葛興國

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

小水線面雙體型遠(yuǎn)洋調(diào)查作業(yè)船設(shè)計

葛興國

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

小水線面雙體型科學(xué)調(diào)查作業(yè)船因其優(yōu)良性能而深受人們青睞，又因其設(shè)計難度大且前期研究工作投入多而使船舶設(shè)計人員望而卻步。該文以某型小水線面雙體遠(yuǎn)洋調(diào)查作業(yè)船的設(shè)計為例，簡述了設(shè)計中應(yīng)重點并注的要點（即線型設(shè)計、質(zhì)量控制、電力推進(jìn)、低噪聲螺旋槳設(shè)計等），可供同類型船舶設(shè)計參考應(yīng)用。

小水線面雙體船；遠(yuǎn)洋調(diào)查作業(yè)船；設(shè)計要點

引 言

小水線面雙體船是一種高性能、高科技船舶，與單體船相比具有獨特的性能和優(yōu)點：

（1）在一定航速范圍內(nèi)阻力性能較好。因為有小的水線面面積，而使大部分體積深潛水下，從而使興波阻力大大降低。

（2）耐波性能特別優(yōu)良。垂蕩、縱搖、橫搖的固有搖擺周期長，在風(fēng)浪中失速小；能適應(yīng)橫浪的干擾。

（3）具有寬大、方整的甲板面積，有利于總體艙室布置和甲板操作布置。

因此小水線面雙體船型特別適用于需要寬敞甲板面積和良好耐波性的海洋調(diào)查、勘察、作業(yè)船舶，但其技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計難度大，則必須充分考慮研究設(shè)計的工作投入和工作周期。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究和開發(fā)現(xiàn)狀

本文所述的是一艘小水線面雙體型科學(xué)調(diào)查作業(yè)船，主要用于遠(yuǎn)洋航行及從事海洋科學(xué)調(diào)查和作業(yè)。

1.1 國外情況

1.1.1 日 本

日本小水線面雙體型船開發(fā)較早，但均為小型船舶，如交通船、小客船、工作船、水文測量船、漁業(yè)調(diào)查船等。具代表性的船舶為1979年建造的“海鷗”號客渡船，該船排水量340 t，能載客446人。

1.1.2 德 國

德國也使用一些小型水線面船舶，較大型的船舶為WFES751型小水線面雙體水下武器電子系統(tǒng)研究試驗船。該船總長73m、主甲板寬度25m、吃水6.8m、排水量3500 t、航速15 kn、續(xù)航力5000 nmile。該船可搭載船員25人，科研人員20人，屬軍民兩用船舶。

1.1.3 美 國

美國是擁有小水線面雙體型船舶最多的國家，且大部分為軍用船舶。早在20世紀(jì)60年代，為了配合航天飛行計劃，美國提出小水線面船的設(shè)計，并于1973年建成由美國海軍海洋研究中心開發(fā)設(shè)計并使用的“凱梅里諾”（“Kaima Lino”）號。該船總長27m、寬13.72m、吃水4.65m、排水量217 t，主機(jī)為功率2×1545 kW的燃?xì)廨啓C(jī)，航速25 kn。由于反響良好，從此小水線面船型便引起人們的興趣和并注。

二戰(zhàn)后，美國迅速發(fā)展航母編隊。當(dāng)時，蘇聯(lián)并沒有步美國后塵，其發(fā)展號稱“深海蛟龍”的導(dǎo)彈核潛艇與之進(jìn)行對抗。為了遏制蘇聯(lián)核潛艇的崛起，美國大量開發(fā)遠(yuǎn)程被動探測聲納系統(tǒng)，進(jìn)行音響測定和監(jiān)視，建造大批音響測定艦，計有：“堅定”級艦18艘（單體型），“勝利”級艦6艘（小水線面雙體型）和“無瑕”級艦1艘（小水線面雙體型）。20世紀(jì)90年代蘇聯(lián)解體，冷戰(zhàn)結(jié)束，“堅定”級艦都撥作其他用途，而“勝利”級艦和“無瑕”級艦仍作為軍用?！盁o暇”級艦長85.8m、寬29.2m、吃水7.9m、排水量5370 t、艦速12 kn。該艦由美國哈爾特船廠建造，造價1億美元，設(shè)艦員45人。

