小型氣墊船設(shè)計(jì)參數(shù)估算方法

虞 吉

（浙江金波船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

氣墊船是指一種利用表面效應(yīng)原理，依靠高于大氣壓的空氣在船體與支撐面間形成氣墊，使船體全部或部分脫離支撐面航行的高速船舶。氣墊船多用輕合金材料制成，船上裝有墊升風(fēng)機(jī)和輕型柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)等產(chǎn)生氣墊和驅(qū)動(dòng)船舶前進(jìn)的動(dòng)力裝置，并具備空氣螺旋槳或水螺旋槳、噴水推進(jìn)器等推進(jìn)器。由墊升風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣，通過管道送入船底空腔的氣室內(nèi)形成氣墊托起船體，并由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器使船貼近支撐面航行。氣墊船的航行阻力很小，可使航速高達(dá)60～80 km/h。多用作髙速客船、交通艇、貨船和渡船，尤其適合在內(nèi)河急流、險(xiǎn)灘和沼澤地使用。氣墊船一般分為3種類型：1）以部分浮力作為輔助支撐的側(cè)壁式氣墊船；2）全部由空氣壓力支撐的全墊升氣墊船；3）低速時(shí)由空氣壓力支撐、高速時(shí)由動(dòng)態(tài)升力支撐的地效翼船。本文研究的氣墊船屬于全墊升氣墊船。

在方案設(shè)計(jì)階段，確定氣墊船船體的主要參數(shù)尤為重要。本文提出一種針對(duì)小型氣墊船的設(shè)計(jì)參數(shù)估算方法，為后續(xù)精確計(jì)算提供參考。

1 小型氣墊船基本情況

受尺寸和功率的限制，小型氣墊船的動(dòng)力系統(tǒng)大都采用單機(jī)單槳和雙墊升風(fēng)機(jī)的形式。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）《材料與焊接規(guī)范》要求，船體結(jié)構(gòu)一般采用輕型鉚接鋁（5系/6系鋁材）以滿足輕量化、強(qiáng)度和防腐蝕的要求。小型氣墊船的圍裙結(jié)構(gòu)一般采用囊指形響應(yīng)圍裙。

2 主尺度設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 長(zhǎng)高比

一般情況下，氣墊船的外形多數(shù)為非流線體，氣墊船的長(zhǎng)高比對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)影響較大，一般取值1～5。若長(zhǎng)高比小于1，船體尾流引起的形狀阻力較大；若長(zhǎng)高比大于5，則船體摩擦阻力增加明顯。

2.2 壓長(zhǎng)比

由于興波阻力與氣墊船壓長(zhǎng)比息息相關(guān)，故壓長(zhǎng)比對(duì)氣墊船的穩(wěn)性和耐波性等總體性能有較大影響。一般情況下，將壓長(zhǎng)比不超過10的氣墊船稱為低密度氣墊船，將壓長(zhǎng)比超過10的氣墊船稱為高密度氣墊船。高密度氣墊船的阻力峰明顯、峰值較高，需保證具有足夠的推力儲(chǔ)備；而低密度氣墊船的阻力峰不明顯，且峰值較低，對(duì)推力儲(chǔ)備要求不高。

2.3 氣墊長(zhǎng)寬比

由于氣墊長(zhǎng)寬比直接影響氣墊周長(zhǎng)，故其對(duì)圍裙?jié)褡枇筒ɡ烁郊幼枇τ绊戄^大。一般情況下，氣墊長(zhǎng)寬比的設(shè)計(jì)范圍為2～3，當(dāng)取值偏小時(shí)，興波阻力的峰值會(huì)有所增加。

2.4 流量系數(shù)

