浅析减摇水舱的工作原理及其在育鲲轮上的改造应用文档格式.docx
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2.2.2减摇水舱的控制输入
2.3减摇水舱内流体运动分析
3减摇水舱在“育鲲”轮上的改造应用
3.1“育鲲”轮压载水系统简介
3.2针对三号压载水舱的改造
4减摇水舱控制系统的设计
4.1减摇水舱的控制系统
4.2电磁阀的选择
4.3气源处理设备
4.4传感器
4.5工控机
5综合平衡的优势
6总结
附图:
图1减摇装置分类示意图
图2被动式水舱减摇原理图
图3被动式水舱减摇原理相位图
图4可控被动式减摇水舱工作原理图
图5减摇水舱可控系统原理
图6气阀关闭时刻舱内水的流动气阀关闭后舱内水的流动
图7“育鲲”轮压载水系统
图8“育鲲”轮三号压载舱在船体分布俯视图
图9改造后的三号压载舱概念图
图10减摇水舱控制系统流程图
图11气动系统基本线路
表一减摇装置分类表
表二各种减摇装置特性的比较
表三“育鲲”轮各压载水舱的基本数据
浅析减摇水舱的工作原理及其在“育鲲”轮上
的改造应用
前言
在海上航行的船舶由于受到海浪、海风及海流因素的影响,船舶不可避免的会产生各种摇荡,其中横摇在船舶的摇荡中最为严重,剧烈的摇荡对船舶的适航性、安全性、以及设备的正常工作、货物的固定和乘员的舒适性都会有很大的影响,特备是对于“育鲲”轮这种专用远洋实习船,一定要尽可能的减小其在海浪中的摇摆。
在减摇技术中,最为常用的是减摇鳍,减摇水舱,以及舭龙骨,由于规定舭龙骨是大多数船舶必须安装的减摇装置,所以近年来减摇水舱和减摇鳍成了研究的重点。
由于减摇水舱和减摇鳍各有优缺点,减摇鳍在系泊状态和低航速下不能有效的减摇,而减摇水舱可以弥补这一缺陷,但是减摇水舱也有缺陷,它体积大且只能在船舶的谐摇频率附近有较好的减摇效果,其减摇效果一般为50%,不能满足船舶的平衡指标。
故可以采用减摇水舱和减摇鳍联合减摇的方案来提高船舶的减摇性能。
1减摇装置的分析比较
1.1船舶横摇概述
1.1.1船舶横摇危害
自从帆船发展成机动船后,随着船舶由木质船壳变为钢制船壳,横摇阻尼更加减小,横摇角度显著增加,使船舶在海上航行、工作时有可能产生相当大的横摇运动,产生一下后果:
1.由于横摇时船舶过分倾斜而使船舶倾覆。
2.由于横摇时产生的附加应力的作用而使船体和船上个别建筑物损坏。
3.由于横摇时水阻力的增加和推进器工作条件的恶化而使船舶航速降低。
4.由于船舷或船端淹没在波面下而使甲板浸水。
5.由于横摇时的船舶倾斜而使未固定好的货物移动。
6.船舶过度横摇时会引起船员晕船,影响其工作效率。
1.1.2船舶横摇标准
1为使船舶在风浪情况下能顺利施放到水面,通常要求横摇值不超过15°
。
2相关专家指出,船舶人员对横摇的忍耐程度,认为横摇幅值不应超过10°
,相应的,横摇周期不应大于5s~6s。
3为保证拖船的正常使用,相关专家认为其船舶幅值不应超过10°
.
