静水中AHTS操纵特性探析

王续仁 吴屯彪

1.中海油田服务股份有限公司湛江分公司；
2.广东海洋大学

AHTS作为海上油气开发不可缺少的海洋装备，备受各国海洋油气能源企业的重视，如何更好掌握A HTS的操纵特性，最大程度上降低海上事故是各船舶管理公司所关注的重点。当前关于AHTS操纵特性的研究主要集中在以下2个方面。

（1）AHTS某次作业的具体操纵问题分析。李伟等[1]分析了“海洋石油675船”拖带“海洋石油944”平台拖缆受力情况，并对“海洋石油675船”采取相应操纵成功出江；
沈爱平[2]介绍了AHTS在“南海八号”平台起抛锚作业中的操船要点；
施金超[3]基于AHTS靠泊海上平台对船舶操纵要领进行阐述。综上文献，AHTS海上作业类别多样，作业情况复杂多变，要求船长具备丰富的理论基础及实践经验。

（2）AHTS舵浆水动力分析。近年，新型AHTS开始使用吊舱式推进器，同时研究者对AHTS操纵性能的研究交点也转移到对吊舱式推进器。赵大刚等[4]对L型吊舱推进器直航及操舵工况水动力性能进行试验研究；
武军[5]研究了吊舱式推进器的技术细节，并对其具体应用展开分析；
袁桂蓉[6]对吊舱式推进器船舶的操纵系统进行了深入的研究，并通过建立吊舱推进器船舶的操纵运动模型、海上干扰作用力模型，对吊舱推进器船舶的运动进行仿真试验。上述文献通过对船舶螺旋桨和舵建模及模拟实验，分析其受力情况，从单个设备得出了船舶的动力特性。

综上，当前对AHTS操纵性能的研究主要集中在某次作业或某种作业中对遇到的情况展开研究，一些学者从理论角度对AHTS的螺旋桨和舵受到的水动力影响展开研究，对船长在AHTS生产作业中具有一定的指导意义。然而，对于AHTS海上常规作业，需要从其自身的操纵特性出发，结合实践，建立一套完整的AHTS操纵体系，以应对海上各种复杂海况和工况。

基于A HTS的靠泊特性和作业性质，各等级的AHTS均具备灵活的操纵特性，同时由于作业水深和作业种类的不同，不同等级的AHTS船体结构和动力配置有所差异。

结构方面，AHTS船长在60～80m之间，吨位：1000～4000GMT，满载吃水:5～8m，干舷:2～4m。生活区位于船首，水线以上主要受风区域位于船首，船中及船尾受风面积较小。驾驶室设置前、后可独立操纵双控驾驶台，前驾驶台用于航行，后驾驶台用于海上靠泊、拖带以及抛起锚等作业。

动力配置，大多AHTS采用可变螺距（CPP）双螺旋桨，配备导流罩，双襟翼舵，部分新建船舶采用吊舱式可回转双推进器，可分开或联合控制。对于双舵桨船配备首尾侧推器，吊舱式可回转双推进器配备首侧推器。首尾侧推器最大推力：10～50T，主机总功率：8000～30000hp。

AHTS在可变螺距螺旋桨、襟翼舵以及前后侧推器的联合使用下具备良好的操控性能。下面从AHTS自有动力展开讨论，探析静水中船体在自有动力作用下的运动态势。

图1 右螺旋桨进车运动轨迹

图2 右螺旋桨倒车运动轨迹

3.1 可变螺距螺旋桨（CPP）作用下的运动

AHTS可变螺距桨能够在不改变螺旋桨和主机转向的情况下，仅改变螺距产生一定的推力，减少柴油机换向应车时间，主机定速情况下实现无级变螺距，使船舶微速前进或后退，相比定距桨具有明显的操纵优势。

