高速双体船_飞翼_轮研制综述

第21卷　第2期
1998年12月 交通部上海船舶运输科学研究所学报JOU RNAL O F SSSR I V o l .21N o.2D ec .1998
高速双体船“飞翼”轮研制综述
许统铨　杨春勤　谢克振
(运输系统部)
摘　要　介绍该船的船型概况,船型设计优化,航行性能评价以及其它关键因素,可供研究设计与推广应用该类船型参考。

关键词　高速双体船;船型设计;航行性能
19982421收稿.序言
“飞翼”轮是一艘铝合金高速双体船,按内河A 级航区设计,主要航行于长江口吴淞至崇明、长兴、横沙三岛。

1995年完成设计,1996年建造,1997年初投入营运,1997年7月29日通过交通部科技成果暨新产品鉴定。

该轮研制成功结束了我国铝合金高速双体船长期依赖进口的局面。

本文介绍该船的船型概况,主要的研究成果及达到的主要技术经济指标,可供研究设计与推广应用此类船型时参考。

高速双体船具有甲板面积大,布置宽敞,稳性好,吃水浅,操纵灵活,没有水翼船或气垫船那样的易损或复杂部件,使用可靠,维修方便等优点。

近20年该船型发展迅速,在国际高速客船市场上雄踞首位,据统计全球高速船订货总数中高速双体船约占一半。

我国自80年代中期以来的10年中已进口了近百艘高速双体船,大多数分布在珠江三角洲,此外长江三角洲及渤海湾也有若干艘进口双体船在营运。

本船是国内建造的第一艘航速25kn 以上的铝合金双体船。

1　船型概况
1.1　船舶主尺度
本船属双机双桨铝合金双体船型,船舶主尺度如下:
总长
31.5m 设计水线长28.8m 总宽
9.30m 型宽9.0m 型深
3.20m 设计吃水1.35m 片体宽
2.52m 设计排水量98.0m 最大航速
25.0kn 服务航速23.0kn 旅客总数
205名船员定额8名
1.2　船舶总体布置
船舶总体布置见图1。

全船以主甲板为分舱甲板,其下设置4道水密横舱壁,把每个片体图1　“飞翼”轮总布置简图
划分为5个舱,即舵机舱,主机舱,辅助设备舱,船员舱和首尖舱。

机舱位于主甲板下F 5～F 18肋位,在主甲板后部有一配电间,兼作机舱值班室,由该值班室能方便进出左右两个机舱。

推进轴系为斜轴直线传动,安装倾斜角约6°。

在主机上方的主甲板和上甲板设置吊机口,舱口盖板能方便拆卸。

机舱前壁上方设置通风管道,兼作紧急出口。

船员舱位于主甲板下F 24～F 35肋位,左右两个船员舱共8张床位及相应家俱。

主甲板中部设普通客舱,共189个座位,客舱前部有小卖部和配餐间,后部有男女厕所和船员浴室,小卖部旁侧有一应急门,紧急情况下旅客可由此登上首部升高甲板。

特等客舱位于上甲板中部,舱内设4个包厢,每个包厢设2只双人沙发,共可容纳16名旅客,从后壁两扇高级落地玻璃门可步出观光或拍照,体现特等客舱的高档品味。

驾驶室位于上甲板前部,内设微机驾控台一座,可对机舱中的主机进行遥控,也可切换为
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机旁直接操纵。

1.3　主要机电设备
本船采用2台Z12V190BC4型的柴油机作推进主机,额定功率为800k W,额定转速1450 r m in。

减速齿轮箱为船用铝壳体750G型,减速比为2.47。

采用两台额定功率为59k W的柴油发电机组作辅机,2台互为备用。

2　船型设计优化
2.1　主尺度优化配置
对于过渡型排水量船而言,排水量长度系数的选择是十分重要的。

双体船的排水量长度系数定义为:
C =
V 2 (L 10)3
其中,V为双体船排水体积(m3);
L为设计水线长(m)。

由图2可见,C 的改变将引起剩余阻力系数C r的显著变化,说明高速双体船的有效功率对其排水量的变化十分敏感。

本船取C =2.0左右,将可保证在F n=0.7～0.9范围内有较满意的C r值。

双体船每个片体的宽度应尽可能取小值,但首先必须保证主机布置所需的最小宽度。

本船
主机最大宽度为1.569m,考虑主机安装及日常维修需要,取片体宽度为2.52m。

图2　不同排水量长度系数的C r-F n
曲线图3　间距比变化对阻力的影响
双体船的型宽主要取决于总体布置以及片体间的兴波干扰特性,图3和图4分别表示不同间距比对双体船有效功率和阻力干扰系数的影响。

