海洋核动力平台水动力性能试验分析

2021-12-03孔凡富李天鹞郑亚雄董海防周友明刘克勤

兵器装备工程学报 2021年11期

孔凡富，余曼，李天鹞，郑亚雄，董海防，周友明，刘克勤

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

1 引言

海洋核动力平台是搭载有核动力装置的非自航式浮式平台，由外转塔软刚臂系泊系统长期定位于渤海海域，可为周围采油平台和岛礁提供电力和淡水[1-2]。平台以渤海明珠号为母型，在设计过程中为校核船体和系泊系统的安全性需要开展水动力性能试验。

与其他同类型船舶相比，平台在研制过程中有诸多要求，包括：① 船体摇摆限定值要求。船体作为核设施的外部包络，为保证核设施的正常运行和停堆安全，船体在作业工况下的横摇极值不得超过22.5°、纵摇极值不得超过10°，自存工况下的横摇极值不得超过45°、纵摇极值不得超过15°。② 船体线加速度限定值要求。为减少核设施承受的冲击载荷，船体在任何工况下的线加速度都不得超过2g，尤其是反应堆舱处。③ 船体不倾覆要求。船体倾覆会直接影响对堆内核燃料的反应性控制，以及对堆内核燃料和乏池中乏燃料的余热导出，进而影响核安全，船体在任何工况下都不得发生倾覆事故。④ 基于系泊系统环境条件设计基准，系泊系统能够承受约6 MN的载荷。因此在水动力性能试验中，需要侧重船体响应和系泊系统载荷的安全性。

参考渤海明珠号和国外同类型船舶[3]，对平台开展验证性水动力性能试验，校核船体摇摆、线加速度、抗倾覆能力是否满足限定值要求，以及系泊系统载荷是否在设计载荷范围内并保证足够的安全裕量，同时针对试验中出现的问题进行重点分析。

2 试验条件与模型

2.1 环境条件与试验工况

在平台预研阶段，初步确定以作业海域重现期100年、500年和10 000年对应的风、波浪和流叠加作为平台的设计基准，分别对应作业工况、系泊设计工况和自存工况。基于作业海域环境条件监测数据[4]，对不同工况对应的风、波浪和流参数进行长期预报，有关数据如表1所示，其中系泊设计工况包含时距1 min和1 h平均风速，分别用于定常风和NPD风谱。

表1 环境条件设计基准

依据标准规范对风浪流方向组合的规定，以及作业海域常见风浪流方向组合[5]，同时参考国内外同类型船舶水动力性能试验，并考虑到系泊系统对于定常风和风谱的敏感性，对平台的试验工况安排如表2～表4所示。

表2 作业工况

表3 系泊设计工况

表4 自存工况

2.2 试验条件与模型

水动力性能试验在海洋工程水池开展，水池主尺度 50 m×30 m×6 m，具备模拟风浪流等各种海洋环境条件的能力，是我国技术功能比较完备的水池，如图1。

平台整体主要包括船体和外转塔软刚臂系泊系统两部分，此外还有舭龙骨、尾部推进器和跨接缆等，如图2。

图2 平台试验模型图

依据船型论证和舱室总布置，平台排水量约为 33 000 t。与作业于渤海海域的同类型船舶相比，平台的排水量约为渤海友谊号的1/2、长青号的1/2、明珠号的3/7、世纪号的1/6，说明平台的排水量和主尺度都非常小[6]。

平台在水池中的布置和风浪流方向规定如图3所示，分别由可移动式轴流风机、双推板大功率液压造波机、高压喷水造流系统模拟风、波浪和流条件，包括定常风和NPD风谱。在造波机对岸设有消波滩，用于吸收波能而防止产生反射波，以及通过可升降假底调节水深[7]。

图3 水池与平台布置示意图

平台试验设计满足几何相似、傅汝德相似条件，由于在海工水动力试验中，几乎不可能做到模型和实船两者雷诺数相等，因此模型试验中产生的粘性力系数、浮体的粘性横摇阻尼可能产生尺度效应。在试验前，开展实船粘性系数的理论计算。通过静水试验，获得模型粘性系数测量值，并与理论值进行对比，以达到试验验证目的。如测量得到的值与所要求的的理论值一致，则可继续开展试验；如不符合，则分析原因，重新调整，以此避免尺度效应对风浪流试验的影响。

3 试验结果

3.1 静水衰减试验和系泊刚度试验

在作业工况和系泊设计工况下，船体处于软刚臂系泊状态，而在自存工况下，船体处于自由状态，因此需要分别针对2种状态进行船体静水衰减试验，结果如表5所示。

表5 运动周期和无因次阻尼

通过调整船体在纵向和横向上的偏移距离，可以得到系泊系统的静态回复力[8]，并与理论值对比，其刚度曲线如图4和图5。

图4 纵向刚度曲线

图5 横向刚度曲线

由结果可知，试验测量得到的纵向和横向刚度曲线都与理论值吻合良好，说明模型的精确性满足试验要求。

3.2 风浪流试验

3.2.1船体运动响应

在作业工况下，船体运动响应如图6。由图6(a)和图6(c)可知，垂荡和纵摇运动总体平稳，受风向和流向的影响不大，且都在工况3时极值最大。由图6(b)和图6(d)可知，横摇和艏摇运动存在关联且都受流向影响很大，在工况2和工况5时流向均为90°，此时横摇和艏摇极值最大。

