氣墊船導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

陳海濤 張 平

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

與常規(guī)排水型船舶不同，氣墊船通常采用導(dǎo)管空氣螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)?？諝饴菪龢膶?dǎo)流裝置稱為導(dǎo)管，作為氣墊船特種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管有著其獨特的重要性：它能提高螺旋槳靜推力，減少噪聲，并對乘員提供安全保護(hù)作用?？諝饴菪龢母咚贇饬髟趯?dǎo)管內(nèi)壁引起壓力場，其軸向分量的積分形成了導(dǎo)管推力，通常導(dǎo)管推力約占導(dǎo)管空氣螺旋槳總推力的30%～50%，因此導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計是氣墊船結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分［1］。

1 導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計特點分析

通常情況下，根據(jù)氣墊船噸位的大小可將導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)分為大中小型三種。下頁中，圖1、圖2和圖3分別給出了國內(nèi)典型大中小型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)實物圖，表1給出了三種典型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)的對比參數(shù)。

圖1 小型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)實物圖

圖2 中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)實物圖

圖3 大型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)實物圖

表1 大中小三種典型的導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

1.1 導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

基于國內(nèi)典型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用可以看出：

（1）在滿足導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)強度、剛度的前提下，控制導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)質(zhì)量一直是導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)。小型導(dǎo)管由于其所受載荷量級不高且組合形式簡單，其單位體積的組合導(dǎo)管質(zhì)量值偏大。導(dǎo)管往中大型化發(fā)展后其單位體積的組合質(zhì)量值明顯下降。

（2）大中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)置了槳后整流支臂。該設(shè)置提高了導(dǎo)管空氣螺旋槳的推力，同時增加了導(dǎo)管筒體的剛度。

（3）導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與空氣螺旋槳支撐型式相匹配。大型和小型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)由于螺旋槳有獨立支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單；中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)由于需要設(shè)置前支臂和后支臂對螺旋槳進(jìn)行支撐，導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

1.2 導(dǎo)管本身結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

（1）氣墊船主尺度越大，導(dǎo)管直徑越大，其螺旋槳吸收的功率越大，導(dǎo)管內(nèi)蒙皮的脈動壓力也增大。

（2）空氣螺旋槳葉梢與導(dǎo)管之間的間隙是影響導(dǎo)管空氣螺旋槳效率非常重要的因素：螺旋槳葉梢與導(dǎo)管內(nèi)表面的間隙越小，產(chǎn)生的推力越大，但導(dǎo)管內(nèi)壁的脈動壓力也越大，這對導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。通常情況下，葉梢間隙/槳直徑控制在3‰～ 5‰的范圍內(nèi)。

（3）導(dǎo)管結(jié)構(gòu)通常由環(huán)形框架、翼肋和蒙皮組成：沿長度方向布置環(huán)形框，沿圓周方向布置翼型肋板，如圖4、圖5所示。

圖4 典型導(dǎo)管翼形梁結(jié)構(gòu)

圖5 典型導(dǎo)管環(huán)形框結(jié)構(gòu)

1.3 導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)材料

由于氣墊船對質(zhì)量的嚴(yán)格要求，導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)通常采用比強度高的鋁合金材料。

內(nèi)河氣墊船對材料的耐腐蝕性要求低，故其可采用強度高、耐腐蝕中等的鋁合金作為其導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)材料；海上氣墊船導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)需采用耐腐蝕性強的鋁鎂合金以適應(yīng)惡劣的海洋使用環(huán)境；大型氣墊船導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)從耐腐蝕性角度考慮采用玻璃鋼材料。

此外，從美國海軍近期重點發(fā)展的新一代兩棲登陸艇SSC資料來看，其導(dǎo)管空氣螺旋槳的旋轉(zhuǎn)槳葉、固定整流支臂、導(dǎo)管以及空氣舵設(shè)計方案均采用碳素纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（見圖6）。這從側(cè)面體現(xiàn)了新材料在導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用趨勢。

圖6 SSC導(dǎo)管碳素纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

2 導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)傳力分析

導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)主要承受空氣螺旋槳推力和導(dǎo)管推力，并把空氣螺旋槳推力和導(dǎo)管推力有效傳遞到氣墊船主體結(jié)構(gòu)上。導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)推力裝置的連接方式?jīng)Q定了導(dǎo)管推力的傳遞方式及導(dǎo)管的受力情況。

2.1 小型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)傳力分析

對于小型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)其空氣螺旋槳推力和導(dǎo)管推力分別獨立傳遞到氣墊船主體結(jié)構(gòu)上：螺旋槳推力通過推力軸承支架直接傳遞到船體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管推力通過導(dǎo)管基座直接傳遞到船體結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計的優(yōu)點是導(dǎo)管受力相對簡單，缺點是導(dǎo)管內(nèi)壁與螺旋槳葉梢之間的間隙較難控制，并且導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的剛度較弱。

