新型穿浪船艏在單體高速艇上的應(yīng)用研究

劉自浩，馬曉東，冷學(xué)華，劉 川

(江門市海星游艇制造有限公司，廣東 江門 529847)

0 引言

穿浪船作為一種高性能船型，因其在波浪中航行時(shí)具有良好的快速性與耐波性得到重現(xiàn)。目前，穿浪船型被越來越廣泛地應(yīng)用于高速游艇、高速交通艇、高速商務(wù)艇、高速客船、軍用快艇等高速船領(lǐng)域。穿浪船型主要包括單體穿浪船型、雙體穿浪船型與多體穿浪船型。

常見的單體穿浪船型有如下幾種：以美國DDG 1000與ONR-TH船型為代表的內(nèi)傾式船艏單體穿浪船型；美國開發(fā)的細(xì)長型高速單體穿浪船(Very Slender Vessel，VSV)；Transonic Hull Company (THC)開發(fā)的超臨界船型(Transonic Hull，TH)；Van diepen 設(shè)計(jì)的一種平面穿浪船艏以及Ulstein 開發(fā)的X-Bow船艏等。各種不同的單體穿浪船型均可不同程度地降低波浪中航行的砰擊，獲得波浪中優(yōu)異的快速性與適航性。

在新型高速艇及穿浪船研究方面，魏成柱等通過融合穿浪船型、深V船型、滑行(半滑行)船型的船型特征，開發(fā)了新概念高速穿梭艇系列船型，取得良好的快速性、耐波性和良好的航行姿態(tài)，并兼顧船體的隱身特性。蔡新功等在深V和圓舭船型艇底艏部加裝一個(gè)流線型半潛體和一對倒三角翼組成的組合附體，形成一種新型單體復(fù)合船型，模型試驗(yàn)和實(shí)船測試表明該新型復(fù)合船型明顯減小了高海情下航行時(shí)的縱向運(yùn)動(dòng)。

本文以某100噸級海上高速客船為研究對象，將普通傾斜船艏船型與加裝穿浪船艏船型進(jìn)行靜水阻力模型試驗(yàn)對比優(yōu)選，并將新型穿浪船型應(yīng)用于實(shí)船，測試加裝穿浪船艏船型的快速性能。

1 型線設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

100噸級海上高速客船為接待高端客戶的豪華商務(wù)客船，要求具有良好的快速性、耐波性、穩(wěn)性及舒適性能。該船主要參數(shù)如下：總長33.80 m，型寬6.00 m，型深2.55 m，吃水1.38 m，滿載排水量約110 t，主機(jī)功率≤735 kW×2，設(shè)計(jì)航速≥20 kn，抗風(fēng)等級8級。

1.2 船型分析

(1)整個(gè)船體比較瘦長，船長船寬較大。為了減少高速狀態(tài)下的剩余阻力，其方形系數(shù)一般較小。

(2)艇體剖面形狀一般取圓舭或V型剖面，或?yàn)榧骖櫩焖傩耘c耐波性的要求，取艏部V型，中后部逐漸過渡為U型的船體型線。

(3)艉部形狀均采用方艉。

1.3 新船型應(yīng)用

設(shè)計(jì)目標(biāo)船型需要滿足20 kn設(shè)計(jì)航速、8級風(fēng)抗風(fēng)和遠(yuǎn)海航行的穩(wěn)性要求。在設(shè)計(jì)船體型線時(shí)，在不改變總長與船寬的情況下，同時(shí)在保證航速、穩(wěn)性和抗風(fēng)能力的情況下，還應(yīng)選擇盡量小的主機(jī)功率，以降低油耗及提高船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性能。

通過多種船型的對比研究發(fā)現(xiàn)，近幾年出現(xiàn)了一種新型單體穿浪船型，其特點(diǎn)是吸收了雙體穿浪船單個(gè)片體穿浪船艏的優(yōu)點(diǎn)，在普通單體高速船艏部加裝一個(gè)穿浪船艏。目前該船型已在意大利AZIMUT 35 m游艇上成熟應(yīng)用。