图6 作业工况船体运动响应直方图

在系泊设计工况下，船体运动响应如图7。通过对比可知，船体运动响应对定常风和风谱、波浪谱随机种子、平均周期T1、半流的改变不敏感。风向和流向对四自由度运动的影响与作业工况相同，尤其当流向为90°时，横摇和艏摇运动的极值都非常大。在工况5和工况16时，方向组合都为风180°浪150°流90°，横摇和艏摇运动极值都最大。

在自存工况下，船体运动响应如图8。与工况24和工况25式的流向135°时相比，工况23和工况26流向90°时垂荡和纵荡运动极值增大明显，说明与作业工况和系泊设计工况相比，自存工况下垂荡和纵摇运动受流向影响更大。同时与作业工况和系泊设计工况相同，横摇和艏摇运动受流向影响同样很大。

3.2.2船体加速度响应

在全船布置4个加速度测量点，其中测量点1、2、4分别位于在船艏、船中和船艉，而测量点3位于反应堆舱处。在3种工况下的船体加速度响应如图9。由对比可知，船艏和船艉的加速度都是最大，而船中和反应堆舱处则最小。

3.2.3系泊系统载荷

在作业工况和系泊设计工况下，固定塔架水平力和系泊腿轴向力的大小分别如图10和图11所示。除90°横流工况外，在作业工况和系泊设计工况下，固定塔架水平力的极值分别稳定在2.0～2.6 MN和2.9～5.0 MN范围内，说明固定塔架受力平稳。但在90°横流工况下，在作业工况和系泊设计工况下，固定塔架水平力分别出现了14 MN和28 MN的极值。

除90°横流工况外，在作业工况和系泊设计工况下，系泊腿轴向力的极值分别稳定在2.3～2.9 MN和2.8～4.1 MN范围内，说明系泊腿受力平稳。但在90°横流工况下，在作业工况和系泊设计工况下，系泊腿轴向力分别出现了11.0 MN和27.6 MN的极值。

图7 系泊设计工况船体运动响应直方图

图8 自存工况船体运动响应直方图

图9 船体加速度响应直方图

图10 固定塔架水平力的大小直方图

图11 系泊腿轴向力的大小直方图

4 安全性校核与问题分析

基于水动力性能试验结果，从船体运动响应、船体线加速度响应、系泊系统载荷和抗倾覆能力四方面校核平台的安全性。

1) 由2.3.1节可知，在作业工况下，船体横摇和纵摇运动的最大值分别为8.0°和4.6°，在自存工况下，船体横摇和纵摇运动的最大值分别为10.7°和6.9°，远小于船体摇摆限定值要求。

2) 由2.3.2节可知，在作业工况下，船体线加速度在3个分量上的最大值分别为0.8 m/s2、2.6 m/s2、2.9 m/s2，在自存工况下，船体线加速度在3个分量上的最大值分别为1.3 m/s2、4.0 m/s2、3.9 m/s2，远小于船体线加速度限定值要求。

3) 由2.3.3节可知，除90°横流工况外，在作业工况和系泊设计工况下的固定塔架水平力力和系泊腿轴向力都在系泊系统设计载荷范围内。但在90°横流工况下，则出现了远大于系泊系统设计载荷的情况，说明通过水动力性能试验结果的校核，现阶段系泊系统的设计存在问题。

4) 由2.3.1节可知，在3种工况下，船体横摇运动最大值为10.7°，远小于船体静稳性曲线中的稳性消失角，说明船体具有足够的回复力矩使船体回复到正常姿态，更不会因为稳性丧失而发生倾覆。

综上所述，在船体运动响应、线加速度响应和抗倾覆能力方面，平台的安全性满足要求，并且具有充足的安全裕量，但系泊系统载荷校核无法满足要求。

以工况11为例，通过对固定塔架水平力分量和系泊腿轴向力时历曲线分析可知，在对应实船的3h内，绝大部分时间内系泊系统载荷都十分平均，只在几个时间点上出现了突变。在4 127 s，波高时历曲线中出现了一个9.22 m波峰，是整个波高时历曲线中峰值和谷值最大的。在4 132 s，固定塔架水平力X分量的时历曲线出现7.4 MN的突变，左舷和右舷系泊腿轴向力的时历曲线分别出现3.0 MN和4.9 MN的突变，说明某一极端波高的出现导致了固定塔架和系泊腿载荷的瞬间增大。

由分析可知，当船体艏摇运动大于45°时，固定塔架和系泊腿都有可能承受瞬时冲击载荷，主要由于船体在大角度斜浪状态下，左右舷的系泊刚臂运动不一致，导致系泊腿出现瞬时张紧，如图12所示。参考国内外软刚臂系泊系统设计经验，在环境条件设计基准和船体主尺度保持不变的情况下，提高系泊系统的刚度成为主要的解决方法，措施是增加软刚臂压载重量。