第6章 穿浪双体船

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(5) 浮心纵向位置 由于穿浪双体船的航速高，浮心纵向位置对快艇的性能将 产生不可忽略的影响。浮心纵向位置的确定与设计航速有关， Fr越低，则浮心纵向位置越靠前。一般来说，对于使用在高傅 汝德数下的穿浪双体船，其浮心纵向位置距尾板的距离可以取 0.32LWL~0.38LWL。而对于大型的穿浪双体船这个距离可以增加 到0.4LWL~0.48LWL。而对于那些使用更高傅汝德数的各种小型 高速艇，它们的浮心纵向位置可能更接近尾部，距尾板的距离 甚至可以小到0.28LWL。严格说来，对于不同的速度或者傅汝德 数都存在一个唯一理想的浮心纵向位置，对于低速和高速都使 用的穿浪双体船的浮心纵向位置可以考虑选取折中状态。
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(1) 片体的长来自百度文库系数和长宽比
与单体船相比，由于双体船具有较宽敞的甲板面积，因此 最小船长的确定往往不先决定于总布置等其他方面的要求。一 般应从最小总阻力的出发点来确定最佳船长。所以确定高速双 体船的主尺度必须从快速性的要求出发，然后再校核其他方面 的性能是否满足要求，因为长度系数和长宽比与阻力关系最密 切。由第三章，长度系数可表示为：
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美军租借澳Incat公司的第一艘WPC——HSV-X1
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HSV-2“褐雨燕”号高速穿浪双体船
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穿浪双体船向大型化和高速化发展是当下的主流趋势。 自1998年澳大利亚Incat公司建造了第一艘长100米近万吨 级的高速穿浪双体船“Cargo cat”号，从此就揭开了穿 浪双体船大型化的序幕。 由于高性能穿浪双体船的这些特点，它适合作为高速 车客渡船(如前面的Natchan Rera号)、军用各类高性能攻 击舰和高性能隐身舰艇的基础船型，有很大的发展空间。 目前在世界各国军方服役的穿浪双体船主要担任军辅运输 的任务，例如美国的HSV系列。
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穿浪双体船的长度傅汝德数Fr=0.8~1.1,片体容积傅汝 德数Fr ▽ =2.0~3.0,在此航速范围内，船舶处于过度航态的 高速段。在第三章提到，长度傅汝德数是对阻力比较敏感 的船型参数，在一定的范围内，长度系数较大对阻力是有 利的。但是应注意到，当容积 傅汝德数接近3.0时，长度系数 对阻力的影响已经不明显。所 以，穿浪双体船的设计要针对 具体的航区海况和设计速度， 综合选取片体的主要尺度和船 型参数，以保证穿浪双体船优 良的航海性能。
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穿浪双体船特有的船型构造赋予了它具有高速、优良的耐波 性、稳性好、舒适、吃水浅、甲板宽敞和回旋性能好等高水平的 综合航海性能。因此，穿浪双体船也是常被作为豪华邮轮的船型。 东日本轮渡公司在函馆至青森航线上运营的Natchan Rera号就 是一艘典型的穿浪双体船。Rera号于2007年9月1日投入运营， 是当时世界上最大最快轮渡，她载重10712吨，全长112米，宽 30.5米，最大载客量800人，时速36海里，拥有4台喷水推进。 Rera号将原来函馆至青森需要4小时的航程缩减到1.5个小时。
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与单体深V横剖面一样，穿浪双体船的片体横剖面也可分 为单折角线和双折角线两种基本形状，双折角线适用于有较大 的舱容积及较低的巡航傅汝德数要求等。单折角线适用于较轻 的排水量和较高傅汝德数的船舶。对于舯剖面形状的选取并没 有明确的规定。