流量系數(shù)對(duì)阻力和有效阻升比有較大影響，選取流量系數(shù)時(shí)需考慮壓長(zhǎng)比的大小。氣墊船在高速運(yùn)行時(shí)，由于受到波浪的泵吸作用，平均飛高會(huì)下降，當(dāng)圍裙觸水過多時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致“埋首”現(xiàn)象。為避免“埋首”現(xiàn)象的出現(xiàn)，在選取流量系數(shù)時(shí)一般不能超過臨界流量系數(shù)，臨界流量系數(shù)設(shè)計(jì)范圍為0.8～0.9。

2.5 波高裙高比

波高裙高比對(duì)圍裙結(jié)構(gòu)的附加阻力和失速性能有較大影響。結(jié)合氣墊船在波浪中的穩(wěn)定航速，其失速比范圍為 0.6～0.7，相應(yīng)的波高裙高比取值范圍為0.6～0.7。

3 圍裙系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 圍裙系統(tǒng)介紹

氣墊船的圍裙系統(tǒng)是直接關(guān)系到氣墊船整體阻力、穩(wěn)性和耐波性等總體性能的特種系統(tǒng)，也是區(qū)別于其他排水型船舶的標(biāo)志性系統(tǒng)。一般情況下，氣墊船的圍裙可分為2類：1）非響應(yīng)圍裙，即在氣墊壓力與水動(dòng)力作用下只發(fā)生褶皺不發(fā)生位移的圍裙，如筒形裙和指形裙等；2）響應(yīng)圍裙，即在氣墊壓力和水動(dòng)力作用下產(chǎn)生大幅度變形和位移的圍裙，如囊指裙和囊筒裙等。不同水況下響應(yīng)圍裙的形態(tài)見圖1。

圖1 不同水況下響應(yīng)圍裙的形態(tài)示意

3.2 氣墊泄流

氣墊泄流對(duì)氣墊系統(tǒng)的總體性能有明顯影響。如圖2所示，氣墊泄流常分為3種類型：1）周邊射流式；2）沿壁射流式；3）增壓室式。早期的氣墊船常采用周邊射流式泄流，目前大部分氣墊船常采用增壓室式泄流。

圖2 氣墊泄流類型

3.3 裙指

增加裙指高度可減小阻力、增強(qiáng)圍裙的耐波性和越障性，但會(huì)折減氣墊的面積、減弱氣墊船的穩(wěn)定性；減小裙指高度會(huì)降低裙指剛度、增大阻力，容易造成“埋首”現(xiàn)象。

減小裙指傾角，會(huì)增強(qiáng)靜穩(wěn)性，但也會(huì)增大推水阻力，一般以40°～50°為宜。氣墊船艉部拐角囊的裙指通常為封閉指，傾角范圍為60°～70°，可有效防止“兜水”現(xiàn)象的發(fā)生。

一般情況下，根據(jù)船模與實(shí)船試驗(yàn)得到的波浪附加阻力回歸公式來選取指高裙高比，涉及范圍為0.5～0.6。

4 推進(jìn)和墊升效率

4.1 推力和推進(jìn)效率

目前，我國(guó)的小型氣墊船一般采用導(dǎo)管空氣螺旋槳，在方案設(shè)計(jì)階段可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)推力進(jìn)行初步估算。需要注意的是，要在經(jīng)驗(yàn)公式得出的推力估算值基礎(chǔ)之上乘推力折減系數(shù)，推力折減系數(shù)由實(shí)船統(tǒng)計(jì)確定，一般取值范圍為 0.90～0.95。螺旋槳推力必須保證在工作狀況下快速越過阻力峰并達(dá)到設(shè)計(jì)航速。

推進(jìn)效率的影響因素為螺旋槳的轉(zhuǎn)速和直徑，增大螺旋槳直徑、提高螺旋槳轉(zhuǎn)速可提高推進(jìn)效率。相較于增大直徑，提高轉(zhuǎn)速的效果更明顯，但應(yīng)注意轉(zhuǎn)速不得超過238 m/s。

