船舶耐波性-横摇减摇装置

在船舶舭部安装舭龙骨主要作用是在横摇时扰动船体周围流场，使船产生附加阻尼。 舭龙骨的附加阻尼有两部分：舭龙骨面积和水的相对速度形成的压力差阻尼以及船体 形状改变产生的表面阻尼。舭龙骨的设计主要根据母型船或船模试验来确定的。
位置：舭龙骨应设置在舭部距离横摇中心最远的部位，以产生尽可能大的稳定力矩， 舭龙骨不应超过中站面的方框线之外。舭龙骨的长度方向的位置应与满载时舭部流 线相一致。 尺度：舭龙骨在一舷的面积一般取L*d的2-4%，长度一般在船长的1/4-3/4之间。实 践表明，舭龙骨的附加阻尼随着其宽度的增加而增加，但是对于长度有一个有效范 围。舭龙骨宽度一般取0.2-1.2m。 结构：对于舭龙骨的最大宽度小于600mm的中小型船舶，可采用单板舭龙骨式样， 大船可采用双层板空心舭龙骨。无论单板舭龙骨或双层板空行舭龙骨，其腹板于船 体舭板的连接必须采用扁钢过渡。
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一、概述
船舶在风浪中过大的横摇，会给船舶航行的使用性能造成一系列的有害 影响，因此应设计性能优良的船舶。近百余年来，人们一直致力于研究 减缓船舶摇摆的措施。，保留下来的船舶减摇装置主要有舭龙骨、减摇
水舱、减摇鳍、减摇陀螺、 舵减摇、减摇重块等少数几种。 减摇装置按其本身是否具有动力可以分为主动式和被动式两大类。主动
控制系统更加智能，减摇效果更好
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பைடு நூலகம்21
四、未来的新型减摇装置
磁流体减摇。磁流体用于减摇也有诸多优势，跟 航速无关、跟海况和船况无关、振动小、
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减摇鳍发展趋势
减摇鳍在众多减摇装置中，减摇效果好，近年 来应用也为广泛。但历经多年的发展， 减摇鳍已经 发生了较大的变化，具体表现在： 先进鳍翼的应用提升减摇鳍性能 人机接口现代化 升力反馈技术进一步提高减摇效果 小型减摇鳍由电动转鳍替代液压转鳍 非收放式减摇鳍紧凑化模块化，减少体积重量， 简化船上安装 减摇的同时控制船舶倾角 在绿色造船背景下的节能环保型减摇鳍
4 减摇陀螺
利用陀螺转子产生阻摇的稳定力矩使舰艇减小摇摆。陀螺的旋转力（旋转力矩）与船 舶的横向摇摆呈相反方向，从而起到抑制摇摆的效果。减摇陀螺的减摇效果一般为 33%~47%，因安装方便，噪音低，且无舷外部件而在小型游艇上应用较多见。世界上 减摇陀螺主要厂商有美国 Seakeeper公司，澳大利亚 Halcyon 公司，日本的三菱重工， 另一家澳大利亚公司SEA GYRO公司。
减摇陀螺发展趋势
近几年在减摇陀螺上进行了大量的研发投入，使得减摇陀螺技术取得了可喜的进 步， 单台设备能够提供的稳定力矩越来越大。 Seakeeper 近研制成功并投入市场的 M26000 型减 摇陀螺（图 20），提供的稳定力矩比老款足足提高了 25%，虽然消耗功 率只有 3kW，单台设备已足可满足 排水量达 110t 的船的减摇需求，而通过多台减摇 陀螺 联合作用，其装船对象的吨位足以令人吃惊。该公司 的减摇陀螺减摇效果高达 80%，几乎可以与减摇鳍媲美，但其消耗功率却比减摇鳍小，安装远比减摇鳍 方便， 且其减摇能力跟航速无关，在豪华游艇、巡逻 艇等小型船市场上发展前景广阔。世界 上致力于减摇 陀螺设计的公司有增多的趋势。图 21 为澳大利亚 Sea Gyro公司的减摇 陀螺。
鳍在船上最理想的位置是船舯的舭部。原因是鳍和横摇中心之间的距离最大；舭部是 唯一可提供安装不可收放鳍的地方，使鳍限制在船外框线以内，避免鳍遭遇碰撞。 一般对不可收放式鳍的安装有一要求，保证避碰角βf不大于5度。 鳍在船舯位置，避免船舶操舵运动的相互影响。 为了避免鳍上发生空泡，鳍应位于水下尽可能深的位置。 鳍因其他原因不能位于船舯时，鳍的位置向前比向后好，因为船体前半部分的周围 流场受扰动较小，边界层较薄，因此对有效鳍面积影响较小。
6 减摇重块
