靜水中AHTS操縱特性探析

王續(xù)仁 吳屯彪

1.中海油田服務(wù)股份有限公司湛江分公司；2.廣東海洋大學(xué)

1.引言

AHTS作為海上油氣開發(fā)不可缺少的海洋裝備，備受各國海洋油氣能源企業(yè)的重視，如何更好掌握A HTS的操縱特性，最大程度上降低海上事故是各船舶管理公司所關(guān)注的重點。當前關(guān)于AHTS操縱特性的研究主要集中在以下2個方面。

（1）AHTS某次作業(yè)的具體操縱問題分析。李偉等[1]分析了“海洋石油675船”拖帶“海洋石油944”平臺拖纜受力情況，并對“海洋石油675船”采取相應(yīng)操縱成功出江；沈愛平[2]介紹了AHTS在“南海八號”平臺起拋錨作業(yè)中的操船要點；施金超[3]基于AHTS靠泊海上平臺對船舶操縱要領(lǐng)進行闡述。綜上文獻，AHTS海上作業(yè)類別多樣，作業(yè)情況復(fù)雜多變，要求船長具備豐富的理論基礎(chǔ)及實踐經(jīng)驗。

（2）AHTS舵漿水動力分析。近年，新型AHTS開始使用吊艙式推進器，同時研究者對AHTS操縱性能的研究交點也轉(zhuǎn)移到對吊艙式推進器。趙大剛等[4]對L型吊艙推進器直航及操舵工況水動力性能進行試驗研究；武軍[5]研究了吊艙式推進器的技術(shù)細節(jié)，并對其具體應(yīng)用展開分析；袁桂蓉[6]對吊艙式推進器船舶的操縱系統(tǒng)進行了深入的研究，并通過建立吊艙推進器船舶的操縱運動模型、海上干擾作用力模型，對吊艙推進器船舶的運動進行仿真試驗。上述文獻通過對船舶螺旋槳和舵建模及模擬實驗，分析其受力情況，從單個設(shè)備得出了船舶的動力特性。

綜上，當前對AHTS操縱性能的研究主要集中在某次作業(yè)或某種作業(yè)中對遇到的情況展開研究，一些學(xué)者從理論角度對AHTS的螺旋槳和舵受到的水動力影響展開研究，對船長在AHTS生產(chǎn)作業(yè)中具有一定的指導(dǎo)意義。然而，對于AHTS海上常規(guī)作業(yè)，需要從其自身的操縱特性出發(fā)，結(jié)合實踐，建立一套完整的AHTS操縱體系，以應(yīng)對海上各種復(fù)雜海況和工況。

2.AHTS船體結(jié)構(gòu)及動力配置

基于A HTS的靠泊特性和作業(yè)性質(zhì)，各等級的AHTS均具備靈活的操縱特性，同時由于作業(yè)水深和作業(yè)種類的不同，不同等級的AHTS船體結(jié)構(gòu)和動力配置有所差異。

結(jié)構(gòu)方面，AHTS船長在60～80m之間，噸位：1000～4000GMT，滿載吃水:5～8m，干舷:2～4m。生活區(qū)位于船首，水線以上主要受風(fēng)區(qū)域位于船首，船中及船尾受風(fēng)面積較小。駕駛室設(shè)置前、后可獨立操縱雙控駕駛臺，前駕駛臺用于航行，后駕駛臺用于海上靠泊、拖帶以及拋起錨等作業(yè)。

動力配置，大多AHTS采用可變螺距（CPP）雙螺旋槳，配備導(dǎo)流罩，雙襟翼舵，部分新建船舶采用吊艙式可回轉(zhuǎn)雙推進器，可分開或聯(lián)合控制。對于雙舵槳船配備首尾側(cè)推器，吊艙式可回轉(zhuǎn)雙推進器配備首側(cè)推器。首尾側(cè)推器最大推力：10～50T，主機總功率：8000～30000hp。

3.無外界因素干擾下自有動力作用下的運動

AHTS在可變螺距螺旋槳、襟翼舵以及前后側(cè)推器的聯(lián)合使用下具備良好的操控性能。下面從AHTS自有動力展開討論，探析靜水中船體在自有動力作用下的運動態(tài)勢。

圖1 右螺旋槳進車運動軌跡

圖2 右螺旋槳倒車運動軌跡

3.1 可變螺距螺旋槳（CPP）作用下的運動

AHTS可變螺距槳能夠在不改變螺旋槳和主機轉(zhuǎn)向的情況下，僅改變螺距產(chǎn)生一定的推力，減少柴油機換向應(yīng)車時間，主機定速情況下實現(xiàn)無級變螺距，使船舶微速前進或后退，相比定距槳具有明顯的操縱優(yōu)勢。

