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        某小型高速巡邏艇總體設(shè)計

        2017-06-06 22:03:59趙健
        廣東造船 2017年2期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計

        趙健

        (海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室,上海 200135)

        摘 要:本文介紹了某小型高速巡邏艇的總體設(shè)計過程,重點從艇的主尺度、線型、總布置及外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及船機(jī)槳匹配性方面進(jìn)行了詳細(xì)論述,為類似船型設(shè)計提供一些參考經(jīng)驗。

        關(guān)鍵詞:船型優(yōu)化、船機(jī)槳匹配、結(jié)構(gòu)設(shè)計

        中圖分類號:U662.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        1 前言

        該艇是一型出口型交通巡邏艇,主要用于出口某國海岸交通運(yùn)輸、巡邏警戒任務(wù)。目前已出口交付多艘,獲得了用戶的一致好評。

        2 主尺度設(shè)計

        2.1 艇長

        本艇設(shè)計傅氏數(shù)Fr~0.65,屬于高速船范疇,增加艇長,可有效改善阻力,因此在滿足設(shè)計任務(wù)書要求的前提下,兼顧總體布置的基礎(chǔ)上,盡量增加艇長。

        2.2 型寬

        型寬在一定航速下,型寬小的艇快速性能明顯優(yōu)于型寬大的艇。該艇的型寬設(shè)計首先以滿足機(jī)艙布置和穩(wěn)性(該艇穩(wěn)性要求按近海航區(qū)校核)為前提,盡量選擇小型寬來改善阻力性能,同時控制寬吃水比,改善橫搖性能。

        2.3 型深

        型深對穩(wěn)性及適航性有較大影響,該艇型深在滿足穩(wěn)性和底艙布置的前提下,在艇中前部設(shè)計有400 mm的半升高甲板,有效改善了首部甲板上浪以及主船體艙室布置空間。

        2.4 排水量

        該艇排水量小,航速性能受排水量變化異常敏感,因此控制重量是該艇設(shè)計中一個首要問題,本著“以輕代重、件件不漏、設(shè)備從簡”的原則,開展艇的設(shè)計建造工作。

        該艇最終確定的主要參數(shù)如下:

        總長: 26.80 m;

        型寬: 4.40 m;

        型深: 2.50 m;

        設(shè)計排水量: ~55 t;

        設(shè)計航速: 19.5 kn;

        續(xù)航力: 700 n mile/17 kn;

        航區(qū): 沿海航區(qū)。

        3 線型設(shè)計

        3.1艇型

        該艇擬采用高速圓舭船型,以提升阻力性能。

        3.2尾型

        高速圓舭艇一般采用方尾,方尾能使水流平直有力地脫離船體,減少水流彎曲,降低能量損失;同時尾板相對寬度(尾板寬度/型寬)b/B也是影響高速排水型艇的阻力性能參數(shù)之一,b/B值過小,會導(dǎo)致艇剩余阻力系數(shù)Cr增大。項目組采用CFD方法對b/B對艇阻力性能影響進(jìn)行了分析,一定范圍內(nèi)的b/B對艇阻力性能并不“敏感”。b/B在65%,航速低于14 kn時的阻力性能最佳;當(dāng)b/B在75%,航速大于14 kn時的阻力性能更佳,最終b/B確定為75%。

        3.3 浮心位置

        對于該型高速圓舭艇來說,浮心縱向位置LCB在船舯后(1~5)%均是合適的。項目組采用CFD方法對LCB位置對艇阻力性能影響進(jìn)行了分析,LCB在舯后3%,航速大于18 kn阻力性能更佳。該艇最終LCB確定為舯后3%。

        3.4 線型

        綜合前面線型優(yōu)化的研究結(jié)果,該艇線型在母型船基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性修改,修改后的橫剖面線型圖圖1所示:

        (1)排水量長度系數(shù)C△

        排水量長度系數(shù)C△=△/(0.1L)3,該系數(shù)是影響剩余阻力的重要參數(shù),在一定傅氏數(shù)Fr下,剩余阻力直接與C△成正比關(guān)系。如增加 C△值,則艇體粗短,興波阻力增大。可見在既定艇長條件下,重量控制得越好,阻力性能越佳。該艇C△=3.52。在瑞典SSPA圓舭艇 C△=1.96~4.63[1]范圍之內(nèi),比較合理。

        (2)方形系數(shù)Cb

        通常圓舭艇的Cb比較小,主要是力爭艇體瘦削,減少剩余阻力。但Cb過小,將導(dǎo)致B/T減小,濕面積增加,影響阻力性能。故在合理選定排水量長度系數(shù)的基礎(chǔ)上,適中選擇Cb=0.42。