通过移动重物来改变船体重心的位置，从而保证船舶的平稳性。这种减摇装置在船上 布置难度很大，且功率太大，现在很少有船愿意选装，利用重块作船舶横剖面内沿曲 线轨道滑动所产生的力矩以减摇，因其有撞击船舶的危险和产生噪声而影响实际使用。 资料表明，日本有技术人员在研究对该技术进行改进，以便更适合在船上应用。
减摇鳍是通过船体中部两舭伸出展弦比为1-2的机翼型翼片。当船在风浪中横摇时，在 自动控制系统的控制下，根据横摇情况，不断改变鳍角，使鳍上产生的胜利在左右两 舷方向始终相反，达到减小横摇的目的。减摇鳍可以分为收放在船体内的收放式和固 定在舷外的非收放式，也可以分为分为开襟式（或称带襟翼的）鳍和非开襟式（整体 式）鳍。
3 减摇鳍
是减摇效果最好的主动式减摇装置，设计得好的减摇鳍在任何情况下可以使横摇幅值 保持在3°以内，在减小横摇的同时，在航速方面也可以得到好处。世界上第一套减摇 鳍装置于1923 年由日本三菱重工的元良信太郎博士设计。减摇鳍结构复杂，成本较高， 需要动力和控制系统，在低速情况下减摇效果很差，零航速时没有减摇效果。目前多 用于客船和军舰上。
7 新型减摇装置
全航速都能够减摇的设备（零航速减摇鳍 具备减纵摇功能的减摇设备 新船型的姿态稳定与控制
是美国一公司为航速达60kn游艇和商船供货 的姿态控制设备，安装在高速船的 尾部，可用来控制 航行时船舶的纵倾和纵摇。
二、船舶减摇技术发展现状
近年来，世界船舶技术在大型化、高速化、高性能化三个方面的进步非 常明显，这对船舶减摇技术提出了新的要求和挑战。又随着人们对舒适 度的要求更 加苛刻，加上现代工业与信息技术的进步提供了条件，与八 九十年代相比，船舶减摇技术呈现出了完全不同的特点。
减摇水舱发展趋势
减摇水舱控制技术提高 。运用先进的非线性控制算法，提出了 各种不同的水舱控制 策略，弥补减摇水舱的响应速度较慢的不足，提高了减摇水舱不同浪向和海况下的适 应能力及减摇效果。 减摇水舱功能拓展。其中引人注目的一项功能拓展减摇水舱可通过额外并不复杂的改 造而具有抗横倾功能，甚至主动生摇。这种功能码对需要在码头装载抗倾、以及需要 破冰作业的船舶，实用性非常高。德国 Intering 公司新开发的多功能新型减摇水舱已 经兼有减摇和抗倾功能。随着研究的深入，通过技术融合，减摇水舱终可以形成一个 船舶姿态综合测量与控制系统。 控制水舱周期、相位的调节。采用气阀控制，通过气阀的开关动作来调节每个周期内 舱内水的振荡相位。采用水阀调节水舱的自摇周期，采用气阀调节舱内水的振荡相位， 在一定程度上提高了减摇效果。 舱鳍联合减摇。由于减摇鳍在低航速时减摇效果较差， 而减摇水 舱虽然减摇效果没有减摇鳍高，但减摇水舱的 减摇效 果跟航速大小没关系，如果能够将二者组合起来， 按 一定规则协调一起工作，则二者能够优劣互补，在全 航速范围内实现完美的减摇效果。
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【 知识回顾 】
一、表观重力、有效波倾、横摇角 二、横摇受力（复原力、阻尼力、惯性力、波浪扰动力） 三、横摇谐摇状态及临界状态 四、横摇固有周期及阻尼系数估算方法
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船舶减摇技术现状及发展趋势 主要内容
船舶横摇减摇装置概述 船舶减摇技术发展现状 现有减摇装置的发展趋势 未来的新型减摇装置
2 减摇水舱
是装在船体内的一种特制水舱，当船横摇时，水舱内的水能从一舷流向另一舷，从而 产生抵抗横摇的稳定力矩。自从1911年佛拉姆成功推出被动U型水舱以来，这种减摇装 置已经有 100 多年的发展历史，目前已经 有各种减摇水舱应用到几千艘各类船舶。减 摇水舱大的优点是其减摇效果跟航速没有直接关系，可以在任何航速下减摇。对被动 水舱而言，还具有功率小，成本低等优点。减摇水舱存在减摇效率相对较低、占用空 间大、低频扰动下易增摇等缺点，一 定程度上限制了其发展。
5 舵减摇
