減搖水艙

減搖水艙是船舶的一種防搖設備，用來減小船舶的搖擺。在我國古代船舶上就出現了減搖水艙。

減搖水艙裝置由其發展過程可以分為三種類型：被動式、主動式、可控被動式。其減搖原理主要是利用其左右舷側水艙液位高度不同而產生的橫搖復原力矩來抵消波浪擾動力矩。

基本介紹

• 中文名：減搖水艙
• 外文名：Anti—rolling tank
• 解釋：船舶的一種防搖設備
• 用途：減小船舶的搖擺
• 發明時間：早在唐宋時期
• 縮寫：ART

定義

船舶減搖水艙是一種常用的減振裝置，分為被動式減搖水艙和主動式減搖水艙的，依靠船舶橫搖運動自身所產生的能量使水艙內的水流動，產生力矩減少了船舶的橫搖，具有結構簡單，造價小的特點，並且可以在零航速、低航速下起到很好的減搖效果，消耗能量低，可控被動式水艙能夠起到破冰、抗衡傾的作用。減搖水艙被普遍用於RORO船、科學考察船、運輸船等船隻。

歷史發展

減搖水艙是減小船舶橫搖的有效裝置之一，已有120多年的套用與發展歷史，目前仍然被廣泛採用.被動減搖水艙的優勢是造價低廉，而且其減搖效能不受航速的制約。但是，對於不加控制的被動減搖水艙，由於其有效區域很窄，在非諧搖區可能會出現增搖情況，所以對其減搖效果的評價尚存爭議。

早在唐宋時期，我國造船師為了提高船舶耐波性，在海船中設定了“敞開式減搖水艙”，只不過當時的船舶是木帆船，橫搖問題沒有現代艦船那么嚴重。但是真正意義上的減搖水艙出現在1860年，那時,，造船師首次把水艙作為固定的減搖設備。1880年，在英國皇家海軍的一艘早期潛艇上，為了減少潛艇在水面航行時的搖擺,裝上了減搖水艙。

國外發展

1911年，德國人佛拉姆（Frahm）提出了一種U型減搖水艙，使減搖水艙發展成為一種實用的減搖裝置。舷邊艙部分充水，相互間由連通水道相溝通，而在上面部分由空氣連通道相連線，大量的水在橫播作用下自一舷邊艙流到另一舷邊艙，由於它的重量和部分慣性的作用而產生穩定力矩，以減小船舶的橫搖運動。這種水艙稱為被動式U型水艙或佛拉姆水艙。

U型減搖水艙

1958年美國船舶局曾在海洋調查船、飛彈跟蹤船上裝備的槽型平面減搖水艙，它是一種改良的平面水艙，利用帶有較大自由液面的水槽把船左右兩舷邊艙聯接起來，水槽中水的振盪表現為水艙的阻尼，用適當水槽尺度和水艙水深得到穩定力矩，以減小船舶的橫搖運動，其減搖效果相當顯著。常稱這種水艙為槽型水艙。

槽型減搖水艙

隨後,英國國家物理實驗室(NPL)進行了矩形平面水艙的研究，並且成功地套用於實船。有時常將這種矩形平面水艙稱為布朗—NPL減搖水艙。槽型水艙和矩形平面水艙可通過調節水深以適應不同的波浪頻率，從而能在較寬的波浪頻率範圍內有效減搖，這一特點使減搖水艙得到廣泛套用。

隨著對減搖要求的不斷提高及對減搖技術的深入研究，人們綜合考慮被動式減搖水艙和主動式減搖水艙的優缺點，提出了利用少量能量控制水艙，使減搖水艙能在較寬的波浪頻率範圍內有效減搖的方法,這就是後來發展起
來的可控被動式減搖水艙。如英國布朗兄弟公司、德國Rolls-Royce公司(英特靈水艙)、美國佛拉姆公司和日本JFE股份公司(NKK公司)等。目前這些公司均有這類成型的產品，無論在軍用還是民用方面上，都有很多的裝船記錄，並且效果良好。