3.1.1 單螺旋槳作用下的運動

右螺旋槳進車，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)推力，使船尾右轉(zhuǎn)，船首左轉(zhuǎn)。右螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向向右，螺旋槳進車時產(chǎn)生橫向力使船尾右轉(zhuǎn)，船首左轉(zhuǎn)，兩偏轉(zhuǎn)力疊加后船舶運動態(tài)勢：船尾右轉(zhuǎn)，船首左轉(zhuǎn)。右螺旋槳倒車，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)推力，船尾左轉(zhuǎn)，船首右轉(zhuǎn)。右螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向向右，倒車時產(chǎn)生橫向力使船尾右轉(zhuǎn)，船首左轉(zhuǎn)，兩偏轉(zhuǎn)力方向相反，但螺旋槳位置偏移產(chǎn)生推力遠大于橫向力產(chǎn)生推力，兩偏轉(zhuǎn)力疊加后運動態(tài)勢依然使船尾左轉(zhuǎn)，船首右轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)幅度小于右螺旋槳進車螺距產(chǎn)生的幅度。同理，左螺旋槳作用下的運動與右螺旋槳作用下的運動相反。

3.1.2 雙螺旋槳作用下的運動

雙螺旋槳螺距大小和方向相同時，船體不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，且雙螺旋槳外旋，左右螺旋槳產(chǎn)生的橫向力相互抵消，同樣產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩。此時，雙螺旋槳相同螺距進車或倒車，船舶沿直線運動，保向性較好。

雙螺旋槳螺距不定而方向相反時運動態(tài)勢。以右螺旋槳進車，左螺旋槳倒車為例，受力分析見圖3。

圖3 右螺旋槳進車，左螺旋槳倒車

圖4 雙螺旋槳螺距不定方向相反時運動軌跡

圖3雙螺旋槳轉(zhuǎn)軸連線與AHTS首尾線交點為O，O點到螺旋槳轉(zhuǎn)軸中心距離L為力臂，左右螺旋槳推力為F。雙螺旋槳推力產(chǎn)生力矩遠大于雙螺旋槳橫向力產(chǎn)生力矩，橫向力產(chǎn)生力矩不予考慮。

螺旋槳推力產(chǎn)生的力矩為：

式中：M1為左螺旋槳產(chǎn)生力矩；F1為左螺旋槳產(chǎn)生推力；L1為左螺旋槳推力力臂；M2為右螺旋槳產(chǎn)生力矩；F2為右螺旋槳產(chǎn)生推力；L2為右螺旋槳推力力臂；M3為螺旋槳合力矩。在M3作用下船體逆時針旋轉(zhuǎn)。同理，左螺旋槳進車，右螺旋槳倒車，船舶順時針旋轉(zhuǎn)。

綜上，雙螺旋槳運動軌跡主要有3種情況：①雙螺旋槳螺距大小及方向相同時，船舶沿直線運動；②雙螺旋槳螺距大小不等方向相同時運動軌跡與單螺旋槳近似，但轉(zhuǎn)向角速度有所差異；③雙螺旋槳螺距不定方向相反時船體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。

3.2 襟翼舵和螺旋槳綜合作用下的運動

襟翼舵位于螺旋槳后方，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩主要來源于螺旋槳排出流作用到舵葉面，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩。因此，靠泊中的工作船要想獲得舵力，須與螺旋槳配合使用。

舵力對重心的轉(zhuǎn)船力矩：

式中：Mδ為舵力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩；Pδ為水在舵葉上產(chǎn)生的舵力；d為船舶重心與舵力之間的垂直距離；δ為舵角，L為船長。

當船舶向左轉(zhuǎn)向時，左螺旋槳倒車、右螺旋槳進車、操左舵，如圖5。

圖5 舵和螺旋槳綜合操縱

1）雙螺旋槳產(chǎn)生合力矩：

M3=M1+M2，船首逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

3）合力矩：

M=M3+Mδ，船首逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

當左螺旋槳倒車、右螺旋槳進車、操右舵，則合力矩為：

M=M3-Mδ

綜上：a）當舵力轉(zhuǎn)向力矩和螺旋槳的轉(zhuǎn)向力矩大小相等且方向相反時，船體不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；b）當舵力轉(zhuǎn)向力矩大于螺旋槳的轉(zhuǎn)向力矩且方向相反時，船舶向右旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)效果較差；c）當舵力轉(zhuǎn)向力矩小于螺旋槳的轉(zhuǎn)向力矩且方向相反時，船舶向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)效果較差。

3.3 首、尾側(cè)推器作用下的運動

AHTS首尾側(cè)推器多為可變螺距（CPP）槽道式側(cè)推器，具有可頻繁變相的優(yōu)點，部分船舶首部裝有折臂或伸縮式的全旋回側(cè)推器。側(cè)推器可以提供橫向力，提高船舶操縱靈活性。

