全回轉拖輪的耐波性分析

1、船海工程2006年第5期(總第174期)文章編號167127953(2006)0520010205全回轉拖輪的耐波性分析陳吉寧波港集團油港輪駁有限公司寧波315000摘要從全回轉拖輪在規(guī)則波和不規(guī)則波中的橫搖、縱搖、垂蕩的特性以及船模試驗結果,分析了全回轉拖輪耐波性特點,結合有關實船論述了船舶主尺度、船型系數(shù)及線型對耐波性的影響,闡明了如何設計和建造耐波性好的全回轉拖輪。關鍵詞橫搖縱搖垂蕩船模試驗主尺度船型系數(shù)線型中圖分類號U661.32文獻標識碼ASeakeepingcapacityanalysisoftheZ2propellertugCHENJiOilHandingandTug(Barge

2、)Co.LTDAbstractThepaperanalyzestheseakeepingabilityoftheZ2torolling,pitchingandheavingintheregularandirregularofinthetowingtank.Theinfluencesoftheprincipal,ofseakeepingabilityofshipsaredis2cussedaboutinsconstructaseakindlyZ2propellertug.K2principaldimensioncoefficientofformlines操控靈活精確、可瞬間改變運作方向、機動性好

3、,主要服務于協(xié)助大船離泊碼頭、海上護航、搶險、海上消防等,作為使用最廣泛的港口船舶在港口的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用,隨著經(jīng)濟和貿(mào)易的快速發(fā)展,港口海岸線不斷拓展,到港船舶的日益增多,迫切需要全回轉拖輪能在各種海況下盡可能地完成各種港作任務,因此,建造耐波性好的全回轉拖輪變得越來越重要。1.1.1規(guī)則波中的橫搖當調(diào)諧因素󰂋=1,即橫搖固有周期T󰂋等于波浪的周期T時,船舶發(fā)生諧搖,橫搖幅值與1有效波傾的比值=m02為最大,由于無因次衰減系數(shù)通常小于0.1,因此這時橫搖幅值很大,對船舶航行和作業(yè)來說是最危險的情況。全回轉拖輪作業(yè)過程中常遇到類似規(guī)則波的涌,規(guī)則波波長和周

4、期T存在如下關系2=1.56T2中國沿海各港口經(jīng)常發(fā)生的涌的主要波長各有不同,在全回轉拖輪設計中應避免使拖輪與港口區(qū)域中最常遇到的主要波長發(fā)生諧搖,由于產(chǎn)生小波浪機會較多,最好使󰂋>1.3,根據(jù)寧波港北侖山海洋19831988年連續(xù)6年的涌浪資料:寧波港北侖涌浪平均波高為0.21m,平均周期為2.32s,所以橫搖固有周期最好為T󰂋>2.32×1.3=3s,這對全回轉拖輪來說是不難做到的,一1全回轉拖輪的耐波性特點全回轉拖輪在工作過程中需和大輪之間保持各種各樣的位置關系,在一個作次中經(jīng)常要遭遇各種浪向,會產(chǎn)生包括縱搖、縱蕩、垂蕩的縱向運動和橫

5、搖、橫蕩、首搖的橫向運動;在各種搖蕩運動中對全回轉拖輪影響最嚴重的是橫浪中的橫搖和縱向對浪中的縱搖和垂蕩。1.1橫搖橫搖在全回轉拖輪作業(yè)過程中最易發(fā)生,而且搖擺幅值最大。收稿日期2006202217修回日期2006205203作者簡介陳吉(1970-),男,學士,工程師。般來說全回轉拖輪的橫搖固有周期都在4.5s左右,如“甬港拖21”的T󰂋為4.42s。1.1.2不規(guī)則波中的橫搖由于中國沿海港口海面一年四季氣候多變,如冬季季風影響嚴重,夏天常會有臺風或熱帶風10全回轉拖輪的耐波性分析陳吉暴的光顧,所以常產(chǎn)生不同等級的風浪,也就是不規(guī)則波,全回轉拖輪在不規(guī)則波中的橫搖,根據(jù)疊加原