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(3) 尾端形状 穿浪双体船的航速较高，而且通常在尾部安装喷水推进装 置，所以它的尾端必须采用方尾。特别是对于航速很高，排水 量小的轻型穿浪双体船采用方尾更为有利。确定方尾的主要参 数(尾部收缩系数AT/AM，方尾的浸深H)的原则与单体方尾型船 是一致的。 傅汝德数越低则尾端收缩系数值应越小，对于傅汝德数非 常高的船舶可以采用较大的收缩系数。一般来说，高傅汝德数 的船舶尾端收缩系数为1或者接近于1，对水动力是比较有利的。 高速轻型穿浪双体船尾底横向斜升角β可以根据阻力性能 和耐波性来确定。通常采用小的β 值高速时可以获得较大的虚 长度和动升力，能提高艇的快速性能，也有利于采用喷水推进 器。但是这一结论只适用于航速高排水量小的轻型穿浪船。因 此对于航速较低排水量较大的穿浪双体船，后体过于平坦反而 对阻力性能不利，还会使其耐波性能和航向稳定性恶化。
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这样不仅使得片体的储备浮力沿纵向分布更合理，而且在 风浪中，较小的水线面使得浮力的变化较小，这样能减小船体 对波浪的响应时间，特别是减小垂向和纵摇运动明显，避免发 生失速。这样就会使穿浪双体船在波浪中能具有高航速、高耐 波性的能力，在较复杂的海况下减小晕船率，对于军舰来说能 使其正常使用和发挥武器装备的威力。
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(7) 连接桥和中央船体的形状 连接桥和中央船体的形状与船舶在波浪中 的运动性能有密切关系。连接桥的形状关系到储 备排水量的分布，因此影响到穿浪双体船的航态 控制和耐波性能。连接桥的横剖面形状可以采用 直壁或拱形两种形式。拱形连接桥有利于减小波 浪对船体的冲击力，也有利于船体的横向强度、 振动和隐身。直壁连接桥适用于片体中心距不太 大的穿浪双体船，可以充分利用船宽增加甲板面 积，主要用于服务海区的海情不高或小轻型穿浪 双体船。新一代的穿浪双体船连接桥与片体的连 接在首端侧面呈近直角的形式，实践证明这种形 状有利于减小和消除连接桥端角处的应力集中。
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(6) 干舷与储备浮力 干舷与船舶耐波性的关系十分密切，因其大小直接影响到 储备浮力的大小及其沿纵向的分布。与常规双体船相比，穿浪 双体船具有较小的片体干舷，尤其在首尾两端，干舷大幅度减 小。为提高航态自稳控制性能和改善波浪中的运动性能，避免 采用复杂的控制系统，穿浪双体船在设计水线以上的船形完全 不同于常规的高速双体船，甚至有的穿浪船在静水面干舷以上 的片体宽度突然变窄，几乎为静水面处宽度的1/2。
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第六章
穿浪双体船(WPC)
张慧宁
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6.1
穿浪双体船概述
20世纪80年代初期，在常规双体船和小水线面双体船的基 础上首先由澳大利亚的赫斯基和克利福德提出了一种新的高性能 船舶的新概念。他们突破常规理念，建造了一艘28M长的“维多 利亚之神”号。其后这种新概念船得到迅猛发展，目前已成为技 术上非常成熟的一种高性能船型———高速穿浪双体船(WPC)。 高速穿浪双体船保留了小水面线双体船的低阻、高耐波性及 常规双体船甲板面积宽敞的优点，同时融会了深V船型的特点， 克服了小水线面双体船的片体无储备浮力、空间狭小和要求复杂 的航态控制系统及传动系统等缺点，也克服了常规双体船的连接 桥离水面高度小等缺点。此外，与普通双体船相比，穿浪双体船 片体的首尾干舷很低甚至为零，所能提供的储备浮力较小，因此 对波浪响应不敏感，使得船体的摇荡运动得到减小。
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1/3

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3
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由上式，长度系数ψ 和长 度吃水比L/d确定之后即可确 定长宽比L/B。在给定的设计 排水量及设计速度的情况下， 先计算出体积傅汝德数Fr ▽ ， 然后由右图可以求出相对应的 最低功率曲线。在Fr ▽ <3.0的 过度航态范围，长度系数越大 对阻力性能越有利，相应的长 宽比L/B值就越大。但是若L/B 值太大，对于摩擦阻力和粘性 干扰阻力来说会是不利的。因 此从阻力的观点来选择船长必 须仔细考虑长度系数从而得到 最佳船长。