國內發展

國內大連船廠、上海江南船廠、滬東中華造船廠及廣州黃埔船廠都建造過安裝有被動式減搖水艙或可控被動式減搖水艙船舶，但產品均為國外引進的。

減搖機理

近年來，減搖裝置已成為一種重要的新裝置，尤其對於客船和軍艦。它不僅可以為船員和旅客提供舒適，而且對於在風浪中獲得更高的航速也是有用的。裝有減搖裝置的船舶不至於因橫搖劇烈而需改變航速或改變航向。

減搖裝置還有一個次要的效果。當船舶遭遇到強烈的頂浪時，會引起過度的縱搖，它可以改變航向(甚至改變幾度)來改善。但是，航向的改變通常會導致橫搖的加劇。這就意味著，解脫這一困境的辦法只有靠減速，而不是改變航向。如果裝上減搖裝置，那就有可能改變航向來解決，而不必使航速有所損失。

設計製造各種減搖裝置來減小船舶的橫搖運動，主要是按照三種途徑來實現減搖:

增大阻尼係數

這種做法稱為“阻尼穩定”。由於阻尼的物理含義是指能量的消耗，所以這種減搖方式在任何情況下都是有效的，尤其是諧搖區效果最顯著。如舭龍骨。

減小船舶固有頻率

這種減搖方式稱為“諧搖穩定”。即減小船舶固有頻率,使船舶的固有頻率避開波浪擾動頻率。它只對強制振盪有效，使遭遇頻率按正確的方向改變。但是，由於實際的海面上有著各種頻率的波浪，改變船舶固有頻率的做法並不總是合適的，並且製造一種裝置來改變船舶固有頻率也是不現實的，只能在設計船舶時考慮這一點，使船舶的固有周期避開此船舶服務海域發生最頻繁的波浪的周期。

直接減小擾動力或力矩

這種方式稱為“平衡穩定”，在原則上它可以適用於所有的搖擺運動。在這種情況下，施加一個與擾動力矩相位相反的穩定力矩，從而使擾動力矩減小。如減搖鰭、減搖水艙、重物移動減搖裝置等。

優缺點

減搖水艙得以套用的最大優點是船舶在低速航行狀態時能進行減搖，而減搖鰭、舵減搖等則需要航行速度達到一定時方能達到較為理想的減搖效果。因為它們需依靠航行過程中在鰭、舵等翼形表面產生的升力而產生橫搖控制力矩，而該升力在一定範圍內和速度平方成正比，低速航行時，鰭、舵產生的升力很小，根本起不到減搖作用。

但減搖水艙也有其相對缺點，只有減搖水艙達到一定的容積，才能使其產生足夠的橫搖復原力矩，所以使得減搖水艙在船上占據了很大的空間，減搖才能起到一定的效果，而一般是30-40%左右。另外還需注意的是減搖水艙的自搖頻率必須高於船舶橫搖的自搖頻率，才能實現橫搖減搖，否則甚至會產生增大橫搖作用，這樣就會給減搖水艙的設計帶來了一定困難，也限制了減搖水艙的工作頻率範圍。

U型減搖水艙

減搖水艙按照其控制特點可分為主動式減搖水艙、被動式減搖水艙和可控被動式減搖水艙等三種類型。

主動式減搖水艙具有減搖效果高、回響速度快等優點，但其系統複雜，造價較高，而且功率消耗非常大，經濟性較低，因此已經很少被使用。

被動式減搖水艙結構簡單，根據“雙共振”原理進行工作，在船舶的諧搖頻率範圍內具有良好的減搖效果，但其減搖頻率範圍較小，在低頻和高頻範圍內甚至可能產生增搖效果。對被動式減搖水艙結構的最佳化設計以及位置的合理布置成為提高被動式減搖水艙性能的關鍵。

可控被動式減搖水艙是對被動式減搖水艙的一個重要改進，充分利用水艙的結構特點，通過少量能量控制水艙頂部氣體連通道或底部液體連通道的開口，實現對水艙內液體運動的控制，避免了在因減搖水艙不可控對船舶產生的不利影響。