1.2 國內(nèi)情況

20世紀(jì)70年代，我國為了國防需要，上級下?lián)芙?jīng)費在七〇八所和七〇二所進(jìn)行小水線面船型的開發(fā)研究，但進(jìn)展較為緩慢。改革開放以后，由于計算機(jī)技術(shù)的推廣以及應(yīng)用軟件開發(fā)，采用CAD和CFD等軟件不僅提高了計算精度和設(shè)計速度，并配以船模試驗的校核，使小水線面船型研發(fā)獲得成功。采用小水線面船型建造的船舶有海并領(lǐng)港船、油田交通艇、水聲試驗船、近海測量船（軍用）、“實驗1”號綜合科學(xué)科考船等。這些船屬于中小型和專業(yè)化類船舶，技術(shù)先進(jìn)，并可與同時代國外船舶相媲美。

2 小水線面雙體型調(diào)查作業(yè)船概述

小水線面雙體型遠(yuǎn)洋調(diào)查作業(yè)船可在無限航區(qū)航行并從事各種調(diào)查和作業(yè)，主要可以進(jìn)行：

（1）各種海洋調(diào)查儀器設(shè)備，尤其是水聲設(shè)備的海試平臺；

（2）深遠(yuǎn)海海洋科學(xué)調(diào)查研究；

（3）浮標(biāo)、潛標(biāo)的投放和回收；

（4）進(jìn)行遙控潛水器（ROV）、自主遙控潛水器（ARV）、載人潛水器（HOV）的投放和作業(yè)；

（5）各種無人潛水器（UUV）的海上試驗；

（6）深海水深測量。

由于該型船具有海洋工程裝備的功能，可以為海洋油氣勘察、海底敷管工程、石油鉆井平臺等服務(wù)和作業(yè)。此船能對各種無人潛水器進(jìn)行試驗和投放，可以進(jìn)行南海島礁航道的水深測量等準(zhǔn)軍事用途，其功能足以滿足軍民融合發(fā)展的需要。

本文所述小水線面雙體型調(diào)查作業(yè)船的主要參數(shù)為：總長64m、型寬22.5m、片體中心距16.8m、設(shè)計吃水5.7m、設(shè)計排水量約2000 t、推進(jìn)電機(jī)功率2×1000 kW、設(shè)計航速12 kn，船上有船員和科研人員60人。該船總布置側(cè)視圖見下頁圖1。

3 設(shè)計要點

3.1 線 型

現(xiàn)今所說的小水線面雙體船（SWATH）也可稱為半潛式小水線面艇（SSC）或半潛式小水線面平臺（SSP）［1］。整個船型可以分為三個部分：下面部分似魚雷狀筒體為主潛體；中間部分扁長條狀為支柱體；上面部分平長方形狀為箱體和上層建筑。

3.1.1 主潛體

這種船型是將左右兩個主要潛體完全潛入水中航行，只有箱體露于水面之上。因此，兩個主潛體不產(chǎn)生興波阻力，只產(chǎn)生摩擦阻力。主潛體橫剖面形狀可以為圓形、橢圓形、瓶形，中間部分一般可采用方形等。這種船在航行時的主要阻力成分是摩擦阻力，約占總阻力的70%～80%，因此水下部分在選擇剖面形狀時，應(yīng)盡可能減少濕表面積，以減少總阻力。

若以縱向剖面為基礎(chǔ)，采用橫剖面直徑、前體長度和后體長度三個變數(shù)，使用艦船設(shè)計軟件（Navcad）進(jìn)行計算，得出首尾較細(xì)、中間部分較粗的形狀較優(yōu)結(jié)果。在阻力和所需功率上，采用A、B形狀優(yōu)于C、D兩種形狀（見圖2）［2］。此外，較粗的主潛體中間部分也有利于主機(jī)艙的布置。

3.1.2 支柱體

支柱體是指與水面接觸的一段扁長體。水線面狹而長，因而稱為小水線面，由此產(chǎn)生的波浪是很小的，而且左右片體間距較大，無首波干擾，因此航行時興波阻力較小。就阻力而言，尤需注意支柱體的長寬比應(yīng)＞6.0。穩(wěn)性方面，支柱體的長與寬必須使其水線面積滿足規(guī)范要求初穩(wěn)性高GM≥0.03m。在結(jié)構(gòu)上，支柱體的骨架不可影響人員出入，其橫向?qū)挾葢?yīng)不小于1.2m，尤其在首尾端要考慮人孔蓋的設(shè)置。同時，支柱體內(nèi)的橫艙壁位置應(yīng)與上部箱體和下部潛體橫艙壁對齊。