4为保证雷达能正常工作,英国交通部门规定要求船舶雷达天线在船舶横摇幅值为10°
时任有合适的性能。
1.1.3船舶减小横摇途径
人们提出了各种装置来减小船舶的横摇,主要通过一下三种不同途径来实现:
1增大阻尼系数
这种做法称为“阻尼”稳定。
由于“阻尼”的物理意义是指能量的消散,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。
2减小船舶的固有频率
这种减摇方式称为“谐摇稳定”。
即减小船舶固有频率,是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点,使船舶的周期避开此船服务海域发生最频繁的波浪的周期。
3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荡运动。
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。
但在实际中,由于只有横摇的幅值较大而扰动力矩较下,才能有效的力矩减摇。
如减摇水舱。
1.2常用的减摇装置
1舭龙骨
舭龙骨是应用最广泛,也是最简单的减摇装置。
它沿着船长方向安装在船的舭部,在横摇时扰动船体周围的流场,使船产生附加阻尼,借以增加横摇阻尼从而达到减摇目的的被动式减摇装置。
它在任何情况下都有效,在近似共振状态下最明显。
唯一缺点是装上舭龙骨会使船舶的阻力有所增加。
由于它简单、建造成本低和对航速影响小等优点,几乎在所有海船都毫无例外的装有舭龙骨,它已称为海船船体的一部分。
所以,在一般情况下所谓减摇装置糸指舭龙骨以外的减摇措施和设备。
2减摇鳍
减摇鳍是减摇效果最好的主动式减摇装置,设计的好的减摇鳍在任何情况下都可以使横摇幅值保持在3°
以内。
它是通过船体中部两舭伸出的一对机翼型叶片,当船在风浪中横摇时,在自动控制系统的控制下,根据横摇的情况,不断的改变鳍角的大小,使鳍上产生的升力在左右两船舷的方向始终相反,一边产生向上的升力,另一边产生向下的升力,总的力矩恰好抵消风浪的扰动力矩,从而达到减小横摇的目的。
在减小横摇的同时,在航速方面也可以得到好处。
但是减摇鳍结构复杂,成本较高,需要动力和控制系统,而且它有一个严重的缺点,就是航速达到一定程度时才会在鳍上产生明显的升力,随着航速的下降,减摇效果也急剧下降。
减摇鳍分为在不需要时收放在船体内的收放式和固定在舷外的非收放式两种。
前者由于有鳍箱,需要占用一定的船内空间,后者不占用空间,但鳍易损坏。
3减摇水舱
它是装在船体内的一种特制水舱,当船横摇时,水舱内的水,从一舷流向另一舷,从而产生抵抗横摇的稳定力矩。
从水舱的工作原理来分,大体有三种形式:
被动式水舱、可控被动式水舱和主动式水舱。
图一减摇装置分类示意图
按稳定力的力学性质
按控制方式
按工作机构的形式
按稳定力的实施范围
按改变船对扰动的感受性
被动式
主动或可控式
重力
各种不同结构的被动水舱和重物
各种不同结构的主动水舱和重物
液体和可移动固体重物
减少横摇,偶尔也用于减少纵摇
根据减摇装置对阻尼,自由振荡频率或扰动力起作用,相应的分为阻尼式,频率式和动力平衡式
流体动力
舭龙骨,鳍翼,自行整位的鳍板及舵
各种不同结构的可控鳍,喷水推进器
各种形式的附体
减少各种摇摆和偏航
陀螺力
被动式陀螺稳定器
主动式陀螺稳定器
陀螺
减少横摇
1.3减摇装置的性能比较
类型
舭龙骨
减摇鳍
舵减摇
被动式减摇水舱
可控式减摇水舱
减摇百分数
35%
80~90%
30~55%
50%
35~60%
低航速效果
有效
几乎无效
装置重量占排水量比例
几乎没有
1%
1~4%
对阻力影响
略有
工作时略有
减摇时略有
无
驱动功率
较大
所占空间
一般
小
较小
横向连续空间
不要
要
GB的影响
降低
噪声
有
造价
低
高
较高
维修费
较低
易损性
易
不易
有效的波浪范围
广
有限
较广
1.4减摇装置的选择
通常在选择减摇装置时,应考虑下述诸因素,并且根据船的使用要求、船体结构和布置等特点进行比较分析。
1减摇效果:
