王群蕾，王 奇，祝 林

（1.金華市港航管理局，浙江金華 321013；2.嘉興市金航船舶設(shè)計有限公司，浙江嘉興314001）

0 引言

為適應(yīng)航道等級提升后的船舶疏航及搶險工作，浙江金華地區(qū)近來成功地研制開發(fā)出一種小型的多功能工作艇。該艇不僅可以承擔(dān)維護水上安全巡航及人命救助指揮，而且具備可在夜間或霧天等惡劣海況下實施疏航及搶險作業(yè)的能力。

按照設(shè)計任務(wù)書的要求，該艇兼顧航道疏通執(zhí)法和拖離擱淺貨船之雙重功能，具體要求是：

1）自由航速≥20 km/h。

2）系柱拉力≥100 kN。

3）在3 m/s的水流速度下，能上水拖帶800 t散貨船或50 m貨船等遇險船舶脫離急流險灘。

同時，本船總費用（設(shè)計和建造）應(yīng)控制在300萬元以內(nèi)。

實船建成后，歷經(jīng)幾年來的營運實踐表明，該艇全面滿足了上述的任務(wù)要求，實是一種集疏航與拖帶等多種功能于一體的實用經(jīng)濟的小艇。其成功的關(guān)鍵在于，該船的船型尺度要素、航速及推進動力設(shè)備的選定及其配套的推進裝置的選取等均為合理。作為經(jīng)驗總結(jié)，本文對以上幾方面作系列分析，為希望研發(fā)此類小艇的有關(guān)內(nèi)河運管部門提供借鑒和參考。

1 船型尺度要素及自由航速的合理選定

按照前述要求，確定了25 m疏航艇的主要尺度系數(shù)于表1。

表1 25 m 疏航艇的主要尺度系數(shù)

在尺度系數(shù)確定后，確定疏航艇的自由航速成為關(guān)鍵。船舶航速連同船舶的水線長度決定了船舶按既定航速航行時所相應(yīng)的長度傅氏數(shù)FNL，進而決定了船舶的航行狀態(tài)。

根據(jù)《船舶原理》[1]和《高速艇動力學(xué)》[2]所闡明的基本概念，當(dāng)船舶的長度傅氏數(shù)FNL＜0.4時，船舶的航行狀態(tài)基本上為排水量型，船舶的重量全部由船體的浮力所承擔(dān)；隨著航速的增高，當(dāng)其長度傅氏數(shù)FNL≥0.4時，船舶則處于過渡型高速排水量艇的航行狀態(tài)。此時，要求船舶在航行時能在艇底產(chǎn)生一部分流體動升力，與浮力一起共同支撐艇體重量。表2在既定的金華25 m疏航艇的船舶尺度系數(shù)條件下，系列航速所對應(yīng)的傅氏數(shù)及所對應(yīng)的船舶航行狀態(tài)的變化。

表2 25 m 疏航艇在系列航速下的航行狀態(tài)

若按過渡型高速排水量型進行小艇設(shè)計，為了在艇底產(chǎn)生流體動升力，對其艇體線型，特別是艉部線型有著一定的特殊要求，即需要采用平底和方尾，不宜采用隧道式的尾部線型型，限制了螺旋槳的直徑，進而影響到螺旋槳的推進效率及其系柱與拖帶特性。

自由航速的提高會引起航行阻力的激增。若按普通的排水量型船舶進行設(shè)計，一般可按愛爾氏法進行船舶阻力和船體有效功率的估算；若按

過渡型的高速排水量型船舶進行設(shè)計，一般采用通過回歸分析所建立的的計算方法[2]進行船舶阻力和船體有效功率的估算。表3和表4是針對前述的船型尺度系數(shù)要素分別按這2種計算方法求得的相應(yīng)于2種航行狀態(tài)的船舶阻力。計算中，均考慮增加15%的附體阻力。

此外，內(nèi)河航道一般存在有流速并伴隨有“水面比降”的急流險灘。當(dāng)船舶逆水上行時，船舶會遭受“比降阻力”，見表3。

表3 普通排水量型航行狀態(tài)阻力計算結(jié)果

比降阻力即為船體重量在其運動方向上的分量。假定水面比降為3‰，計算求得其比降阻力，進而計算得其逆流航行時的“上灘”總阻力。

相應(yīng)于20 km/h自由航速下的船舶上灘總阻力為2 996 kgf（1 kgf＝9.806 65 N）。過渡型高速艇航行狀態(tài)阻力計算結(jié)果見4。

表4 過渡型高速艇航行狀態(tài)阻力計算結(jié)果

相應(yīng)于24 km/h自由航速下的船舶上灘總阻力為6 372 kgf。

由此可見，對金華25 m疏航艇的尺度系數(shù)而言，若將其自由航速由原定的20 km/h提高至24 km/h，船舶的航行狀態(tài)必然由排水量型改變成過渡型的高速排水量型，致使其上灘時的總阻力增大至原先的2.13倍，此時須大幅增加所需匹配的主機功率，經(jīng)濟性不強。對該艇而言，原定約20 km/h的自由航速，使其按排水量型的狀態(tài)航行，是合理的，也是經(jīng)濟實用的。