3.1.3 箱體和上層建筑

所謂箱體，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，稱為連接橋箱體結(jié)構(gòu)和上層建筑。對小水線面而言，連接橋箱體結(jié)構(gòu)影響整船的抗扭強(qiáng)度和剛度以及船體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。至于線型方面，在支柱體向上延伸到連接橋箱體的橫剖面線型，一般設(shè)計成一定程度的“外飄”，船的內(nèi)側(cè)“外飄”程度較大，而船的外側(cè)“外飄”程度較小。其目的是在內(nèi)側(cè)可減小連接橋的有效跨距，以增加結(jié)構(gòu)抗彎剛度。在外側(cè)不會引起壓浪航行，減小波浪阻力，橫剖面線型見圖3。

3.2 船體質(zhì)量及重心控制

小水線面雙體船設(shè)計的最大風(fēng)險是對船體質(zhì)量與重心的控制，一旦失控，將影響整船的性能和經(jīng)濟(jì)性。因此在設(shè)計過程中，應(yīng)把控制質(zhì)量和重心作為首要任務(wù)，隨時注意調(diào)整。

小水線面雙體船的水線面積小，在靜水力計算中每公分吃水排水量值和每公分縱傾力矩值遠(yuǎn)小于一般單體船。當(dāng)船上質(zhì)量和重心略有改變時，會對船的吃水和縱傾產(chǎn)生明顯影響。作為調(diào)查作業(yè)船，其露天甲板作業(yè)面積占整個主甲板面積達(dá)到43%，考慮船的正常作業(yè)，換裝作業(yè)或改裝作業(yè)時，船的浮態(tài)有明顯改變，因此在船的首部像潛艇設(shè)計一樣設(shè)平衡水艙，隨時調(diào)整船的作業(yè)狀態(tài)或航行姿態(tài)。

船在建造過程中，要嚴(yán)格控制質(zhì)量，按圖施工。尤其是當(dāng)船在下水，?？吭隰秆b碼頭繼續(xù)施工時，對設(shè)備、材料、成品上船時一定要派人設(shè)崗監(jiān)控和稱重。

3.3 柴電螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)

3.3.1 船舶適應(yīng)性

小水線面雙體型船與傳統(tǒng)的單體船差別很大。由于其水下潛體體積小，柴油機(jī)裝置和附件很難容納在狹窄的潛體機(jī)艙空間內(nèi)，務(wù)必要放置在水上部分的露天甲板間艙內(nèi)。因此，船的推進(jìn)系統(tǒng)要分開設(shè)置，將柴油發(fā)動機(jī)放置于甲板間艙的機(jī)艙內(nèi)，而推進(jìn)電機(jī)則置于水下潛體的主推進(jìn)電機(jī)艙內(nèi)，并與軸系和螺旋槳相連。

3.3.2 推進(jìn)系統(tǒng)的選擇

因小水線雙體型船不同于單體型船，在電力推進(jìn)系統(tǒng)選擇上也有所不同。

隨著大功率交流電和變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，出現(xiàn)各種吊艙式和全回轉(zhuǎn)舵槳合一的推進(jìn)方式。但是由于國內(nèi)成套化和設(shè)計能力不足，幾乎都是采用西門子、ABB等公司的成套產(chǎn)品，其產(chǎn)品價格高，構(gòu)造上也很難適應(yīng)本船型需要。因此，從實際出發(fā)，本船型采用柴電螺旋槳推進(jìn)方式，其最大特點是成本低、推進(jìn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好。

3.3.3 直流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)

以發(fā)電機(jī)、變頻器和電動機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)系統(tǒng)，以往都采用交流組網(wǎng)技術(shù)，這是因為交流發(fā)電機(jī)沒有碳刷和滑環(huán)，相比于直流發(fā)電機(jī)可靠性更高，但是交流組網(wǎng)技術(shù)較為復(fù)雜且機(jī)體較大。從2010年開始，整個行業(yè)逐漸從交流組網(wǎng)技術(shù)向更為先進(jìn)的直流組網(wǎng)技術(shù)過渡。直流組網(wǎng)技術(shù)仍然采用成熟可靠的交流發(fā)電機(jī)組，但是采用電力電子設(shè)備可將發(fā)電機(jī)組通過整流組成一個直流船用電網(wǎng)。