一般情况下减摇鳍的减摇效果最好,其次是可控被动减摇水舱,而被动式减摇水舱效果稍差。
但是,因为鳍的升力与船速的平方成正比,所以在低航速和无航速情况几乎没有减摇作用。
减摇水舱由于它的减摇力矩不受船航速的影响,它在不同航速都有相近的减摇效果,因此它特别适用于低航速或是无航速船舶的减摇。
2船内空间的占有率:
减摇装置的空间占有率是根据体积大小来判断的。
一般来说,减摇水舱比减摇鳍占据更大的空间,而且平面水舱往往要占据相当有用的空间。
3对航速和功率的影响:
减摇水舱因为布置在船体内部,所以不影响船体阻力,而减摇鳍由于从两舷伸入水中,且具有船体开口,将使井水阻力增加。
但是,因为减摇效果,使船横摇损失的航速减少,而减摇鳍比减摇水舱有更大的优点。
1.5“育鲲”轮现有减摇装置简介
1.5.1“育鲲”轮减摇鳍参数
“育鲲”使用的减摇鳍型号是Aquarius50系列,每舷各有一个叶片,叶片面积为3.03㎡,总重量为20.3吨,叶片伸出长度2.75m,叶片长宽比为2.5,工作叶片角为21.5°
,最大叶片角为25°
,叶片角减小发生在船舶航速16.7节以上。
“育鲲”轮减摇鳍在船舶航速为16.7节(海浪输入为4.111°
)的表现:
没有安装减摇鳍时横摇角为16.5°
,安装减摇鳍后的横摇角为3.5°
,横摇减少百分比为80%
每个叶片上的升力为160.435KN
力矩臂为11.318m
稳定力矩为3671.747KN.m
每个海浪输入度的横倾力矩为1277.22KN.m
波倾斜能力(叶片功率)为2.843°
Aquarius折叶式减摇鳍用紧凑的、轻量级的设计和最先进的控制来提供高性能的横摇阻尼,用最小尺寸、最小重量、最小数量零部件的鳍板操作机构满足更小船舶的需求。
1采用大升力的鳍片来提高减摇效果
2液压、机械和控制设备安装费用低
3船舶的报警和监视系统结合容易
4鳍叶的倾斜和伸展由线性执行器完成
5采用内部润滑系统
6液压系统采用负载感应
2.1减摇水舱概述
无论是U型减摇水舱,还是平面或槽型减摇水舱,都是籍船舶横摇时由水舱内液体的移动产生对抗力矩以减少船舶的横摇运动的。
按水仓是否施加控制进行划分,减摇水舱可分为被动式减摇水舱、主动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱。
被动式减摇水舱是根据双共振原理进行设计的,这也就是使设计水舱和船舶具有相同的固有周期,这样在共振的规则波作用于船舶时,在波浪和传播摇摆之间,及船舶摇摆和水舱内水柱振荡之间形成双重共振现象。
此时船舶的横摇较扰动力矩振荡落后相位/2,而水柱的振荡较扰动力矩振荡落后相位,水柱振荡所产生的力矩将与波浪的扰动力矩符号相反,从而达到减摇。
以双共振原理设计的水舱有一个主要缺点,即在离开谐摇区时减摇效果明显下降,甚至增摇。
图2被动式水舱减摇原理图
图3被动式水舱减摇原理相位图
主动式减摇水舱是由传感器感受穿的运动来控制水泵或叶轮,把水舱的水从一舷达到另一舷来抵消波浪扰动力矩或横倾力矩。
由于需要在几秒钟内把几十吨重量的水从一舷打到另一舷,因此需要更大的动力源,造价和维持费用相当大。
主动式水舱已提出多年,但成功的实例不多见。
可控被动式减摇水舱水流控制阀一般有两种配置形式:
一是装于连接两边舱底部联通水道中,而是装于连接两边舱气体的空气通道中。
下面主要介绍一下在水舱顶部气道上安装节流阀的阀控式可控被动式减摇水舱,它是一种用少量能量改变水舱内水流周期的高效减摇装置。
它主要考虑在水舱中安装可调的节流阀,通过横摇传感装置调节阀门的开启和关闭,以控制水舱内水流的运动,使水舱中的水总是保持在船舶向上运动的那一侧边舱内。
只要船舶横摇周期大于水舱固有振荡周期,可控被动式减摇水舱的自动控制系统立即通过气阀来调节水舱水流周期以适应变化的横摇周期,其工作原理如图4所示。
图4中相位
表明船舶开始向左舷扶正,舱内水以最大速度从左舷边舱向右舷边舱流动。
到达相位
时,右舷边舱达到最高水位,这时控制系统输出气阀关闭信号,船继续向左舷横摇,但由于阀门已关闭,水舱中的液位保持相对不动,从而产生一个最大的减摇力矩Mtmax抵消船舶向左舷横摇,直到相位