        (3)棱形系數(shù)Cp

        該系數(shù)是影響快艇性能的重要參數(shù)之一。該艇前體處于較強(qiáng)的興波區(qū),同時方尾本身又需要較大的排水體積,所以要求艇體兩端適度半滿,以改善快速性和耐波性。針對該艇航速,棱形系數(shù)一般推薦值在0.62-0.65范圍,該艇取Cp=0.643,亦屬合理。

        4 總布置及外部造型

        該艇總布置原則:充分利用有限空間、合理布置、通風(fēng)采光好、使用功能與造型協(xié)調(diào)統(tǒng)一。船體艙室的劃分布置,除了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及不沉性之外,還要保證艇良好的浮態(tài)。內(nèi)部裝修要求簡潔明快,色彩滿足船東有關(guān)要求,家具擺設(shè)緊湊適用,駕駛室視野開闊,保證為船員提供一個舒適的工作、休息環(huán)境。

        在外觀設(shè)計上,通過對甲板室及桅桿等外形進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),首部增加局部舷墻,使艇的整體外形更加簡潔美觀,具有時代感,見圖2。

        5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該艇為高速巡邏艇,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,盡可能減少結(jié)構(gòu)重量。為節(jié)省結(jié)構(gòu)重量,本艇甲板室采用鋁合金結(jié)構(gòu),與鋼質(zhì)主船體及機(jī)艙棚的連接采用鋼鋁復(fù)合材進(jìn)行連接。甲板室圍壁及甲板采用輕型鋁質(zhì)攪拌摩擦焊接帶筋板,在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時,又大大減少板架焊接的焊縫數(shù)量,從而很好的解決鋁質(zhì)薄板構(gòu)件焊接變形影響甲板室美觀的問題。

        為防止結(jié)構(gòu)有害振動,對舵機(jī)艙、機(jī)艙區(qū)域進(jìn)行了局部振動計算。根據(jù)計算,在強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上對舵機(jī)艙區(qū)域的船底縱骨及肋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),提高該區(qū)域結(jié)構(gòu)振動固有頻率與激勵頻率錯開的儲備。該艇實際使用中船體振動情況良好,艇員工作、生活的舒適度得到保證。

        6 船機(jī)槳匹配性

        小型快艇通常采用高速柴油機(jī),因為它具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高、功率大、進(jìn)氣管(下轉(zhuǎn)第頁)(上接第頁)

        道要求空間小、排氣背壓高、可由兩舷排氣等優(yōu)點,使總體設(shè)計有較大的靈活性。

        該艇采用2機(jī)2槳推進(jìn),主機(jī)選用的是河南柴油機(jī)重工有限公司生產(chǎn)的TBD234V12船用高速柴油機(jī),額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min,額定功率485 kW。

        為使設(shè)計艇能得到所需的推力而達(dá)到預(yù)期航速,船、機(jī)、槳之間應(yīng)有很好的配合,即螺旋槳應(yīng)與主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、船型、阻力和航速相匹配,否則會因匹配不當(dāng),功率未能得到充分發(fā)揮而造成較大的效率損失。

        該艇船機(jī)槳匹配考慮如下:

        首先,設(shè)計上應(yīng)留有適當(dāng)儲備,該艇設(shè)計選擇了在主機(jī)額定功率的基礎(chǔ)上,留有5%的功率儲備裕度。

        其次,鑒于快艇螺旋槳進(jìn)速與艇航速基本相同,該艇的伴流系數(shù),根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]實取w=0.03,船身效率取1.0。

        第三,受船尾線型以及螺旋槳梢隙比的要求[3],該艇螺旋槳限制直徑0.9 m,根據(jù)螺旋槳圖譜計算最佳轉(zhuǎn)速,選取齒輪箱減速比2.545,螺旋槳盤面比AE/A0選取了1.05,螺距比P/D=1.17,螺旋槳效率η=0.646,螺旋槳與船身間隙0.18 D,尾軸傾斜度為4.77°,螺旋槳外旋。螺旋槳選用機(jī)翼型葉剖面的 B型5葉槳,其具有良好的敞水效率,采用瓦根寧根空泡限界線進(jìn)行空泡校核,尚有余量,滿足空泡要求。

        經(jīng)實船航行試驗,在額定轉(zhuǎn)速下主機(jī)功率儲備為6.2%,最高航速達(dá)20 kn,與設(shè)計狀態(tài)基本吻合,說明船機(jī)槳匹配性良好。

        7 結(jié)束語

        該型交通巡邏艇快速性、適航性等方面都突出了高速圓舭艇的特點,特別是航速指標(biāo)在同類艇中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢,為我國交通、公務(wù)高速船型開發(fā)提供了設(shè)計經(jīng)驗。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 王凌譯.高速排水型船的阻力預(yù)報及參數(shù)研究[M].

        [2] 朱珉虎.內(nèi)河船舶設(shè)計手冊[M]. 1996.

        [3] 盛振邦, 劉應(yīng)中.船舶原理[M].2004.

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