噴泵推進(jìn)穿浪式雙體船適航性改進(jìn)探討

楊志強(qiáng)

摘 要：本文對目前使用的噴泵推進(jìn)穿浪式雙體船（SPWPC）的適航性進(jìn)行研究探討。根據(jù)（SPWPC）在航行過程中存在的一些適航性方面的問題參考目前在這一領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行分析，并研究探討加裝一種減搖穿浪板裝置，以改進(jìn)其適航性能。

關(guān)鍵詞：噴泵推進(jìn)器（SP）；穿浪式雙體船（WPC）；縱向穩(wěn)定性；減搖穿浪板

中圖分類號：661.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

噴泵推進(jìn)穿浪式雙體船（簡稱SPWPC）是近十幾年發(fā)展起來的一種高速船，目前這種船已開始向大型化發(fā)展，應(yīng)用于短程客運(yùn)和軍事用途。但由于這種船的快速性與適航性對船型的技術(shù)要求存在矛盾，而且不能在高、低速時同時具有良好的適航性能，所以這已成為這種高性能船舶設(shè)計的一大難題。

2 SPWPC的適航性理論分析

2.1 SPWPC的穩(wěn)性影響

SPWPC的主、輔機(jī)等船舶機(jī)械、燃油艙、水艙都置于兩個浮體之中，4臺噴泵也設(shè)置于水線位置，因此其重心較低，在空載時就像個不倒翁似的浮在海面，即使是滿載時，初穩(wěn)性高度也很高，因此在航行時如遇浪涌，當(dāng)浪涌波長接近船長、波幅大于或等于浮體高度時搖蕩就十分激烈，使SPWPC的適航性能較差。

2.2 SPWPC的波浪阻尼影響

SPWPC的滿載水線在兩個浮體的上端，且浮體與連接橋平臺連接有浮力儲備過渡，因此不管在空載或滿載時其水線面積都較大，產(chǎn)生較大的興波阻力，當(dāng)遇到浪涌時受到的干擾力矩就較大，且兩個浮體前端是箭狀流線，對搖蕩的阻尼力很小。因此船的縱向搖蕩和垂蕩就較大。

2.3 SPWPC的尾端影響，

SPWPC的4臺噴泵裝置伸出尾封板向外噴水柱，它們確實(shí)起到了減少縱搖蕩的作用，但是它們高速噴出的水柱產(chǎn)生的推力，對于相對阻尼力矩較小的船首前端雙浮體來說，就象軟管一樣產(chǎn)生了激勵搖蕩作用，使噴水軟管來回擺動。

從以上的分析可知，SPWPC的缺點(diǎn)就是船首對縱向搖蕩的阻尼太小，興波阻力又較大，因此浪涌對它產(chǎn)生的干擾力矩就很大，遇浪涌時縱向激烈搖蕩，在緊急停船時首傾嚴(yán)重。

3 SPWPC的性能特點(diǎn)

3.1 SPWPC的優(yōu)點(diǎn)

（1）船體結(jié)構(gòu)方面

船體采用全鋁合金材料，重量輕，船體采用小水線面雙浮體結(jié)構(gòu)，增加了船的平臺使用面積，減少了航行的興波阻力，有利于船的快速性和適航性。但是SPWPC的結(jié)構(gòu)與通常概念上的小水線面船（SWATH）又是不同的，它的水線在兩個浮體的上部而不是整個浮體潛入水中，平臺連接橋與兩個浮體的連接有一定的浮體面積過渡，這樣有利于在各種裝載情況變化時不會產(chǎn)生吃水線的突變。

（2）推進(jìn)裝置方面

SPWPC采用4臺流導(dǎo)式噴泵噴水推進(jìn)，大大提高了船的操縱性能，可實(shí)現(xiàn)橫向移動、低速舵效、原地回轉(zhuǎn)、緊急停船和無離合器倒退等，還具有靜音性能、推進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)優(yōu)于螺旋槳推進(jìn)。

3.2 SPWPC的缺點(diǎn)

雖然SPWPC具有以上多種優(yōu)越性，但也存在著一些缺陷，如果用于高級客船、測量船等對適航性要求高的情況，還有許多需要改進(jìn)的地方：

（1）SPWPC的海況適應(yīng)性

由于SPWPC的長寬比較小，在遇到較大的浪涌時，縱搖和垂蕩都比較大，影響了它的平穩(wěn)航行和舒適性。

（2）SPWPC的安全性

SPWPC在遇到緊急情況下，停船倒退時，由于噴泵的反向噴射產(chǎn)生一個力矩使船身急速地向前傾斜較大角度，高速時可能導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)，使其安全性大大降低。

（3）SPWPC的推進(jìn)效率

SPWPC在空載或壓載不均勻的狀態(tài)下航行時都不是其最佳狀態(tài)，因為只有在滿載時當(dāng)船首兩個浮體完全潛入水中時船的水線面積才最小，這時的興波阻力最小；而當(dāng)船尾的4個噴泵都全在水線以下噴射水柱時，這時推進(jìn)效率才最高。也就是說，SPWPC無法在不同的裝載情況下航行均能實(shí)現(xiàn)最佳效率。

4 改善SPWPC適航性能的研究現(xiàn)狀

（1）在單體深V型船體下加裝類似球鼻首的半潛體（圖1），安裝后對減少阻力和改善適航性能都有良好的效果；

（2）在船中央船體龍骨下方安裝一個半潛體被動鰭（WPM），形成穿浪多體船（圖2）。這樣對改善穿浪雙體船的阻力與適航性能有明顯的效果，在諧振區(qū)附近和較高的波浪頻率范圍的對減少縱搖和升沉有較好的效果，哈爾濱工程大學(xué)的研究證實(shí)了這一設(shè)想的正確性和可行性；