6、理,相當于遭受一系列波長的單元規(guī)則波作用的疊加,當橫搖諧搖波長位于主成分波之內(nèi)的臨界區(qū)域時,此時船舶產(chǎn)生嚴重的橫搖;當橫搖諧搖波長<2B(B為船寬)或<最大有義時船不會產(chǎn)生很大的橫搖1。全回轉拖輪一般T󰂋為4.5s左右,船寬在10m左右,如沿海港口區(qū)域最常遇的風浪為三一較緩和。1.2.2不規(guī)則波中的縱搖沿海港區(qū)也常出現(xiàn)象風浪那樣的不規(guī)則波,全回轉拖輪頂浪作業(yè)時,當諧搖波長位于主成分波區(qū)間的臨界區(qū)域時,此時波浪給船舶較多能量,船舶產(chǎn)生嚴重的縱搖和垂蕩,甚至出現(xiàn)嚴重的砰擊和上浪1?！梆弁?1”:Cb=0.54,吃水d=3.56m,垂線間船長L=32.5m,型寬B=10

7、.20m按照田宮公式,縱搖固有周期為T=2.01=4.6s(0.77Cb+0.26)(0.92d+0.44B)平均波高󰁦h/3=1m左右,此時主成分波區(qū)間為󰁦h/3×(3050)1×(3050)=3050m󰁦h/3=60×1=60m最大有義=602B=20m橫搖諧搖波長=1.56T2=32m,處于臨界區(qū)域,此時橫搖很嚴重。1.1.3橫搖固有周期對全回轉拖輪橫搖影響諧搖波長=1.56T2=33m󰁦h/3=1mLh/40.0m)(,縱搖和垂蕩,T就可以使全回轉拖輪在亞臨界區(qū)域工作。1.3船模試驗為了更好地

8、了解全回轉拖輪的耐波性,寧波港特通過設計船廠委托上海交大海洋工程實驗室對“甬港消拖3號”在船模試驗池進行了耐波性試驗?！梆巯?號”:水線間長38.5m,船寬11m,設計吃水3.80m,橫搖固有周期為4.54s,縱搖固有周期為4.88s,垂蕩固有周期為4.25s。表1、2為取海上有義波高󰁦h/3=1m和2m,同時分別取海上波浪平均周期T=3.09.0s,選用12屆ITTC雙參數(shù)波浪譜密度公式,對模型進行試驗,并換算到實船的結果,見表1、2。表1󰁦h/3=1m時“,甬港消拖3號”搖蕩值浪向橫浪搖蕩分類橫搖角)/(°垂蕩值/m縱搖角)/(°迎浪

9、34橫搖固有周期T󰂋,󰂋,動以后,2。,T󰂋最有效的方法。1.1.4無因次衰減系數(shù)對全回轉拖輪橫搖影響無因次衰減系數(shù)是表征全回轉拖輪橫搖性能另一重要參數(shù),越大,自由橫搖衰減越快,增加阻尼系數(shù)和在保證足夠穩(wěn)性的前提下,取盡可能小的初穩(wěn)性高是增加最有效的方法。1.2縱搖和垂蕩全回轉拖輪在作業(yè)時由于與大輪的位置關系,常需很長一段時間遭遇縱向對浪,這時主要產(chǎn)生縱搖和垂蕩,縱搖和垂蕩是同時發(fā)生的,兩者有耦合影響,只有當漂心和重心不在同一直線上時,才有可能把兩者分開。1.2.1規(guī)則波中的縱搖周期/s5679規(guī)則波波長對船長之比/L越小,縱搖和垂蕩越緩和,/L

10、3/4時,縱搖和垂蕩既使發(fā)生諧搖,幅值也不會很大;/L1時,無論是否發(fā)生諧搖,縱搖和垂蕩都是嚴重的,航速越高,縱搖和垂蕩越激烈;當縱搖調(diào)諧因素󰂋>1.2、垂蕩調(diào)諧因素Z>1時兩者幅值都不是很大15.2595.9884.9383.8333.0792.0470.3590.4540.4730.4770.4770.4581.0411.9222.1011.9541.7241.298。舯部垂蕩0.1700.2190.3150.3840.4230.457值/m首部垂蕩0.0710.0920.0810.0640.0500.032加速度/g因為全回轉拖輪船長L=35m左右,而沿海港口