2.2 中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)傳力分析

中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)推力裝置采用由前軸套（推力軸承）、前支臂、后軸套（分油裝置）、后支臂、前支架與導(dǎo)管筒體形成一體化的空間架構(gòu)，如圖7所示，這使得螺旋槳推力及導(dǎo)管推力在各結(jié)構(gòu)間的傳遞較為復(fù)雜。

圖7 中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)示意圖

（1）前支臂主要承受螺旋槳推力及部分導(dǎo)管推力，并把螺旋槳推力傳遞到前支架和導(dǎo)管筒體。同時前支臂還把部分導(dǎo)管推力傳遞到前支架。另外，前支臂還與后支臂一起支撐導(dǎo)管筒體，增加導(dǎo)管筒體的剛度。

（2）前支架主要起著支撐前軸套（推力軸承）的作用，并把作用于前軸套（推力軸承）的導(dǎo)管空氣螺旋槳推力部分傳遞至船體。

（3）側(cè)支架主要起著制約導(dǎo)管橫向變形的作用，也起著把推力傳遞至船體的作用。

（4）導(dǎo)管筒體主要承受作用于空氣螺旋槳產(chǎn)生的脈動壓力和前支臂傳遞至其部分空氣螺旋槳推力，同時把這些作用于導(dǎo)管筒體的力傳遞至導(dǎo)管基座；

（5）導(dǎo)管基座主要承受導(dǎo)管對其作用力，并把承受的作用力通過螺栓傳遞至船體基座。

圖8和圖9給出中型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)推力傳遞過程。

圖8 螺旋槳推力傳遞示意圖

圖9 導(dǎo)管推力傳遞示意圖

2.3 大型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)傳力分析

大型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)的螺旋槳推力通過安裝在發(fā)動機(jī)短艙內(nèi)帶推力軸承的齒輪箱基座傳遞到槳塔，再由槳塔傳遞到船體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管推力一部分通過整流支臂傳遞到發(fā)動機(jī)短艙，再由槳塔傳遞到船體結(jié)構(gòu)；另一部分通過導(dǎo)管下端的固定基座傳遞到槳塔，再由槳塔傳遞到船體結(jié)構(gòu)。

由此可見，導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)的傳力與空氣螺旋槳支撐密切相關(guān)。大型與小型導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)中的空氣螺旋槳有獨立的支撐結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)傳力較為簡單，但在中型氣墊船上采用了導(dǎo)管一體化型式，導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)需要對空氣螺旋槳進(jìn)行支撐，使得導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)傳力較為復(fù)雜。

3 導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷

導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)外載荷的確定是導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，基于其設(shè)計特點對艇航行時導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)可能受到的外載荷進(jìn)行分析整理，簡述如下：

（1）螺旋槳推力［2］

螺旋槳推力可作為集中力施加作用位置處，推力大小在螺旋槳設(shè)計時可通過計算獲得（僅在導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)對空氣螺旋槳支撐時）。

（2）導(dǎo)管推力［2］

空氣螺旋槳的旋轉(zhuǎn)流場在導(dǎo)管內(nèi)壁產(chǎn)生很大的負(fù)壓，該負(fù)壓在軸向的投影即為導(dǎo)管所產(chǎn)生的推力，其大小在導(dǎo)管空氣螺旋槳設(shè)計時可通過計算獲得。

（3）氣墊船運動引起的慣性力［3］

氣墊船橫搖及縱搖情況下的慣性力計算可參照相關(guān)規(guī)范內(nèi)容計算得到，也可基于氣墊船特點和模型試驗結(jié)果確定。

（4）側(cè)向風(fēng)載荷

可由相關(guān)經(jīng)驗公式或規(guī)范計算獲得。

（5）空氣舵作用力

空氣舵作用力可作為集中力施加作用位置處，大小在空氣舵設(shè)計時可通過計算獲得。

（6）導(dǎo)管內(nèi)蒙皮的脈動壓力

導(dǎo)管內(nèi)蒙皮的脈動壓力很容易引起導(dǎo)管內(nèi)蒙皮的疲勞破壞，這是導(dǎo)管結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。脈動壓力峰值出現(xiàn)在槳軸中心線處［4］，脈動壓力設(shè)計值可以通過相關(guān)經(jīng)驗公式［1］和模型試驗［5］獲得。

文獻(xiàn)［1］中根據(jù)實際槳葉有效載荷面積以及翼型吸力與壓力的比例給出了槳軸中心線處的最大正負(fù)脈動壓力值，即

式中：T為螺旋槳總推力；

Ab為槳葉有效載荷面積；

CL+為壓力與總推力比；

CL-為吸力與總推力比。

4 結(jié) 論

隨著氣墊船的日益中大型化，導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)也向大型化發(fā)展，但作為氣墊船特種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)，目前缺乏相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對國內(nèi)已有的大中小型氣墊船導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行分析，為導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)初步設(shè)計提供參考。

［1］ 馬濤，鄔成杰.氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統(tǒng)流體動力設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

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