3.1.1 单螺旋桨作用下的运动

右螺旋桨进车，产生偏转推力，使船尾右转，船首左转。右螺旋桨旋转方向向右，螺旋桨进车时产生横向力使船尾右转，船首左转，两偏转力叠加后船舶运动态势：船尾右转，船首左转。右螺旋桨倒车，产生偏转推力，船尾左转，船首右转。右螺旋桨旋转方向向右，倒车时产生横向力使船尾右转，船首左转，两偏转力方向相反，但螺旋桨位置偏移产生推力远大于横向力产生推力，两偏转力叠加后运动态势依然使船尾左转，船首右转，但偏转幅度小于右螺旋桨进车螺距产生的幅度。同理，左螺旋桨作用下的运动与右螺旋桨作用下的运动相反。

3.1.2 双螺旋桨作用下的运动

双螺旋桨螺距大小和方向相同时，船体不产生偏转力矩，且双螺旋桨外旋，左右螺旋桨产生的横向力相互抵消，同样产生偏转力矩。此时，双螺旋桨相同螺距进车或倒车，船舶沿直线运动，保向性较好。

双螺旋桨螺距不定而方向相反时运动态势。以右螺旋桨进车，左螺旋桨倒车为例，受力分析见图3。

图3 右螺旋桨进车，左螺旋桨倒车

图4 双螺旋桨螺距不定方向相反时运动轨迹

图3双螺旋桨转轴连线与AHTS首尾线交点为O，O点到螺旋桨转轴中心距离L为力臂，左右螺旋桨推力为F。双螺旋桨推力产生力矩远大于双螺旋桨横向力产生力矩，横向力产生力矩不予考虑。

螺旋桨推力产生的力矩为：

式中：M1为左螺旋桨产生力矩；
F1为左螺旋桨产生推力；
L1为左螺旋桨推力力臂；
M2为右螺旋桨产生力矩；
F2为右螺旋桨产生推力；
L2为右螺旋桨推力力臂；
M3为螺旋桨合力矩。在M3作用下船体逆时针旋转。同理，左螺旋桨进车，右螺旋桨倒车，船舶顺时针旋转。

综上，双螺旋桨运动轨迹主要有3种情况：①双螺旋桨螺距大小及方向相同时，船舶沿直线运动；
②双螺旋桨螺距大小不等方向相同时运动轨迹与单螺旋桨近似，但转向角速度有所差异；
③双螺旋桨螺距不定方向相反时船体产生旋转运动。

3.2 襟翼舵和螺旋桨综合作用下的运动

襟翼舵位于螺旋桨后方，其产生的转船力矩主要来源于螺旋桨排出流作用到舵叶面，进而产生转船力矩。因此，靠泊中的工作船要想获得舵力，须与螺旋桨配合使用。

舵力对重心的转船力矩：

式中：Mδ为舵力产生的转船力矩；
Pδ为水在舵叶上产生的舵力；
d为船舶重心与舵力之间的垂直距离；
δ为舵角，L为船长。

当船舶向左转向时，左螺旋桨倒车、右螺旋桨进车、操左舵，如图5。

图5 舵和螺旋桨综合操纵

1）双螺旋桨产生合力矩：

M3=M1+M2，船首逆时针方向旋转。

3）合力矩：

M=M3+Mδ，船首逆时针方向旋转。

当左螺旋桨倒车、右螺旋桨进车、操右舵，则合力矩为：

M=M3-Mδ

综上：a）当舵力转向力矩和螺旋桨的转向力矩大小相等且方向相反时，船体不产生旋转；
b）当舵力转向力矩大于螺旋桨的转向力矩且方向相反时，船舶向右旋转，旋转效果较差；
c）当舵力转向力矩小于螺旋桨的转向力矩且方向相反时，船舶向左旋转，旋转效果较差。

3.3 首、尾侧推器作用下的运动

AHTS首尾侧推器多为可变螺距（CPP）槽道式侧推器，具有可频繁变相的优点，部分船舶首部装有折臂或伸缩式的全旋回侧推器。侧推器可以提供横向力，提高船舶操纵灵活性。