船舶靜止中，單獨使用首側(cè)推器產(chǎn)生側(cè)推力，船首將繞轉(zhuǎn)心旋轉(zhuǎn)，初始旋轉(zhuǎn)角速度在側(cè)推器推力和水阻尼力共同作用下，船舶旋轉(zhuǎn)角速度從零逐漸增大到最大，最終做勻速圓周運動，船舶轉(zhuǎn)心從距船尾0.333L處逐漸向質(zhì)心處移動，船舶作勻速圓周運動時，轉(zhuǎn)心穩(wěn)定在船尾前0.359L處，船首旋回半徑加大，所需水域相應(yīng)加大，船尾旋回半徑較小，所需水域小并有一定的反量，如圖6a。

圖6 靜水中單端受力運動軌跡

同理，當單獨使用尾側(cè)推器時，船尾旋回半徑加大，所需水域相應(yīng)加大，船首旋回半徑較小，所需水域小并有一定的反量，如圖6b運動軌跡。

3.4 AHTS在無外界因素干擾情況下自有動力車、舵、側(cè)推器作用下的綜合操縱

由于海上作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務(wù)的不同，AHTS的靠泊動力設(shè)備配置有一定的差異，下面介紹兩種沒有配置尾側(cè)推器的船舶典型的綜合操縱方法。

3.4.1 船舶橫向向右或向左平行移動

向右平行移動，操縱方式：左車右進、左車退、用左舵、首側(cè)推器向右推。如圖7所示，靠泊前后富余距離較小泊位。

圖7 靠泊前后富余距離較小泊位

對此操縱方式受力解析：

對船尾：右螺旋槳進車，左螺旋槳倒車產(chǎn)生的力矩使船首向左偏轉(zhuǎn)船尾向右偏轉(zhuǎn)，操左舵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩使船首向左偏轉(zhuǎn)船尾向右偏轉(zhuǎn)，車和舵產(chǎn)生的推力合力使船尾向右偏轉(zhuǎn)，船首向左偏轉(zhuǎn)。

對船首：首側(cè)推器向右推使船首向右偏轉(zhuǎn)。當船舶首尾兩端受到的推力相等方向相同時，船舶整體向右移動，當進車和倒車產(chǎn)生推力相等方向相反時，船舶縱向無進退，此時船舶整體運動狀態(tài)為：首向平行起始首向，縱向無進退，平行向右移動。

3.4.2 以船尾為旋轉(zhuǎn)中心，船長為半徑旋轉(zhuǎn)運動

以船尾為旋轉(zhuǎn)中心，船長為半徑旋轉(zhuǎn)運動，船首向右旋轉(zhuǎn)，操縱方式：右車進左車退，操左舵，首側(cè)推器向右推。船體旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生離心力，迫使船體在旋轉(zhuǎn)的過程中也在向前運動，如圖8。

圖8 靜水中以船尾為原點船長為半徑運動軌跡

對此操縱方式受力解析：

首側(cè)推器向右推，船首向右偏轉(zhuǎn)船尾向左偏轉(zhuǎn)；右車進左車倒，操左舵抵消船尾向左偏轉(zhuǎn)使船尾保持原位置；倒車大于進車抵消船體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使船尾縱向距離保持在原位置。

此操縱方法多在船舶靠泊平臺正在吊裝作業(yè)或帶臍帶為平臺輸送散料、補給油水并需同時調(diào)整船舶位置時常用，此類方法應(yīng)謹慎操縱協(xié)調(diào)配合，避免拉斷吊索或拉斷臍帶造成人員受傷或海洋污染。

4.結(jié)束語

AHTS的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，擁有兩個可變螺距推進器、可單獨聯(lián)合操控的雙舵、若干個可變螺距的側(cè)推器，在操縱設(shè)備硬件配備上決定其操縱靈活性是一般海船不可比的?？坎春Ｉ掀脚_，有時為了滿足作業(yè)需要，靠泊距離非常近，最近距離有時會小于一米，因此，操縱AHTS的人員必須從原理和方法上著手，熟悉掌握單邊、雙邊用車，單獨、聯(lián)合用舵，單獨或同時使用前后側(cè)推，相互配合協(xié)調(diào)使用車、舵、側(cè)推所產(chǎn)生的效應(yīng)，控制船舶運動狀態(tài)，從而使船舶穩(wěn)定在理想的作業(yè)位置上。此外，在實際工作中，還會有風(fēng)、流水對船舶產(chǎn)生外力，因此靠泊時除了考慮靜水中操縱特性外，還要運用車、舵、側(cè)推等消除外力對船舶運動的影響。海上機動靠泊平臺作業(yè)，面臨海況復(fù)雜多變，作業(yè)時間較長，要求船長具有良好的身體、心理素質(zhì)，熟練掌握船舶車、舵、側(cè)推器各個效應(yīng)，熟練綜合協(xié)調(diào)各個力匹配使用，確?？坎醋鳂I(yè)安全順利。