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中央船体在首部的龙骨采用下垂的形式，横剖面 呈深V型，可以缓和在大波浪中中央船体首底部 所受到的波浪抨击，同时可提供附加的储备浮力。 在一般海况下，中央船体不与波浪接触，只有在 很大的海浪中，其附加的储备浮力可防止由于浮 体的储备浮力不足而使船首过于陷入波涛中以至 于甲板上浪或者埋首现象。 第二代的穿浪双体船已很少有采 用中央龙骨首端下沉。因为模型 试验和实船证明，只有在相当大 的浪高情况下中央龙骨首才能与 波浪接触，这种情况在通常情况 下很少发生。因此为减轻结构质 量和简化建造工艺采用新的设计。
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我国首艘自主设计穿浪双体船“海峡”号
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6.2 穿浪双体船船型参数对性能的影响
(1) 片体的长度系数和长宽比 (2) 横剖面的选择 (3) 尾端形状 (4) 首端形状 (5) 浮心纵向位置 (6) 干舷与储备浮力 (7) 连接桥和中央船体的形状 (8) 片体间距对性能的影响
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平湿甲板直壁式穿浪双体船横剖面图
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(8) 片体间距对性能的影响 与高速双体船相同，片体间距增大会使片体间的兴波与粘性 干扰作用减小，对静水阻力和耐波性都有利。1988年，澳大利 亚的双体船设计公司通过水池模型试验研究了穿浪双体船的片体 中心距在不同海况下对横向和垂向加速度的影响，证明了片体间 距是影响WPC耐波性的主要因素。片体间距越大，则对艇在横 浪中的运动性能越有利，可使艇的横向和纵向运动加速度明显减 小，特别是在波长较短的横波情况下。另外，片体间距大还可增 大甲板面积，有利于舱室布置和甲板载货。但是，片体中心间距 一般不大于片体宽度的10倍，过大的片体间距对艇的阻力和运动 性能已经无明显好处，反而还会对船体的横向强度不利。
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(2) 横剖面的选择 从提高耐波性的角度来说，穿浪双体船的片体几乎都采用 尖舭深V形式，其底部横剖形状与单体深V几乎没有区别。
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为了增大片体首底部的横向斜升角，一般采用首部龙骨下 沉的方式。
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(4) 首端形状 片体首端通常采用极深V形的横剖面形状，龙骨可以沉到 基线以下，以增加首部横剖面的深V程度。这样设计可以增大 艇的纵摇阻尼，避免艇首底部出水，从而减小波浪的拍击。
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在傅汝德数和设计方面允许的范围内，设计水线的半进角 α/2取得越小越好，因为这样可以使丰满的型线在船舯附近开 始，以获得较小的方形系数Cb。试验证明穿浪双体船的耐波性 能很大程度上取决于首部形状，因此对穿浪双体船的首部型线 的设计要特别重视。穿浪双体船的设计水线半进角 α/2=7°~11° 对于高速轻型的穿浪双体船水线半进角可以减小到6°以下。
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6.3 WPC与相当单体船航行性能的比较
(1) 快速性 右图同时给出了相同排水量常规圆舭 船和深V型船的阻力曲线。与其他两种单 体船型比较，低速时穿浪双体船的静水阻 力波动现象较为明显，而且阻力值比其他 两种船型要高。显然从静水阻力的角度来 说穿浪双体船不适合在低速时航行。高速 时，不仅静水阻力小而且波浪增阻也小， 证明了穿浪双体船在风浪中具有高速航行 能力，而且航行速度越高越能发挥出穿浪 双体船的性能优势。