全回轉(zhuǎn)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(hào)167127953(2006)0520010205全回轉(zhuǎn)拖輪的耐波性分析陳吉寧波港集團(tuán)油港輪駁有限公司寧波315000摘要從全回轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果,分析了全回轉(zhuǎn)拖輪耐波性特點(diǎn),結(jié)合有關(guān)實(shí)船論述了船舶主尺度、船型系數(shù)及線型對(duì)耐波性的影響,闡明了如何設(shè)計(jì)和建造耐波性好的全回轉(zhuǎn)拖輪。關(guān)鍵詞橫搖縱搖垂蕩船模試驗(yàn)主尺度船型系數(shù)線型中圖分類號(hào)U661.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼ASeakeepingcapacityanalysisoftheZ2propellertugCHENJiOilHandingandTug(Barge

2、)Co.LTDAbstractThepaperanalyzestheseakeepingabilityoftheZ2torolling,pitchingandheavingintheregularandirregularofinthetowingtank.Theinfluencesoftheprincipal,ofseakeepingabilityofshipsaredis2cussedaboutinsconstructaseakindlyZ2propellertug.K2principaldimensioncoefficientofformlines操控靈活精確、可瞬間改變運(yùn)作方向、機(jī)動(dòng)性好

3、,主要服務(wù)于協(xié)助大船離泊碼頭、海上護(hù)航、搶險(xiǎn)、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(jì)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(zhuǎn)拖輪能在各種海況下盡可能地完成各種港作任務(wù),因此,建造耐波性好的全回轉(zhuǎn)拖輪變得越來越重要。1.1.1規(guī)則波中的橫搖當(dāng)調(diào)諧因素󰂋=1,即橫搖固有周期T󰂋等于波浪的周期T時(shí),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(shí)橫搖幅值很大,對(duì)船舶航行和作業(yè)來說是最危險(xiǎn)的情況。全回轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)拖輪設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jī)會(huì)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(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪來說是不難做到的,一1全回轉(zhuǎn)拖輪的耐波性特點(diǎn)全回轉(zhuǎn)拖輪在工作過程中需和大輪之間保持各種各樣的位置關(guān)系,在一個(gè)作次中經(jīng)常要遭遇各種浪向,會(huì)產(chǎn)生包括縱搖、縱蕩、垂蕩的縱向運(yùn)動(dòng)和橫

5、搖、橫蕩、首搖的橫向運(yùn)動(dòng);在各種搖蕩運(yùn)動(dòng)中對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪影響最嚴(yán)重的是橫浪中的橫搖和縱向?qū)酥械目v搖和垂蕩。1.1橫搖橫搖在全回轉(zhuǎn)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(xué)士,工程師。般來說全回轉(zhuǎn)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(fēng)影響嚴(yán)重,夏天常會(huì)有臺(tái)風(fēng)或熱帶風(fēng)10全回轉(zhuǎn)拖輪的耐波性分析陳吉暴的光顧,所以常產(chǎn)生不同等級(jí)的風(fēng)浪,也就是不規(guī)則波,全回轉(zhuǎn)拖輪在不規(guī)則波中的橫搖,根據(jù)疊加原

6、理,相當(dāng)于遭受一系列波長的單元規(guī)則波作用的疊加,當(dāng)橫搖諧搖波長位于主成分波之內(nèi)的臨界區(qū)域時(shí),此時(shí)船舶產(chǎn)生嚴(yán)重的橫搖;當(dāng)橫搖諧搖波長<2B(B為船寬)或<最大有義時(shí)船不會(huì)產(chǎn)生很大的橫搖1。全回轉(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)浪那樣的不規(guī)則波,全回轉(zhuǎn)拖輪頂浪作業(yè)時(shí),當(dāng)諧搖波長位于主成分波區(qū)間的臨界區(qū)域時(shí),此時(shí)波浪給船舶較多能量,船舶產(chǎn)生嚴(yán)重的縱搖和垂蕩,甚至出現(xiàn)嚴(yán)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(shí)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(shí)橫搖很嚴(yán)重。1.1.3橫搖固有周期對(duì)全回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)拖輪在亞臨界區(qū)域工作。1.3船模試驗(yàn)為了更好地

8、了解全回轉(zhuǎn)拖輪的耐波性,寧波港特通過設(shè)計(jì)船廠委托上海交大海洋工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)“甬港消拖3號(hào)”在船模試驗(yàn)池進(jìn)行了耐波性試驗(yàn)?！梆巯?號(hào)”:水線間長38.5m,船寬11m,設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn),并換算到實(shí)船的結(jié)果,見表1、2。表1󰁦h/3=1m時(shí)“,甬港消拖3號(hào)”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(dòng)以后,2。,T󰂋最有效的方法。1.1.4無因次衰減系數(shù)對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪橫搖影響無因次衰減系數(shù)是表征全回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)拖輪在作業(yè)時(shí)由于與大輪的位置關(guān)系,常需很長一段時(shí)間遭遇縱向?qū)?這時(shí)主要產(chǎn)生縱搖和垂蕩,縱搖和垂蕩是同時(shí)發(fā)生的,兩者有耦合影響,只有當(dāng)漂心和重心不在同一直線上時(shí),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(duì)船長之比/L越小,縱搖和垂蕩越緩和,/L