為了研究該新型單體穿浪船型與普通傾斜船型之間的性能差異，本文對比2種船型進(jìn)行研究。普通船型A采用常用的傾斜船艏、圓舭、方艉船型，穿浪船型B在船型A的基礎(chǔ)上，保持其他特性不變，在艏部加裝一個(gè)新型穿浪船艏，該穿浪船艏形狀從雙體穿浪船穿浪艏演變而來，是一種類似于球鼻艏，水線以下為深V型結(jié)構(gòu)，整體為菱形船體首部撞角式凸出結(jié)構(gòu)。

普通船型A與穿浪船型B型線對比見圖1。

圖1 穿浪船艏與普通船艏型線對比(數(shù)字為型線站號)

2 模型試驗(yàn)與預(yù)報(bào)

為研究新型穿浪船艏對阻力性能的影響并進(jìn)行船型優(yōu)選，對普通船型A與穿浪船型B進(jìn)行靜水模型阻力試驗(yàn)對比。試驗(yàn)?zāi)Ｐ途捎贸叨缺?11的玻璃鋼模，船模試驗(yàn)均在不加裝任何附體的情況下進(jìn)行。普通船型A與穿浪船型B模型主要參數(shù)見表1，形狀見圖2。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)表

本次模型阻力試驗(yàn)航速為12～25 kn，對應(yīng)船模速度為1.861～3.877 m/s。

圖2 普通船型A與穿浪船型B船艏形狀對比圖

普通船型A與穿浪船型B模型在設(shè)計(jì)狀態(tài)(滿載，20 kn)時(shí)船艏波形見圖3。從圖中發(fā)現(xiàn)，穿浪船型B相對普通船型A產(chǎn)生的艏部飛濺浪花較小。

圖3 模型艏部波形對比圖

模型阻力試驗(yàn)結(jié)果采用二因次法進(jìn)行換算，得到實(shí)船有效功率預(yù)報(bào)與剩余阻力系數(shù)對比分別見圖4和圖5。從圖4中可以看出，穿浪船型B的實(shí)船有效功率相比普通船型A在低速階段沒有明顯改善，但在高速階段明顯降低，降幅達(dá)到6%～9%。由于兩船濕表面積相差不大，摩擦阻力影響較小，從圖5可以看出穿浪船型B剩余阻力系數(shù)比普通船型A有明顯降低，說明興波阻力降低較大。從模型試驗(yàn)艏部波形圖也可看出穿浪船型B艏部飛濺與興波均比普通船型A較小。

3 實(shí)船應(yīng)用與試航結(jié)果

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，在光體20 kn狀態(tài)下，普通船型A的預(yù)報(bào)有效功率為837 kW，穿浪船型B的預(yù)報(bào)有效功率為756 kW。實(shí)船設(shè)計(jì)采用穿浪船型B，并采用KT38-M主機(jī)2臺：單臺主機(jī)額定功率為671 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

圖4 實(shí)船有效功率預(yù)報(bào)對比

圖5 剩余阻力系數(shù)對比

實(shí)船建造完畢后，在滿載狀態(tài)(110 t)下進(jìn)行航速測試，得到實(shí)船航速測試曲線，見圖6。

圖6 實(shí)船航速測試曲線

實(shí)船航速測試結(jié)果表明：在滿載狀態(tài)及主機(jī)額定轉(zhuǎn)速(1 800 r/min)情況下，實(shí)船順?biāo)畲蠛剿贋?2.1 kn，逆水最大航速為18.7 kn，平均最大航速達(dá)到20.4 kn，高于設(shè)計(jì)要求，取得良好的設(shè)計(jì)結(jié)果，說明該穿浪船艏船型的應(yīng)用是成功的。

4 結(jié)論

(1)該穿浪船艏在總長、型寬、排水量確定的情況下，有效增加設(shè)計(jì)水線長度，并大大減小了進(jìn)流角，使得其在中小浪中航行時(shí)可以順利穿浪而過。

(2)由于中間船體斜升角較大，兩者互相配合，可減小艏部砰擊。

(3)在大浪中航行時(shí)，穿浪船艏增加的艏部浮力可防止船艏過于陷入波濤中，減輕埋艏、甲板上浪和鉆浪前行等現(xiàn)象。

(4)新型穿浪船艏使得船舶在高速階段的興波阻力降低，取得了明顯的減阻效果。經(jīng)實(shí)船測試后其航速達(dá)到并高于設(shè)計(jì)要求。

(5)該船型可應(yīng)用于高速客船、高速交通艇、高速執(zhí)法艇、高速游艇等航速較高的過渡型快艇。