2 對船舶的系柱及拖曳特性的合理要求

本船的系柱推力要求達到100 kN以上，可以滿足在夜間或霧天等惡劣海況對遇險船舶下實施疏航及搶險作業(yè)的要求。

另外，該艇尚需具備在急流險灘的情況下，拖曳遇險的50 m貨船或800 t貨船上水脫離急流險灘航段，金華港航部門建議克服3 m/s的水流速度上行過灘?？紤]到，存在有流速的急流險灘，必然伴隨水面比降，在假定其水面比降為0.3‰的條件下，其上灘時的阻力增加。

3 推進動力設(shè)備和導(dǎo)管推進裝置的優(yōu)選

3.1 推進動力設(shè)備

按照前述的綜合需求，選定本艇所使用的推進主機及配套減速齒輪箱為：主機2臺，持續(xù)功率317 kW，持續(xù)轉(zhuǎn)速1 800 r/min，減速比5.05。

3.2 推進裝置

為兼顧船舶的系柱拉力、上水拖曳50 m或800 t貨船沖過急流險灘以及單艇自由航速等綜合要求，該艇采用了在拖船上普遍使用的導(dǎo)管螺

根據(jù)蘭溪水文監(jiān)測點的水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，錢塘江航道的蘭江大橋下游800 m處，存在較大流速的急流險灘，并且，水流速度隨著水位的提高而有顯著增大。表5為蘭溪水文監(jiān)測點蘭江大橋下游800 m測得的此段航段在各種水位季節(jié)下的平均流速表。旋槳推進裝置。利用文獻[3]給出的導(dǎo)管螺旋槳的設(shè)計方法，進行了該艇導(dǎo)管槳的設(shè)計計算。

表5 蘭溪水文監(jiān)測點蘭江大橋下游800 m 平均流速表

為配合采用此種推進裝置，盡可能增大導(dǎo)管螺旋槳直徑，該艇采用了作為大徑深比技術(shù)的隧道式尾型。同時，考慮到本船的尾部空間有限，該艇采用了長度直徑比為0.5的19a型短導(dǎo)管，配合以盤面比為0.7的ka4-70型的寬葉梢螺旋槳。取螺旋槳的限制直徑為1.65 m。

為了兼顧自由航速、系柱拉力及在急流險灘中脫離貨船的綜合要求，經(jīng)探索計算，決定按14.5 km/h的設(shè)計航速進行該艇的導(dǎo)管螺旋槳設(shè)計，選取的導(dǎo)管螺旋槳的螺距比為為P/D＝0.888 3。

4 船舶的自由航速及系柱和拖帶特性

按前述的導(dǎo)管螺旋槳要素進行了在系列航速下的導(dǎo)管槳的推力計算，計算結(jié)果匯總列于表6。

表6 系列航速下的導(dǎo)管螺旋槳總推力

由此可見，導(dǎo)管槳發(fā)出的總系柱拉力為128.8 kN，達到了對系柱拉力的預(yù)期要求。

由螺旋槳發(fā)出的總推力曲線與25 m疏航艇總阻力曲線的交點可得25 m艇的自由航速為：Vmax＝20.7 km/h，達到了對自由航速的預(yù)期要求。

由牽引力曲線與2型被拖船總阻力曲線的交點，可得2型被拖船舶上灘時的對水航速，減去10.8 km/h的水流速度，即可獲得被拖船上灘時的對岸航速，見表7。

表7 配置導(dǎo)管螺旋槳的25 m 疏航艇的航速預(yù)報

由此可見，該艇具備有足夠的拖帶能力脫離2型貨船上水駛離急流險灘。

5 結(jié)論

通過上述論證比較研究，得出下述結(jié)論性意見：

1）所設(shè)立的25 m疏航艇主要尺度要素是合理的，既可滿足總體布置要求，又具有良好的阻力和推進性能。

2）該艇采用雙機推進動力裝置是合理的。

3）該艇采用19a型導(dǎo)管匹配以Ka4-70型螺旋槳的推進裝置，其自由航速可達20.7 km/h，系住拉力達128 kN；同時，在考慮3 m/s的水流速度和3‰的水面比降的急流灘險條件下，2型被拖貨船的上灘對岸航速均可達5～6 km/h，完全滿足預(yù)期的拖帶需求。

4）金華25 m疏航艇集疏航執(zhí)法和拖帶等多種功能于一體，一船多用，是實用經(jīng)濟的多功能小艇，值得相關(guān)航管部門在研發(fā)時借鑒參考。