阻力干扰系数定义为双体船阻力R与两倍片体阻力R∞之比值。

间距比越小,干扰越大,在F n=0.5附近干扰阻力达到最大值,这时双体船阻力可比两倍片体阻力大20%以上,而在高速时,当F n>0.75以后将出现负干扰。

本船取间距比k b=2.571,航速13kn～23kn为不利干扰区(其中21kn～23kn为基本无不利干扰区),大于23kn为有利干扰区。

采用这个间距比值达到了航行性能优秀,满足总体布置要求和有效控制船体重量的优化组合。

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图4
　阻力干扰系数随航速的变化图5　非对称和对称片体线型在相同排水量下
的阻力对比
2.2　片体线型优化
本船大部分型线由直线段和较为平坦的曲线段组成,只有少数型线(如联接桥与两个片体接合部)采用弧形曲线,这种线型特征使船壳体和肋骨型材的加工工作量大为减少,而且对提高焊接质量十分有利。

这一点对研制首制船是重要的。

为了研究不同片体线型的影响,还专门进行了对称片体与非对称片体的对比船模试验。

试验结果表明,对称片体明显优于非对称片体,见图5。

尽管非对称片体间的干扰阻力在不利干扰区(F n =0.4～0.65)比对称片体小一倍,但由于非对称片体自身的阻力性能比对称片体差得多,因而反映在总的阻力上还是非对称片体差。

况且片体间的干扰现象并非坏事,在有利干扰区(F n >0.75),干扰大反而有利。

除非设计航速落在不利干扰区,才考虑采用非对称片体较为合适。

本船最终采用的是对称折角线型,达到航行性能优秀和施工方便的优化组合。

2.3　改善航态的措施
双体船在高速时的飞溅现象比较显著,特别是由于采用对称片体线型,飞溅流严重冲刷连接桥底部,这是我们不希望看到的。

船舶高速航行时飞溅的形成是由于船体表面水面以上附近的驻点压力产生的。

在F n >0.5,飞溅随航速的增加而急剧增长,严重时引起甲板溅湿和影响驾驶视线,并产生一个附加阻力——飞溅阻力。

飞溅阻力由飞溅压阻力和飞溅摩擦阻力两部分组成。

借助于合适的防溅条可以使飞溅流脱离船体表面,从而使船体溅湿面积减小并降低飞溅摩擦阻力,而飞溅压阻力却是难以改变的。

为了用防溅条改善飞溅现象的同时也减小船体总阻力,必须使防溅条自身的阻力比由于防溅条使船体溅湿面积减小而引起的飞溅摩擦阻力的减少量还要小。

防溅条阻力由防溅条压阻力和防溅条摩擦阻力两部分组成。

防溅条的结构参数很多,这些参数的变化对防溅条阻力及防溅效果有很大的影响,但是如果要对这些结构参数进行系统深入的试验研究,必然引出一个庞大的研究计划,这在时间上和经费上都是难以办到的。

因此我们根据对飞溅现象的观察分析并参阅有关资料,对防溅条系统的布置形式,防溅条数量及其安装位置,防溅条的宽度等参数进行优化设计并形成3个防溅条系统方案进行试验对比,最后实船采用由两条水平防溅条组成的第一方案效果十分满意,飞溅流十分清晰地从防溅条处脱离船体表面,飞溅高度大为降低,且在水表面不发生飞溅的反射,在两片体内侧两股飞溅流交会之后也不会打到联接桥底部。

在高速时此防溅条系统还使船的总阻力减小,达到了
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预期的目的。

除此之外还进行过加装尾压浪板的船模试验,但某些快艇的试验结果表明,C =2.0是一个临界值,当C <2.0时,剩余阻力相对较小,纵倾的改变对总阻力的影响也相对较小,所以尽管加装尾压浪板后,尾部下沉量及纵倾角均明显减小,但总阻力却变化不大。

因此研制实船时没有考虑加装尾压浪板。

2.4　推进方式的探讨
高速船的常用推进方式有螺旋桨和喷水推进。

就本研制船而言,根据分析计算结果表明,喷水推进的总效率比螺旋桨低20%,加上价格和系统重量方面的原因,本船宜采用螺旋桨推进方式。

尽管喷水推进具有保护性好,工况变化适应性强,引起振动小等优点,但难以弥补上述3个方面的缺点。

图6　三叶常规桨与五叶大侧斜桨
本船采用巴甫米尔的快艇螺旋桨设计标准及计算方法,设计了一对三叶桨,试航结果表明:与主机和船体的配合较好,航速指标也达到,但由螺旋桨诱导的叶频脉动引起了较大振动,
主客舱甲板的实测振动最大值0.41m s 2～0.95m s 2,尾甲板最大值1.4m s 2～1.7m s 2,尽
管都在国家标准限值之内,但仍嫌偏大。

所以后来又设计了一对鹰翅型大侧斜(390)五叶备用桨,试验结果表明,对减小振动有明显效果,主客舱甲板和尾甲板的实测振动最大值均降低70%以上,航速与原来的三叶桨差不多,说明推进效率没有降低。