10、3/4時(shí),縱搖和垂蕩既使發(fā)生諧搖,幅值也不會(huì)很大;/L1時(shí),無論是否發(fā)生諧搖,縱搖和垂蕩都是嚴(yán)重的,航速越高,縱搖和垂蕩越激烈;當(dāng)縱搖調(diào)諧因素󰂋>1.2、垂蕩調(diào)諧因素Z>1時(shí)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?yàn)槿剞D(zhuǎn)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(shí)航速很小,所以在常見的涌浪中工作時(shí),縱搖11船海工程2006年第5期(總第174期)表2󰁦h/3=2m時(shí)“,甬港消拖3號(hào)”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(dá)到臨界區(qū)域,以前所造的全回轉(zhuǎn)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(hào)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(zhuǎn)性變差、造價(jià)提高,這些也應(yīng)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(duì)縱搖和垂蕩影響不大,船寬減小,使全回轉(zhuǎn)拖輪初穩(wěn)心下降3,這對(duì)橫搖有利,船體的砰擊也有所改善。但船寬減小,橫搖擾動(dòng)力矩卻有所增大,加大橫搖趨勢,抵消了初穩(wěn)性下降對(duì)橫搖的影響。所以船寬對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪橫搖的各個(gè)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(zhuǎn)拖

13、輪在港口常遇的三一波高󰁡h/3=1m海浪中工作時(shí),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(hào)”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(zhǔn)值人員分類輕手工勞動(dòng)者重手工勞動(dòng)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(zhuǎn)拖輪在不規(guī)則波中搖蕩越難達(dá)到臨界區(qū)域,吃水增加,會(huì)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(yīng)加大,所以增加吃水對(duì)全回轉(zhuǎn)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(huì)很大。從耐波性角度來說,對(duì)吃水的要求是矛盾的,因此在全回轉(zhuǎn)拖輪設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)母型船的性能決定吃水是否改動(dòng)。2.1.4初穩(wěn)心高初穩(wěn)心高是全回轉(zhuǎn)拖輪安全的重要衡準(zhǔn),同時(shí)也是橫搖的重要參數(shù),在保證船舶足夠穩(wěn)性基礎(chǔ)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(zhuǎn)(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(shè)計(jì)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(hào)”30.0m,船寬11.6m,型深5.36m,設(shè)計(jì)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(hào)”需要在蝦崎門口外進(jìn)行原油過駁護(hù)航搶險(xiǎn)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(shí)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(zhuǎn)拖輪縱搖和垂蕩,在規(guī)則波中/L1時(shí),波浪擾動(dòng)最大,當(dāng)/L>1.3時(shí),無論是否發(fā)生諧搖,縱搖和垂蕩都不會(huì)太大,全回轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)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(hào)”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(duì)耐波性影響顯著,Cw增加,能減小波浪對(duì)橫搖的擾動(dòng)力矩;同時(shí)排水量變化的幅度變大,使縱搖和垂蕩的復(fù)原力

17、矩變大,對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)有利。以前所造的全回轉(zhuǎn)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(hào)”Cw提高到0.99,耐船頭不易鉆入浪中,對(duì)縱搖有利,全回轉(zhuǎn)拖輪尾部布置有DP(ZP)舵漿裝置,中后部又設(shè)有主機(jī),所以重心較靠后,在漂心之后。2.2船舶形狀對(duì)全回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)拖輪19世紀(jì)80年代開始引進(jìn)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(shè)計(jì)的拖輪,見圖4“甬港眾聯(lián)6號(hào)”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?xí)r,排水

18、體積迅速加大,可以減小縱搖幅值,因?yàn)橄鄳?yīng)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(zhuǎn)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(hào)”半寬水線圖2.2.2橫剖面形狀以往全回轉(zhuǎn)拖輪常采用圓舭部橫剖面,而“甬港眾聯(lián)6號(hào)”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(shí)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(duì)船舶的吃水變化較為敏感,因?yàn)闉榱吮苊馑鞣蛛x和尾渦,線沿水流方向,求,4。在考慮船舶主尺度和形狀對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪耐波性影響的時(shí)候,應(yīng)對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮,因?yàn)橐粋€(gè)尺度或要素的變化往往會(huì)引起另一個(gè)要素的變化,。3全回轉(zhuǎn)拖輪工作特點(diǎn),決定了它作業(yè)時(shí)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(dāng)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(chǔ)上減小初穩(wěn)性高、優(yōu)化船體型線、選擇實(shí)效的減搖裝置來改善全回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)拖輪在港口生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn)1馮鐵城.船舶操縱與搖蕩M.北