4.2 墊升效率

在確定墊升效率時(shí)，需綜合考慮風(fēng)機(jī)效率和氣道效率2部分。

1）風(fēng)機(jī)效率

風(fēng)機(jī)效率取決于設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)流量系數(shù)。我國(guó)氣墊船一般采用4-72或4-73型離心風(fēng)機(jī)作為墊升風(fēng)機(jī)。根據(jù)實(shí)船統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)效率取值范圍為0.80～0.95。

2）氣道效率

氣道效率主要包括風(fēng)機(jī)進(jìn)口損失、風(fēng)機(jī)出口損失、圍裙大囊沿程損失和囊孔損失。綜合上述因素，氣道效率取值范圍為0.55～0.60。

綜合考慮風(fēng)機(jī)效率和氣道效率，氣墊船的墊升效率取值范圍為 0.45～0.50。此外，根據(jù)鋁制離心風(fēng)機(jī)葉輪強(qiáng)度極限，風(fēng)機(jī)葉輪外緣的線速度應(yīng)小于120 m/s。

5 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的參數(shù)估算方法的有效性，本節(jié)通過實(shí)船算例對(duì)比估算參數(shù)和實(shí)際參數(shù)的差別。為顯示方法的一般性，選取2種不同類型的氣墊船（實(shí)船A和實(shí)船B）進(jìn)行估算，兩型船的已知信息如下。

1）實(shí)船A：?jiǎn)螜C(jī)單槳，離心式雙進(jìn)風(fēng)墊升風(fēng)扇，滿載排水量4.70 t，氣墊長(zhǎng)度8.75 m，航速50 km/h。

2）實(shí)船B：雙機(jī)雙槳，離心式雙進(jìn)風(fēng)墊升風(fēng)扇，滿載排水量16.10 t，氣墊長(zhǎng)度17.10 m，航速50 km/h。

氣墊壓力的計(jì)算公式為

式中：為滿載排水量。

氣墊面積的計(jì)算公式為

氣墊寬度的計(jì)算公式為

式中：為系數(shù)，一般取0.90～0.95；為氣墊長(zhǎng)度。

氣墊高度的計(jì)算公式為

式中：為系數(shù)，本例中取0.36。

壓長(zhǎng)比的計(jì)算公式為

式中：為空氣密度；為重力加速度。

飛行高度的計(jì)算公式為

氣墊流量的計(jì)算公式為

式中：為系數(shù)，一般取0.5～0.6，本例中取0.56。

氣墊流量的計(jì)算公式為

氣墊長(zhǎng)寬比的計(jì)算公式為

式中：長(zhǎng)寬比的設(shè)計(jì)范圍為2～3。

氣墊高寬比的計(jì)算公式為

式中：高寬比的設(shè)計(jì)范圍為1/7～1/6。

臨界流量系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：臨界流量系數(shù)的設(shè)計(jì)范圍為0.80～0.90；為航速；為波高。

失速比的計(jì)算公式為

風(fēng)機(jī)壓力的計(jì)算公式為

式中：為氣道效率，取值范圍為0.55～0.60。

根據(jù)計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)流量和風(fēng)機(jī)壓力，對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型。風(fēng)機(jī)所需功率和推進(jìn)功率之和即為主機(jī)功率。經(jīng)過計(jì)算，實(shí)船A和實(shí)船B的估算參數(shù)和實(shí)際參數(shù)對(duì)比情況見表1。

表1 估算參數(shù)和實(shí)際參數(shù)對(duì)比情況

6 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)在方案設(shè)計(jì)階段快速確定主要參數(shù)、提高設(shè)計(jì)效率，本文提出一種針對(duì)小型氣墊船的設(shè)計(jì)參數(shù)估算方法，可快速確定船體主尺度、氣墊圍裙、裙指、推進(jìn)效率和墊升效率等主要設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，本文提出的參數(shù)估算方法是有效的。研究成果可為小型氣墊船方案設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供一定參考。