图6为三叶常规桨和五叶大侧斜桨的照片。

3　对研制船航行性能的评价
3.1　快速性
我们选择两艘国外设计建造的高速双体船来同本船进行比较。

一艘是挪威设计的“紫琅”
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号,另一艘是英国设计的“T ricat 120”号,选择这两艘船的理由是因为它们均在SSSR I 大水池做过船模试验,船模加工和试验条件皆与本船相同,有较好的可比性。

我们把它们的船模试验结果换算至相同的排水量,然后在较宽的速度范围内进行对比。

图7和图8分别为本船与“紫琅”号和“T ricat 120”号的裸体有效功率的对比。

比较结果表明:在航速25kn ～30kn 和排水量133t 时,本船的有效功率比“紫琅”号低18%～19%;在航速25kn ～30kn 和排水量122t 时,本船的有效功率比“T ricat 120”号低7%～8%,这说明本船的阻力性能已可与进口船相媲美,且略有超出。

图7　本船同“紫琅”
号在相同排水量下的阻力对比图8　本船同“Tr icat 120”在相同排水量下的阻力对比
3.2　耐波性
在长江口小九段测速区域,实船遇到6级西北风(10.2m s ),风吹时间40h 的气象条件下,以23.4kn 航速横浪航行时,纵摇有义值为1.61°,横摇有义值为5.03°,升沉加速度有义值为0.051g ,在波浪中失速很小。

稳性校核结果表明,8级风时的稳性衡准K =2.418,表明本船的耐波性及抗风能力良好。

3.3　操纵性
(1)回转试验表明,本船全速(1450r m in )满舵时的稳定回转直径约6.1倍船长,相对纵距为4.26,满舵旋回时的最大横倾角为6°,稳定回转时的横倾角为2°～3°。

(2)Z 形试验表明,本船初始回转能力之纵距A z1′=1.8,超越角为2°～3°,均满足I M O 要求,航向改变性指数P =0.42,说明本船应舵性能良好。

(3)制动试验表明,本船惯性制动平均冲程S 1=310m ,紧急制动平均冲程S 2=228m ,均满足I M O 操纵性标准。

综合以上各项操纵性能试验结果,本船操纵性能良好,满足I M O 标准要求。

4　其它关键因素
高速双体船“飞翼”轮之研制成功,除了船型研究比较深入充分之外,还取决于下列两个因素,否则是不可能成功的。

4.1　铝合金焊接技术和铝合金船体建造工艺
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承担本船建造的上海通华高速船工程有限公司(原康华船务公司)早在1988年起便致力于开发铝船建造技术,特别是对铝合金材料及其焊接设备和焊接工艺进行深入的探讨和实践,于1992年完成12m全焊接铝合金小艇的试制,积累了经验。

1995年起结合本船的研制,进行了卓有成效的工作,在单面焊双面成型焊接工艺,反变形弹性结构新工艺,以及船体整体吊马翻身工艺上取得突破性进展,焊缝质量和变形控制技术达到较高水平,成为国内为数极少的掌握了铝合金船建造技术的二三家船厂之一。

4.2　空船重量控制
高速船的重量控制向来是一个难题,本船机电设备基本上采用国内产品,重量指标较差,重量控制问题更加突出。

另一方面,双体船的空船重量比单体船难以控制,高速双体船尤甚。

而高速双体船的船体阻力对排水量的变化较敏感,就本船而言,在设计航速附近,排水量增加10%,阻力将增加12%,航速将可能降低6%,因此如不对其空船重量实施有效控制,将带来十分严重的后果。

本船在设计和建造过程中,设计部门与船东和船厂密切配合,采取有力措施加以严格控制,施工设计空船重量控制至76t,允许建造完工后的空船重量78t,实际测得的空船重量为78.065t,基本控制在要求限度之内,为研制船的成功提供了重要的保证。

5　后记
1)本船主机如果改用进口主机,如M TU公司的8V396T E74L,12V396T E74L,MWM 公司的TBD620V8,TBD620V12,CUMM I N S公司的KTA38-M2,KTA50-M2,YANM A R 公司的12LA K-ST E2,16LA K-ST E1等,航速可提高至28kn～32kn。

2)本论文主要是介绍船型研究、总体设计和性能试验方面的研究成果。

除了本论文作者之外,参加本船研制工作的还有本所曹关桐,杨成业,任德功,徐生宝,房咏柳,周礼德,张家范等。

本船部分技术设计和全套施工设计系由上海交通运输工程设计所完成。

船主上海客轮公司对研制工作给予卓有成效的技术协助和施工配合。

五叶大侧斜螺旋桨的设计是在上海交通大学钱晓南教授指导下完成的,特此致谢。

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