由于此船上采用了與國內(nèi)某公司合作研發(fā)的“直流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)”，不僅便于大小功率發(fā)電機(jī)組的并車與調(diào)速，并且免除了移相變壓器和配電板的配置，從而使整個柴電推進(jìn)裝置的質(zhì)量和空間都可減少約30%，不僅優(yōu)化了系統(tǒng)布置，而且降低了投資成本。此外，為了提高推進(jìn)裝置的效率，部署研制大功率低轉(zhuǎn)速（120 r/min）、小尺寸的永磁變頻推進(jìn)電機(jī)與之相匹配。

3.3.4 螺旋槳設(shè)計

螺旋槳設(shè)計時可考慮采用以下措施：

（1）考慮到調(diào)查作業(yè)船的水聲設(shè)備的使用和試驗，螺旋槳必須是低噪聲的，因此采用多葉片、帶側(cè)斜的螺旋槳使其在運(yùn)轉(zhuǎn)時水流更為均勻?？紤]到制作時的難易程度，一般采用5葉片和25°側(cè)斜度為宜。

（2）由于尾框裕度較大，因此采用大直徑螺旋槳，以提高敞水效率。

（3）用MAU5圖譜［3］初步確定螺旋槳等諸要素。

（4）為了防止出現(xiàn)較多葉梢背空泡，適當(dāng)加大盤面比［4］，以免因水流擾動而產(chǎn)生環(huán)境噪聲。

（5）按環(huán)流理論，用CFD工具作進(jìn)一步分析提高。

（6）選擇轂帽整流鰭作為節(jié)能措施以提高推進(jìn)效率［5-6］。

（7）選用高強(qiáng)度材質(zhì)，如高錳鋁青銅（Cu4），以減輕質(zhì)量，降低螺旋槳轉(zhuǎn)動慣量，以實現(xiàn)進(jìn)一步減振降噪。

采取上述措施后，螺旋槳效率可比常規(guī)設(shè)計提高約6%，由此獲得本船的大直徑、低噪聲、無空泡帶轂帽整流鰭節(jié)能的高推進(jìn)效率的螺旋槳。圖4為帶轂帽整流鰭節(jié)能裝置的螺旋槳。

4 結(jié) 論

小水線面雙體型船是高科技高性能船舶，在設(shè)計中除運(yùn)用CFD手段外，還要通過船模試驗進(jìn)行校核，以防出現(xiàn)差錯。

小水線面雙體型船作為調(diào)查、勘探、作業(yè)船型時，必然會遇到一些問題，本文所述的一些情況，僅供參考應(yīng)用。

小水線面雙體型船具有單體船無法相比的優(yōu)點（尤其具有良好的耐波性），在海上儼然是一個穩(wěn)定平臺，因此可廣泛適用于各類客船、大洋鉆探船、載直升機(jī)母艦、導(dǎo)彈發(fā)射母艦等。

［1］ EDWARD N. Predicting Hydrodynamic Behavior of small water plane Area Twin Hull ships［J］.marine Technology, 1981（1）：69-75.

［2］ RDSO by Coupling Caeses and Navcad［J］. The Naval Architect, 2015（10）：62-66.

［3］ 葛興國，劉旭嵐（編譯）.船用螺旋槳設(shè)計參考資料［M］. 1971.

［4］ 葛興國. K.C.推進(jìn)器組系及其他［M］.船舶及海洋工程設(shè)計研究文集，2015.

［5］ 葛興國.江海直達(dá)船型與節(jié)能裝置設(shè)計［J］.上海造船，1991（4）：14-22.

［6］sCHNEEKLUTH H.ship Design for Efficiency and Economy［M］. 1987.

On design of ocean research SWATH

GE Xing-guo
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The ocean research small Water plane Area Twin-hull (SWATH) is popular because of its excellent performance. However, the difficulties in the design and the massive preliminary research work impose hindrance for the ship designers. It briefly introduces the design points of an ocean research SWATH,such as the line design, weight control, electric propulsion and low-noise propeller design. It can provide reference for the design of the similar ships.

small water plane area twin-hull (SWATH); ocean research ship; design point

U674.951

A

1001-9855（2017）05-0023-05

2017-07-10；

2017-08-05

葛興國（1933-），男，研究員。研究方向：船舶總體研究設(shè)計。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.023