舵减摇的原理正是基于转舵产生横摇力矩以及横摇的自摇周期比 艏摇周期，在航向控 制舵（低频）上叠加横摇减摇操舵（高频），正确控制舵的动作（包括幅度、方向、 相位），有效地利用舵产 生的横摇力矩部分抵消波浪产生的横摇扰动力矩，实现在控 制航向的同时减小横摇。舵减摇于 1972 年被首次提出来，并在一艘商船上取得成功， 至 20 世纪 90 年代初国外已有定型产品出售。舵减摇对某些特殊船舶减摇效果可达 50%~70%。与鳍减摇装置相比，舵减摇具有造价低，所占空间小， 使用和维修方便， 以及便于对原来没有配备减摇装置的现役船舶进行加装改造等优点。舵减摇缺点是需 要很大的功率和舵速，民用船舶的舵机必须进行改造方可安装。另外，舵减摇控制器 对船舶参数高度敏感， 船体结构的微小变化、船舶装载的改变、船舶航速的变化及舵 机参数的改变等所引起的船舶参数的变化都会使减摇效果下降，甚至使减摇控制失败。
被动式减摇水舱是使设计的水舱内振荡的固有频率等于船横摇的固有频率，这样在 共振的情况下，水舱是随船一起运动，而水舱里的水的运动滞后横摇角 90度。同时， 当船横摇的固有频率等于波浪的扰动力距频率时，也发生共振，这时船的横摇角滞 后波浪力距90度。这样水舱力的水的运动就滞后波浪扰动力矩180度。也就是说水 舱里的水的重量引起的稳定力矩方向恰好和波浪扰动力矩方向相反，从而使共振区 横摇减小。这就是所谓的“双共振减摇原理”。最常用的是U型水舱和槽型水舱。 可控被动减摇水舱是为了改善被动水舱的减摇性能，在水舱通道上安装节流阀，通 过横摇传感装置调节阀门开启和关闭的程度，控制水的流量，使这种减摇水舱比被 动水舱能在较宽的频率范围内有效工作。 主动式减摇水舱是依靠角速度陀螺感应船的横摇角速度信号，控制阀伺服机构，控 制阀张开的大小由泵将水从一舷打到另一舷的水量建立稳定力矩。 总之，减摇水舱对改善低速船、海上作业的浮动平台等特种船舶的横摇性能具有独特 的优点。
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特大吨位的船舶需要超大型减摇装置，减摇装置的产品线需要进一步向大型方 向拓展。而高速船舶会要求减摇装置解决纵向姿态的控制等要求，同时还要 进
一步降低减摇鳍对船舶的阻力，研究能应用于高速场合的鳍翼。船舶高性能化
的发展则导致各种不同的 性能优异的船型的出现。这些不同的船型的减摇需求 一般都不尽相同，如高速穿浪双体船要求减少甲板抨击，小水线面双体船要求
对船舶的整个航行姿态可控， 且可使船运行在随波逐流的模式。人们对舒适度
要求的变化在豪华游艇上表现尤为突出。这种游艇要求减摇装置在停泊时具有 与航行时同样的减摇效果，且其“豪华”的定位要求减摇装置的工作必须是“ 静悄悄” 的。另外还表现在设备的运行状况再也不能同八九十 年代一样钻到 机舱去检查，而是通过信息技术，以直观形象的图形动画等模式呈献给用户。 所有这些要求 的变化，在十几、二十年前是无法想象的，现今，借助先进的工 业与信息化技术，已经渐渐成为现实。
三、现有减摇装置的发展趋势
述传统减摇装置的发展现状以及新开发出的减摇装置的技术特点，我们 可以对目前的减摇装置 未来的发展方向作出判断。预计常规减摇鳍、零 航速减摇鳍、舵减摇、减摇水舱、Maglift等现有的减摇装置在今后相当 长的一段时间内将会继续应用下去，但可以肯定，这些产品一定会被不 断改进与创新，越来 越收到用户欢迎。发展方向不外乎以下几个方面。 结构更加简单集成，设备成本更低，船上安装 更加方便 设备噪声更低，航行阻力更小，性能更加可靠 功能更加全面，实现船舶姿态控制
式减摇装置依靠本身的动力和控制系统使船舶产生稳定力矩，以减少横 摇。被动式减摇装置本身不具有动力，仅根据使船舶横摇的风浪扰动力
矩大小而起作用。
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1 舭龙骨
是一种装于船中两舷舭部外侧，与舭部外板垂直 的长条形板材结构。在船横摇时扰动 船体周围的流场，使船产生附加阻尼，通过增加横摇阻尼来达到减摇的目的。它在任 何情况下都有效，减摇效果，效果大约为 20%~25%。舭龙骨结构简单、造价低、效能 高、没有 运动部件、便于维护，被广泛的应用到各类船舶。目前几乎所有海船都毫无 例外地装有舭龙骨，它已成为 海船船体的一部分。所以，在一般情况下所谓减摇装 置 系指舭龙骨以外的减摇措施和设备 。