基于W型船动力定位系统研究

朱凌玉 廖国红 王林

【摘要】随着海洋时代的到来，各种新型船舶也应运而生。而动力定位系统在深海以独特的优势得到了广泛应用。为研究动力定位系统在新型船舶上的应用，本文提出一种新型的W吸油船，研究了其主体设计及可行性。另外，对动力定位系统在此船上的应用做了理论分析，以供其他研究者参考。

【关键词】新型W型船；吸油船；动力定位系统

动力定位系统以定位精度高、灵活性好、机动性强、适用于多种海况的优势，而广泛用于海上作业和海上平台的定点系泊。而对新型船应用动力定位系统的研究能推进动力定位系统的进一步发展，故而本文以一种新型的W吸油船为例，对其进行动力定位系统应用研究。

1、新型W船

1.1主体设计方案

本项目提出一种W型多片体组合式设计方案，船身由首部片体，关于船中纵剖面对称分布的左舷外侧片体、左舷内侧片体、右舷内侧片体和右舷外侧片体 5 个片体组成，如图1.1、1.2所示，本船的主尺度表如表 1.1所示：

1.2 航行阻力预估

W型在合拢状态航行时，其阻力成分主要是摩擦阻力和粘压阻力以及兴波阻力。其中粘压阻力和兴波阻力总称剩余阻力。因此，我们只需计算船舶的摩擦阻力和剩余阻力即可。由表 1.1 和表 1.2 得到船舶主尺度参数：

船长 L=60m，吃水 T=4m，船宽 B=23.2m，型深 D=6m.合拢时最大航速V=7.768m/s。

1）计算湿面积（海水温度 T=15°），

运动粘性系数γ=1.8831×10-8㎡/s

参考一般油船的方形系数Cb=0.815，

排水体积▽=Cb×L×B×d=4454.4m3

W型船湿面积：S=L×B×T（1/T+2/B+2/L）-4.4（▽（1/Cb-1））2/3

=5568×0.37-4.4×100.74=1616.9 ㎡

2）计算雷诺数Re===2.41×10-10

3）据光滑平板摩擦阻力公式计算摩擦阻力系数Cf==1.067×10-3

粗糙度补贴系数△Cf=0.4×10-3

4）计算摩擦阻力 Rf=（Cf +△Cf）×（）=73.354KN

5）剩余阻力

CR 为剩余阻力系数，查剩余阻力图谱得方形系数为 0.815 的船的剩余阻力系数 CR=0.016。那么剩余阻力RR=CR× =800.827KN

总阻力 RT =Rf+ RR =874.181KN

故此W型船在正常航行下的有效推进功率应为PE=RT×V=6790.638KW

1.3 应用前景

近年来的海上溢油污染案例体现了溢油回收船在防止海洋污染中的重要作用。本文提出的“多片体组合式可展开船”利用可展开的船体，可显著增加船体收油宽度，且在W型底部有效积累油厚利于收油机高效工作，克服了以往收油船收油宽度小，收油效率低下的缺点。它具有覆盖面广，吸油效率高，且能适用于较恶劣海况，大规模溢油事故的特点，在我国对高效吸油船有极大需求的大背景下，具有极好的发展前景。

2、动力定位系统在W型船中的应用

2.1 动力定位系统工作原理

船舶动力定位系统是一种闭环控制系统，它通过控制系统驭动船舶推进器来抵消风、浪、流等作用于船上的环境外力，从而使船舶保持在海平而某要求的位置上。通过测量系统不断检测船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根據环境外力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，进而对全船的各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力以克服风、浪、流等环境外力的干扰，使船舶保持在某确定位置或沿一定预定航迹航行。

典型的DP系统主要由三部分组成：1）位置测量系统，测量出船舶或平台相对于某一参考点的位置；2）控制系统，首先根据外部环境条件（风、浪、流）计算出船舶或平台所受的扰动力，然后由此外力与测量所得位置，计算得到保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力；3）推力系统，一般由冗余的推力器组组成。

2.2 实际应用

2.2.1 静水中合拢航行

W型船在合拢状态下航行时动力定位系统的工作情况即与普通船舶相似。测量系统实时地检测船舶航行的实际位置，将信息传至控制系统，由控制系统处理所得信息，分析出实际位置与要求的偏差，按推力分配原则将指令分配到推进系统各推进器使其产生相应的力及力矩，以抵消外界干扰力，达到动力定位的目的。

2.2.2 静水中展开合拢过程

1 船体在静水中展开过程：

（1） 1、4片体在侧推的作用下展开至指定角度。任一角度时，将有一对垂直于两片体的推力，从而产生绕船尾基点的两力矩。将两推力分解到运动方向和垂直于运动方向，则总的作用力将与船舶运动方向相反。船舶动力定位系统的测量系统收集信息，经控制系统计算分析后发出能抵消两推力合理的推力指令，推力系统中的推进器按指令发出相应力的指令。从而使船舶能在展开过程中不至于因侧推推力的合力作用而产生向后的速度。

（2） 1、4片体展开后分别保持1、2和3、4片体间的夹角不变，尾部吊舱推进器发出推力F，使2、3片体也展开一定的角度。力F分解成运动方向和垂直于运动方向的分量，将产生向前的合力以及力矩，此时动力定位系统工作过程与1、4片体展开时相似，将给予1、4片体上侧推如图所示T的力的指令，以实现动力定位。

2 船体在静水中的合拢过程即是展开过程的逆，此处不再赘述。

2.2.3 展开后遭遇风浪作用

下面说明本船以 W 型工作时遭遇尾斜浪情况下如何保证航向稳定：假定船舶 W 型工作时重心位于 G 点，尾斜浪 q（x）作用于左舷，为了方便说明，本项目将沿舷侧分布的波浪作用力 q（x）简化为作用于舷侧某一点的集中力Q，它对重心产生的力矩为 M（x）。此时船尾、船首的吊舱推进器调整角度β2、β3、β4 和转速，得到向左前方的力 F2、F3、F4，它们对重心的力矩为M2（x）、M3（x）、M4（x）。1、4 片体上的侧推装置调整转向、转速，得到力 F1、F5，对重心的力矩为 M1（x）、M5（x）。船舶受力如图 1.3 所示：

为了保证航向稳定，由力学条件，各力应满足：

当船舶所受外载荷与螺旋桨产生推力平衡时，船舶航向保持不变。

结论

为研究动力定位系统在新型船上的应用，本文提出一种W型船，并简要介绍了其主体设计、性能分析以及应用前景。此后，将动力定位系统应用于所设计的W型船，分析船舶在静水中以合拢状态航行、展开合拢过程以及展开后遭遇风浪作用时动力定位系统的工作过程。此后，我们将制作出模型，通过试验来检验以上理论分析的正确性。

参考文献：

[1]耿惠彬 译，MJ摩根著.近海船舶的动力定位[M].北京：国防工业出版社，1984.

[2] 周国平. “海洋石油 623”船型研发设计[J]，船舶设计通讯，2009 年 S1期.

[3] 张俊武. V 型开体式浮油收集船关键部件疲劳分析研究：[硕士论文] 武汉：武汉理工大学船舶与海洋环境保护专业，2008