家物理实验室(
NPL)进行了矩形平面水舱的研究,并且成功地应用于实船。有时常将这种矩形平面水舱称为布朗—NPL减摇水舱。槽型水舱和矩形平面水舱可通过调节水深以适应不同的波浪频率,从而能在较宽的波浪频率范围内有效减摇,这一特点使减摇水舱得到广泛应用。
随着对减摇要求的不断提高及对减摇技术的深入研究,人们综合考虑被动式减摇水舱和主动式减摇水舱的优缺点,提出了利用少量能量控制水舱,使减摇水舱能在较宽的波浪频率范围内有效减摇的方法,这就是后来发展起
来的
可控被动式减摇水舱。如英国布朗兄弟公司、德国Rolls-Royce公司(英特灵水舱)、美国佛拉姆公司和日本JFE股份公司(NKK公司)等。目前这些公司均有这类成型的产品,无论在军用还是民用方面上,都有很多的装船记录,并且效果良好。
国内发展
国内大连船厂、上海江南船厂、沪东中华造船厂及广州黄埔船厂都建造过安装有被动式减摇水舱或可控被动式减摇水舱船舶,但产品均为国外引进的。
减摇机理
近年来,减摇装置已成为一种重要的新装置,尤其对于客船和军舰。它不仅可以为船员和旅客提供舒适,而且对于在风浪中获得更高的航速也是有用的。装有减摇装置的船舶不至于因横摇剧烈而需改变航速或改变
航向。
减摇装置还有一个次要的效果。当船舶遭遇到强烈的顶浪时,会引起过度的纵摇,它可以改变航向(甚至改变几度)来改善。但是,航向的改变通常会导致横摇的加剧。这就意味着,解脱这一困境的办法只有靠减速,而不是改变航向。如果装上减摇装置,那就有可能改变航向来解决,而不必使航速有所损失。
设计制造各种减摇装置来减小船舶的横摇运动,主要是按照三种途径来实现减摇:
增大阻尼系数
这种做法称为“阻尼稳定”。由于
阻尼的物理含义是指能量的消耗,所以这种减摇方式在任何情况下都是有效的,尤其是谐摇区效果最显著。如
舭龙骨。
减小船舶固有频率
这种减摇方式称为“谐摇稳定”。即减小船舶固有频率,使船舶的固有频率避开波浪扰动频率。它只对强制振荡有效,使遭遇频率按正确的方向改变。但是,由于实际的海面上有着各种频率的波浪,改变船舶固有频率的做法并不总是合适的,并且制造一种装置来改变船舶固有频率也是不现实的,只能在设计船舶时考虑这一点,使船舶的固有周期避开此船舶服务海域发生最频繁的波浪的周期。
直接减小扰动力或力矩
这种方式称为“平衡稳定”,在原则上它可以适用于所有的摇摆运动。在这种情况下,施加一个与扰动力矩相位相反的稳定力矩,从而使扰动力矩减小。如减摇鳍、减摇水舱、重物移动减摇装置等。
优缺点
减摇水舱得以应用的最大优点是船舶在低速航行状态时能进行减摇,而减摇鳍、舵减摇等则需要航行速度达到一定时方能达到较为理想的减摇效果。因为它们需依靠航行过程中在
鳍、
舵等翼形表面产生的升力而产生横摇控制力矩,而该升力在一定范围内和速度平方成正比,低速航行时,鳍、舵产生的升力很小,根本起不到减摇作用。
但减摇水舱也有其相对缺点,只有减摇水舱达到一定的容积,才能使其产生足够的横摇复原力矩,所以使得减摇水舱在船上占据了很大的空间,减摇才能起到一定的效果,而一般是30-40%左右。另外还需注意的是减摇水舱的自摇频率必须高于船舶横摇的自摇频率,才能实现横摇减摇,否则甚至会产生增大横摇作用,这样就会给减摇水舱的设计带来了一定困难,也限制了减摇水舱的工作频率范围。
U型减摇水舱
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。