船舶减摇技术现状及发展趋势

SHIP ENGINEERING 船舶工程

V ol.34 Supplement 2 2012 总第34卷，2012年增刊2船舶减摇技术现状及发展趋势

洪超1,陈莹霞2

（1．中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2．上海船舶设计研究院，上海 201203）

摘 要：传统的船舶减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、减摇陀螺、减摇重块等，本文介绍了这些传统的减摇装置的发展现状及近年来出现的新型减摇装置，包括零航速减摇鳍、舵鳍联合减摇、舱鳍联合减摇、Magnus效应回转轴减摇、减纵摇、船舶姿态控制系统等，并对未来的新型减摇装置进行了预测。

关键词：减摇鳍；减摇水舱；舵减摇；陀螺；减摇发展

中图分类号：U664.7 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2012) Z2-0236-09

Current Situation and Tendency of Development of

Ship Stabilizer Technique

HONG Chao1, CHEN Ying-xia2

(1. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. Shanghai Merchant Ship Design and

Research Institute, Shanghai 201203, China)

Abstract: The traditional ship stabilizer includes fin stabilizer, anti-rolling tank, rudder roll stabilizer，moved mass stabilizer etc..this paper introduces the development status of these traditional stabilizers and some new stabilizers developed in recent years, such as fin stabilizer at zero speed, rudder-fin stabilizer, tank-fin stabilizer, Magnus Effect rotor stabilizer, pitch stabilizer and ship motion control system. And the prospective ship stabilizers are forecasted at the last part of this paper.

Key words: fin stabilizer; anti-rolling tank; rudder roll stabilizer; gyro roll stabilizer; development

1 概述

人类从19世纪初的帆船年代的舭龙骨开始，就已经开始了船舶减摇的努力和斗争，前后共提出了350余种不同类型的减摇装置，其中用于了实践的达20几种[1]。直到二十世纪九十年代，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。

1.1 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。

1.2 减摇水舱

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[2]。减摇水舱最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。减摇水舱也有多种，其中应用最多的是可控式U型被动减摇水舱。美国Flume Stabilization Systems公司已为超过1500条船提供了被动减摇水舱，Intering公司提供了大约600套，Rolls-Royces公司270多套，日本的STABILO公司大约为200套，日本JFE公司约130套（不包括军船）。上海船舶设备研究所研制出国内减摇水舱前年刚刚投入市场，就已经承接了数条船的订单。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。

1.3 减摇鳍

减摇鳍出现的历史相对较晚，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

作者简介：洪超（1977-），男，高级工程师，主要从事船舶减摇技术研究。

洪超等，船舶减摇技术现状及发展趋势

设计。在各种减摇装置中，减摇鳍的减摇效果最好，最高可达90%，一经推出，就得到了用户的高度肯定，并逐渐成为人们首选的减摇方式。目前，减摇鳍在全世界范围内得到了普遍的应用，广泛应用到各类船舶上。但减摇鳍有一个较大的缺点，鳍所产生的用来减摇的力矩跟航速平方成正比，所以在低速情况下减摇效果很差，零航速时没有减摇效果。

1.4 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。

1.5 舵减摇

由于作用在舵上的水动力的作用中心与船重心之间存在一定高度差，转舵时不仅会产生改变航向的艏摇力矩，同时还会产生横摇力矩。另外，由于船体绕艏摇轴的质量惯性矩比船体绕横摇轴的质量惯性矩大得多，一般为几倍至数十倍，因此横摇的自摇周期比艏摇周期小，这种差异变现为横摇对操舵的响应比艏摇快。舵减摇的原理正是基于这两点差异，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[3]。

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[4]。

1.6 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。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。

2 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。

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。

本文以近二十年里应用最为广泛的减摇鳍、减摇水舱和舵减摇为例，来说明船舶减摇技术的发展现状。

3 减摇鳍

减摇鳍在众多减摇装置中，减摇效果最好，近年来应用也最为广泛。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：

1）先进鳍翼的应用提升减摇鳍性能

研究设计高性能水动力翼型，使其较其他翼型升力更高，阻力更低是所有翼型研究者永远的追求。减摇鳍鳍翼的发展也是如此。近年，各国有实力的减摇鳍厂商在这方面取得的成绩非常明显。图1为意大利Fincantieri公司为非收放式减摇鳍设计的梯形襟翼鳍，其提供的升力远远超过相同面积的不带襟翼的鳍，实际效果是减小了装船鳍面积。图2为Rolls-Royces公司设计的用于收放式减摇鳍的矩形鱼尾鳍，同样也提高了升力系数，减小了鳍面积，另外，鳍收进去以后，利用鱼尾的厚度部分遮盖了鳍箱开口，减小了鳍箱开口引起的航行阻力。Rolls-Royces公司还为收放式减摇鳍设计了一种翼稍带止流板的鳍，这种设计有效阻止了航行时鳍翼高压一面的水通过翼稍向低压面的流通，减少了鳍翼的升力损失（图3）。同样的设计思路也被Quantumn公司应用到该公司的鳍翼上（图4），不同的是，该公司的翼稍止流板更大，且本身出于降低阻力考虑自身也具有流线型。