在相位
阀门重新打开,空气在边舱间能够自由流动,舱内的水开始从右舷边舱流向左舷边舱。
时,船舶向左舷横摇到最大值并开始向右舷扶正,水舱中的水以最大速度流向左舷边舱。
图4可控被动式减摇水舱工作原理图
时,左舷边舱水位达到最高,这时阀门关闭,从而使左舷边舱最高水位保持到相位
,这时产生的最大减摇力矩Mtmax是抵消船向右舷横摇的。
在相位
阀门再次开启,水舱中的水从左边舱流向右舷边舱,进入下一个循环周期。
经过上述反复控制,使舱内的水产生的力矩始终与波浪干扰力矩的符号相反,在任何时刻都起到减摇作用。
可控被动式减摇水舱中阀门的控制作用相当于自动延长了水舱内水流的振荡周期,也就是说,只有在船舶横摇周期大于舱内液体固有振荡周期时,自动控制系统才能发挥作用。
这种水舱克服了被动式水舱的固有缺点,在计算机控制下自动改变水舱内水流的振荡频率,从而能够适应经常发生变化的波浪频率或者变化的船舶横摇固有频率,使水舱在更宽的频率范围内都能有效的减摇。
2.2减摇水舱的控制
图5概要的表示了减摇水舱的可控操作概念。
如图所示,水舱控制器根据船舶横摇运动状态和舱内液体的运动状态,产生控制气阀启闭的信号,控制气阀的开启和关闭,实现对舱内流体运动相位的控制。
当波浪干扰周期与船舶横摇固有周期、水舱固有周期相等时,控制信号使气阀常开,这时水舱采用被动操作方式,作为被动式水舱运行。
否则,水舱控制器投入运行,根据船舶横摇运动状况控制气阀反复关闭和开启,使水舱在更宽的周期内都可以有效减摇。
在减摇水舱采用可控操作方式时,可以用水舱液位、船舶横摇角和横摇角速度作为水舱控制输入,也可以水舱底部连通道中水的流动方向作为控制输入。
无论采用哪种控制输入,其目的均在于适时的控制气阀的开启和关闭,使减摇水舱发挥最大的减摇作用。
从定性分析来看,在离开船舶谐摇区域时,采用这些控制输入,与没有施加控制时船舶横摇运动幅值相比,都能在一定程度上提高水舱的减摇效果。
对于减摇水舱的可控操作,无论采用哪种控制输入,关键问题是要准确几个控制参数,即气阀开启时间和关闭时间,以及气阀开启时刻和关闭时刻。
从上述可控操作的分析不难看出,减摇水舱舱内水流振动的固有周期和船舶横摇周期是决定气阀开启时间和气阀关闭时间的主要依据。
如果Tt代表减摇水舱固有周期,T代表船舶横摇周期,其阀开启时间Topen和气阀关闭时间Tclose可计算如下:
Tclose=1/2(T-Tt)
Topen=1/2Tt
由于减摇水舱固有周期可以作为一个已知参数,所以气阀开启时间是一个确定的时间常数。
只要控制系统检测出船舶横摇运动周期就可以技术暗处气阀关闭时间。
这样,不论减摇水舱选择哪种控制输入,都能够准确控制气阀的开启和关闭。
例如,选择以横摇角作为控制输入,也就是根据船舶横摇角的变化控制气阀的开启和关闭。
控制系统实时检测船舶横摇角,并且以横摇叫的过零点为计时起点。
这样,控制系统检测出船舶横摇运动周期,不但可以计算出气阀开启时间和气阀关闭时间,同时还可以确定气阀开启时刻和气阀关闭时刻。
2.3减摇水舱内流体运动分析
当减摇水舱采用可控操作方式时,由于控制系统对气阀的开启和关闭进行控制,使得水舱内水的运动受到了限制,下面简要分析气阀对水舱内水的运动的影响。
图6给出了“闭式水舱”气阀关闭时刻和气阀关闭后舱内液体的运动状态。
由图可知,由于气阀关闭,左边舱的气体不能继续向右边舱自由流动,于是由右边舱流向左边舱的液体的运动受到限制,但由于惯性作用,舱内液体要继续向左边舱振荡,从而引起左边舱气体受压缩,右边舱气体膨胀。
舱内气体压缩和膨胀过程反过来阻止舱内液体从右边舱向左边舱的进一步流动。
相反方向的流动过程可进行类似分析。
图6气阀关闭时刻舱内水的流动气阀关闭后舱内水的流动
3.1“育鲲”轮压载水系统的简介
压载水系统主要由压载水泵,压载水管路,压载舱及有关阀件或阀箱组成。
一般船上可用首尖舱、尾尖舱、双层底舱、边舱、深舱等作为压载水舱。
货船的压载水量一般占船舶载货量的50%~70%;
油船的货油舱可兼做压载水舱,有的还设专用压载水舱。
“育鲲”轮压载水系统如图7所示
“育鲲”轮在辅机舱内设置有压载泵和舱底压载泵各一台,前者主用,后者备用。