（3）澳大利亞的Incat高速船公司采用倒T型水翼代替中央船體上的WPM進(jìn)行減搖，經(jīng)哈爾濱工程大學(xué)的試驗證明，倒T形水翼在更大的波浪頻率范圍內(nèi)對減小縱搖、升沉和首尾加速度都有很好的效果。

（4）美國Havatek公司Tadd復(fù)合增升體船，就是在首尾加組合固定水翼來提高適航性能。

圖1 球鼻首SSB

圖2 半潛體WPM

圖3 被動倒T型水翼

5 設(shè)置主動減搖穿浪板裝置的探討

（1）綜合現(xiàn)有的各項研究成果，如上述Incat高速船公司的倒T型被動式減搖水翼外，可以探討對噴泵推進(jìn)穿浪雙體船進(jìn)行創(chuàng)新改良，設(shè)置主動減搖水翼裝置，如圖4所示。

（2）設(shè)計一種新的船型，將兩個船首設(shè)計為扁寬下潛球鼻首，球鼻首之間安裝主動式一字減搖水翼，如圖5所示。這樣就能大大的改善SPWPC的適航性能。

圖4 主動減搖水翼設(shè)想

圖5 主動減搖水翼設(shè)想

6 主動減搖穿浪板裝置的方案

6.1 對現(xiàn)有的SPWPC進(jìn)行改良

見圖4 。

（1）在船的兩個浮體前端水線下設(shè)置一個流線型水翼，水翼之兩端軸與兩浮體內(nèi)側(cè)設(shè)置水密封軸承相接；

（2）船首舯底部安裝液壓桿，伸出的液壓桿活動桿端與水翼中部往后一定距離安裝的絞鏈相接；

（3）液壓桿設(shè)置液壓糸統(tǒng)、波浪縱搖感應(yīng)器及電路控制糸統(tǒng)，自動控制液壓桿的伸縮，控制水翼升降角度；

（4）工作原理：在船遇到浪涌時航行，水翼本身起到波浪搖擺阻尼的作用，波浪縱搖感應(yīng)器感應(yīng)縱擺的信息，傳給電路控制自動控制液壓桿的伸縮，控制水翼升降角度，產(chǎn)生升降的力矩來抵消船搖晃的力矩，從而使船在浪涌中平穩(wěn)地航行。

6.2 對新造的SPWPC船設(shè)計設(shè)想

見圖5 。

（1）把兩船體首流水線下端設(shè)計成寬扁流線型下潛球鼻首的兩個浮體；

（2）兩個浮體之間設(shè)置一個流線型水翼，水翼之兩端軸與兩浮體潛球鼻首內(nèi)側(cè)設(shè)置水密封軸承相接；

（3）在兩個下潛球鼻首浮體內(nèi)都安裝有液壓桿、液壓控制電路、波浪縱搖感應(yīng)器及電路控制糸統(tǒng)，自動控制液壓桿的伸縮，控制水翼升降角度；

（4）工作原理：在船遇到浪涌時航行，設(shè)計的兩個下潛球鼻首（無論空、滿載都處于水線下）和水翼都能起到波浪搖擺阻尼的作用，在兩個下潛球鼻首內(nèi)都設(shè)置液壓控制系統(tǒng)，液壓桿伸縮連接水翼的力臂使水翼與水平面升降角度，產(chǎn)生升降的力矩來抵消船搖晃的力矩，從而使船在浪涌中平穩(wěn)地航行。這種裝置與現(xiàn)有的船舶橫向減搖鰭原理相似，有現(xiàn)成的舵操縱機(jī)構(gòu)可借鑒。

7 新設(shè)計SPWPC對適航性能的改進(jìn)

（1）在正常（風(fēng)平浪靜）航行狀態(tài)下，無論船的裝載情況如何，穿浪板在液壓桿的伸縮調(diào)整水翼與水平成一個角度，從而產(chǎn)生一個升力矩或降力矩，可以調(diào)整船的姿態(tài)使之在最佳縱傾下航行；

（2）在緊急停船時，液壓桿立即伸出使穿浪板與水平成一個升力矩和阻力最大的角度，升力矩與噴泵反向噴水產(chǎn)生的力矩方向相反大小相等相互抵消，使船不會產(chǎn)生首傾而處于平穩(wěn)狀態(tài)；

（3）當(dāng)船在較大浪涌中航行時，因整個穿浪板在水線以下，增加了水下面積，從而增加了對船縱向搖蕩的阻尼力矩，大大減輕了縱向搖蕩。且設(shè)置了縱向搖蕩感應(yīng)器，將搖晃的信息傳送給控制電路，再控制液壓分配模塊使液壓桿伸縮，在穿浪板上形成升降力矩來抵消浪涌導(dǎo)致的縱向搖蕩力矩，使船在大浪涌中平穩(wěn)航行。

8 結(jié)論

設(shè)置了主動減搖穿浪板后，使SPWPC的適航性能大大提高，雖然增加了一些阻力，但可調(diào)整的航行狀態(tài)，降低了興波阻力，因此對船舶的速度影響很小。主動減搖穿浪板的設(shè)置使SPWPC適合于在大浪涌的海域高速平穩(wěn)地航行，成為人們追求的一種“全天候”愿望，這對于大型軍力遠(yuǎn)距離投送和高級民用客運(yùn)的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性都有重大的意義。

參考文獻(xiàn)

《高性能船舶原理與設(shè)計》趙連恩，謝永和編著.國防工業(yè)出版社.