11、常見涌的波長如寧波港為10m左右,拖輪作業(yè)時航速很小,所以在常見的涌浪中工作時,縱搖11船海工程2006年第5期(總第174期)表2󰁦h/3=2m時“,甬港消拖3號”搖蕩值浪向橫搖蕩分類4周期/s5679橫搖角10.51911.9769.8767.7676.1584.095)/(°0.7180.9070.9460.9530.9550.9172.0823.8434.2033.9093.4482.596浪垂蕩值/m縱搖角)/(°迎浪區(qū)間越狹窄,搖蕩越難達到臨界區(qū)域,以前所造的全回轉拖輪船長都在30m左右,為了避開臨界區(qū)域,新造拖輪如消拖3號船長為38.5m,在常

12、遇的󰁦h/3=1m的波浪中諧搖波長就處在臨界區(qū)域之外?？v搖有所改善,但船長增加使回轉性變差、造價提高,這些也應在建造前加以考慮。2.1.2船寬船寬主要影響穩(wěn)性和橫搖,對縱搖和垂蕩影響不大,船寬減小,使全回轉拖輪初穩(wěn)心下降3,這對橫搖有利,船體的砰擊也有所改善。但船寬減小,橫搖擾動力矩卻有所增大,加大橫搖趨勢,抵消了初穩(wěn)性下降對橫搖的影響。所以船寬對全回轉拖輪橫搖的各個特性的影響也是各不相同的,2.1.舯部垂蕩0.3390.4390.6290.7680.8460.914值/m首部垂蕩0.1420.1840.1620.1290.1000.064加速度/g從表1、2可以發(fā)現(xiàn),全回轉拖

13、輪在港口常遇的三一波高󰁡h/3=1m海浪中工作時,在橫搖諧搖情況下,橫搖角近5.5°縱搖諧搖情況下,縱搖角近2°垂蕩諧搖情況下,舯部垂蕩值近0.25m,垂蕩加速度近0.09g。(3在󰁡h/3=1m“3號”比,縱搖和垂蕩就顯得緩和些。表3各類人員所能忍受的加速度和橫搖衡準值人員分類輕手工勞動者重手工勞動者智力工作者垂向加速度/g0.200.150.10,降,?？v搖和垂蕩的固有周期相比橫搖固有周期小,縱搖和垂蕩的固有周期越小,全回轉拖輪在不規(guī)則波中搖蕩越難達到臨界區(qū)域,吃水增加,會增加縱搖和垂蕩的固有周期,而且從莫爾回歸公式可知,三一縱搖幅值也相

14、應加大,所以增加吃水對全回轉拖輪在不規(guī)則波中縱搖和垂蕩是不利的,如果平均吃水減小,那么既使出現(xiàn)諧搖,也是在較小波浪中發(fā)生,縱搖和垂蕩也不會很大。從耐波性角度來說,對吃水的要求是矛盾的,因此在全回轉拖輪設計中應根據(jù)母型船的性能決定吃水是否改動。2.1.4初穩(wěn)心高初穩(wěn)心高是全回轉拖輪安全的重要衡準,同時也是橫搖的重要參數(shù),在保證船舶足夠穩(wěn)性基礎上,減少初穩(wěn)心高可使橫搖周期增加、橫搖緩和,幅值減小。改變初穩(wěn)心高最有效的方法是改變重心位置,重心提高,初穩(wěn)心高下降3,橫搖周期增加,全回轉(水拖輪初穩(wěn)性高一般在2.5m左右,如“甬港拖21”線間長36.0m,船寬10.2m,型深4.60m,設計吃水3.52

15、m)初穩(wěn)性高在2.72m,初穩(wěn)性高有很大富裕(水線間長度,從圖1、2可發(fā)現(xiàn)“,甬港眾聯(lián)6號”30.0m,船寬11.6m,型深5.36m,設計吃水3.85m)橫向加速度/g0.100.070.05)橫搖/(°6.04.03.0因“甬港消拖3號”需要在蝦崎門口外進行原油過駁護航搶險工作。要經(jīng)常遭遇󰁦h/3=2m以上海浪,在橫搖諧搖情況下,橫搖角近11°縱搖諧搖情況下,縱搖角近4°垂蕩諧搖情況下,舯部垂蕩值近0.5m,垂蕩加速度近0.18g。此時工作條件是非常惡劣的,特別橫搖在10°以上使船員吃飯睡覺都發(fā)生困難。2主尺度和形狀的影響2.1主尺度