船舶静止中，单独使用首侧推器产生侧推力，船首将绕转心旋转，初始旋转角速度在侧推器推力和水阻尼力共同作用下，船舶旋转角速度从零逐渐增大到最大，最终做匀速圆周运动，船舶转心从距船尾0.333L处逐渐向质心处移动，船舶作匀速圆周运动时，转心稳定在船尾前0.359L处，船首旋回半径加大，所需水域相应加大，船尾旋回半径较小，所需水域小并有一定的反量，如图6a。

图6 静水中单端受力运动轨迹

同理，当单独使用尾侧推器时，船尾旋回半径加大，所需水域相应加大，船首旋回半径较小，所需水域小并有一定的反量，如图6b运动轨迹。

3.4 AHTS在无外界因素干扰情况下自有动力车、舵、侧推器作用下的综合操纵

由于海上作业环境和作业任务的不同，AHTS的靠泊动力设备配置有一定的差异，下面介绍两种没有配置尾侧推器的船舶典型的综合操纵方法。

3.4.1 船舶横向向右或向左平行移动

向右平行移动，操纵方式：左车右进、左车退、用左舵、首侧推器向右推。如图7所示，靠泊前后富余距离较小泊位。

图7 靠泊前后富余距离较小泊位

对此操纵方式受力解析：

对船尾：右螺旋桨进车，左螺旋桨倒车产生的力矩使船首向左偏转船尾向右偏转，操左舵产生的转船力矩使船首向左偏转船尾向右偏转，车和舵产生的推力合力使船尾向右偏转，船首向左偏转。

对船首：首侧推器向右推使船首向右偏转。当船舶首尾两端受到的推力相等方向相同时，船舶整体向右移动，当进车和倒车产生推力相等方向相反时，船舶纵向无进退，此时船舶整体运动状态为：首向平行起始首向，纵向无进退，平行向右移动。

3.4.2 以船尾为旋转中心，船长为半径旋转运动

以船尾为旋转中心，船长为半径旋转运动，船首向右旋转，操纵方式：右车进左车退，操左舵，首侧推器向右推。船体旋转时会产生离心力，迫使船体在旋转的过程中也在向前运动，如图8。

图8 静水中以船尾为原点船长为半径运动轨迹

对此操纵方式受力解析：

首侧推器向右推，船首向右偏转船尾向左偏转；
右车进左车倒，操左舵抵消船尾向左偏转使船尾保持原位置；
倒车大于进车抵消船体旋转产生的离心力使船尾纵向距离保持在原位置。

此操纵方法多在船舶靠泊平台正在吊装作业或带脐带为平台输送散料、补给油水并需同时调整船舶位置时常用，此类方法应谨慎操纵协调配合，避免拉断吊索或拉断脐带造成人员受伤或海洋污染。

AHTS的特殊结构设计，拥有两个可变螺距推进器、可单独联合操控的双舵、若干个可变螺距的侧推器，在操纵设备硬件配备上决定其操纵灵活性是一般海船不可比的。靠泊海上平台，有时为了满足作业需要，靠泊距离非常近，最近距离有时会小于一米，因此，操纵AHTS的人员必须从原理和方法上着手，熟悉掌握单边、双边用车，单独、联合用舵，单独或同时使用前后侧推，相互配合协调使用车、舵、侧推所产生的效应，控制船舶运动状态，从而使船舶稳定在理想的作业位置上。此外，在实际工作中，还会有风、流水对船舶产生外力，因此靠泊时除了考虑静水中操纵特性外，还要运用车、舵、侧推等消除外力对船舶运动的影响。海上机动靠泊平台作业，面临海况复杂多变，作业时间较长，要求船长具有良好的身体、心理素质，熟练掌握船舶车、舵、侧推器各个效应，熟练综合协调各个力匹配使用，确保靠泊作业安全顺利。

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