全船分布有15个压载水舱,它们分别是1号左(右)压载舱、2号号左(右)压载舱、3号左(右)压载舱、4号左(右)压载舱、5号压载舱6号左(右)压载舱、7号左(右)压载舱、首尖舱、尾尖舱。
表格三列出了各个压载水舱的基本数据:
第一列为舱名、依次各列为舱的起讫肋位、舱容(立方米)、重量(吨)、重心距尾垂线(米)、重心距中心线(米)、重心距基线高(米)。
表3“育鲲”轮各压载水舱的基本数据
3.2针对“育鲲”轮三号压载水舱的改造
通过对“育鲲”轮压载系统的学习和与大副胡荣强老师的交流,我了解到通常在航行之前大副会将别的压载水舱打满压载水以免其产生自由液面,在航行中影响船舶稳性,由于三号压载水舱是两个边舱(如图8所示),由于其位置和其它一些因素的特殊性,为了不影响稳性,通常不往三号压载水舱打压载水,航行期间它是空着的。
三号压载舱相当于一个U型水舱,说以我想将其改造成可控被动型减摇水舱。
由于“育鲲”轮具有狭窄的甲板且居住舱位于三号压载水舱的上面。
可以将其改在成“闭式水舱系统”,沿船长方向在两边舱顶部分别设置四对八个法兰盘连接孔,每对中的两个法兰盘接孔,一个用于安装液位变送器,另一个用于安装空气联通管,液位变送器安装孔径由安装变送器的钢管套直径确定,空气联通管的直径可以经过计算得到。
在空气管道中需要安装双向控制气阀,为了避免在系统断电或控制系统出现故障情况下使水舱内流体振荡引起船舶增摇现象发生,双向阀通常选用常闭气阀。
图8“育鲲”轮三号压载舱在船体分布俯视图
图9改造后的三号压载舱概念图
4.1减摇水舱的控制系统
减摇水舱的控制系统流程图如图10所示,控制装置是系统的核心环节,主要完成控制算法的计算。
一方面对从传感器送来的各种信号进行存贮、记录和显示,同时将所搜集的数据,经过一定的控制方法处理,得到一个控制电磁阀的信号,控制阀的开启和关闭。
图10减摇水舱控制系统流程图
4.2电磁阀的选择
可控被动式减摇水舱是根据电磁阀的开或关来延长水流的振荡周期,使水舱中的水流的正当周期与船舶的横摇周期相同。
因此,电磁阀的选择非常关键。
通常要求电磁阀在断电情况下处于关闭状态,即减摇水舱不起作用,以防止增摇现象的发生。
在可控被动式减摇水舱中,电磁阀的通径大小由空气管道的通径来决定。
空气管道通径过大会增加系统的成本,造成浪费。
反之,如果空气管道的通径过小,则气阻过大,舱内水流振荡困难,因此必须合力选择空气管道的通径。
依据经验公式,空气管道的截面积为
Sc=(1/50-1/70)So
其中So为边舱自由液面的面积。
4.3气源处理设备
为了满足控制系统的自动化要求,需要把必需的气动元件按一定的逻辑方式连接起来,对他们实行控制。
这就是气动控制线路。
图11气动系统基本线路
如图11所示1为空压机、2为三联件、3手动换向阀、4储气罐、5为减压阀。
(1)三联件
三联件是将空气过滤器、减压阀和油雾器连接为一体的空气处理单元。
其中,空气过滤器能减少悬浮在压缩空气中的粒子。
减压阀能根据操作情况,调节所需压力。
油雾器能将适当的润滑油雾化,经压缩空气带入系统里起到润滑的作用。
三联件的选取以系统的最大流量值来确定其尺寸大小。
(2)手动换向阀
手动换向阀是与三联件连成一体的,它的主要作用是当长时间不使用气源时,排放储气罐中的有压气体。
(3)储气罐
储气罐主要起三个方面的作用:
一是用来贮存一定量的压缩空气,调节空压机输出气量与消耗气量之间的不平衡状况,保证连续、稳定的气流输出。
作用二是当出现空压机停机、突然停电等意外事故时,可用储气罐中贮存的压缩空气实施紧急处理,保证安全。
作用三是减小空压机输出气流脉动,稳定空气管路中的压力。
此外,还能降低压缩空气温度,分离压缩空气中的部水份和油份。
(4)减压阀
减压阀的作用是将较高的输入压力调到规定的输出压力,并能保持输出压力稳定,不受空气流量变化及气源压力波动的影响。
4.4传感器
在进行自动化的控制中,需要测量一些与水舱运动状态相关的一些状态监测
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