16、和船型系數(shù)的影響12.1.1船長船長主要影響全回轉拖輪縱搖和垂蕩,在規(guī)則波中/L1時,波浪擾動最大,當/L>1.3時,無論是否發(fā)生諧搖,縱搖和垂蕩都不會太大,全回轉拖輪船長一般都大于常遇涌長的1.3倍。在不規(guī)則波中,船越長,譜密度曲線主成分波12由于提高了機艙和船員住艙的雙層底高度,部分油水艙采用深艙,提高了船舶重心,初穩(wěn)心高也下降為1.92m,橫搖周期提高到5.72s。全回轉拖輪的耐波性分析陳吉圖1“甬港拖21”容積圖圖2“甬港眾聯(lián)6號”容積圖2.1.5船型系數(shù)船型系數(shù)中水線面系數(shù)Cw對耐波性影響顯著,Cw增加,能減小波浪對橫搖的擾動力矩;同時排水量變化的幅度變大,使縱搖和垂蕩的復原力

17、矩變大,對縱向運動有利。以前所造的全回轉拖輪Cw一般在0.95左右,如“甬港拖21”Cw為0.92,新造的“甬港眾聯(lián)6號”Cw提高到0.99,耐船頭不易鉆入浪中,對縱搖有利,全回轉拖輪尾部布置有DP(ZP)舵漿裝置,中后部又設有主機,所以重心較靠后,在漂心之后。2.2船舶形狀對全回轉拖輪耐波性的影響2.2.1水線形狀我國沿海港口的全回轉拖輪19世紀80年代開始引進和仿造日本的拖輪,基本采用“甬港拖21”的線型見圖3,滿載水線(T=3.56m)以上的前體水線面不是很豐滿,近年來,歐美國家設計的拖輪,見圖4“甬港眾聯(lián)6號”滿載水線(T=3.85m)以上的船舶前體就顯得十分豐滿,這樣首部下沉時,排水

18、體積迅速加大,可以減小縱搖幅值,因為相應的水線面系數(shù)Cw也變大,所以橫搖也改善。波性有了很大改善。2.1.6干舷和舷弧富裕干舷和舷弧能顯著改善上浪和濺浪,為此全回轉拖輪首尾部常采用升高甲板,并在首尾有一定的舷弧以改善縱搖、垂蕩和上浪。2.1.7漂心和重心漂心位于重心之前,可以改善頂浪中的性能,圖3“甬港拖21”半寬水線圖13船海工程2006年第5期(總第174期)圖4“甬港眾聯(lián)6號”半寬水線圖2.2.2橫剖面形狀以往全回轉拖輪常采用圓舭部橫剖面,而“甬港眾聯(lián)6號”按可展船體表面采用“錐式”簡易線型,見圖5,舭部形成尖部,使船舶橫搖時在舭部形成旋渦,增加橫搖阻尼,可望使橫搖減小,不過這種簡易線型的阻力性能對船舶的吃水變化較為敏感,因為為了避免水流分離和尾渦,線沿水流方向,求,4。在考慮船舶主尺度和形狀對全回轉拖輪耐波性影響的時候,應對各種因素進行綜合考慮,因為一個尺度或要素的變化往往會引起另一個要素的變化,。3全回轉拖輪工作特點,決定了它作業(yè)時需要遭遇不同浪向、浪高的海浪,從而產(chǎn)生不同性質(zhì)的搖蕩,可以通過適當調(diào)整船舶的主尺度和船型系數(shù)、在保證足夠穩(wěn)性基礎上減小初穩(wěn)性高、優(yōu)化船體型線、選擇實效的減搖裝置來改善全回轉拖輪的耐波性,從而使船員有更好的工作生活環(huán)境,使全回轉拖輪在港口生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。參考文獻1馮鐵城.船舶操縱與搖蕩M.北