雙內旋鰭艉節能船型在消防船設計的實船運用

彭必業，王小紅，曾慶國，胡　鵬，陳　強，周春峰

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

雙內旋鰭艉節能船型在消防船設計的實船運用

彭必業，王小紅，曾慶國，胡鵬，陳強，周春峰

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

摘要：綜合分析國內現有主流消防船的主尺度、船型參數，將雙內旋鰭艉節能船型運用于青島公安局消防船的實船項目，通過多方案型線優化設計，并開展快速性試驗研究，獲得該類艉型的設計要點。雙內旋鰭艉節能船型是解決大型化消防船船、機、槳較佳配合難題的有效途徑。實船試驗表明，該船型在大型消防船上的設計運用是可行的。

關鍵詞：線型；快速性；雙內旋鰭艉；消防船

消防船是專用于水上消防作業的船舶通稱，按照作業區域可分為內河消防和海上消防兩大類，配備有專業的對外消防設備，要求具備高速、機動的船舶性能，從而滿足快速抵達失事現場、靈活應變火勢變化的使用要求。隨著國家經濟快速發展，沿海及內河航道船舶交通頻繁，沿岸建筑、港口碼頭、油庫氣庫等重要設施不斷建成并投入使用，消防船作為港口、航道消防安全的重要保障工具，越來越受到人們重視[1]。基于青島公安消防船實船項目，在全面分析國內同類船型特征、發展趨勢和設計要求的基礎上，運用武船專利船型技術——雙內旋鰭艉船型技術，剖析該船型在大型消防船上運用的優勢，分析船型優化方向，最終使實船獲得優異的快速性能。

1主尺度和船型參數分析

通過對文獻[2-4]的收集和分析，獲得國內現有主流消防船的主要尺度信息見表1。通過分析可以得出以下設計特點和發展趨勢。

1) 船舶尺度較小，船長通常處于40 m左右，從而獲得較好的靈活性和機動性。

2) 船舶吃水較淺，通常為3.0 m以下，從而獲得較強的航行水深適應性。

3) 船舶航速較高，通常為15 kn左右，弗汝德數約為0.38，屬于中高速船范疇。

4) 近些年隨著港口條件的改善，消防船朝著大型化方向發展，船長略有增大、吃水略有加深、排水量和裝載量明顯提高，而最高航速卻不能降低，所以船舶所配備的主機具有大功率化趨勢。

表1　國內主要現役消防船信息

根據青島市公安局對該消防船的設計任務書的要求，確定船舶主要尺度如表2。

表2　青島公安消防船船舶信息

該船長寬比小于4，寬吃水比為3.7，設計吃水下方形系數接近0.6，弗勞德數約為0.4，是典型的船長受限、較為肥大的中高速船舶，其船舶型線設計具備一定難度。

2雙內旋鰭艉船型設計

在青島消防船在船型設計之初，充分查閱了國內同類船舶的型線設計方案，考慮到該類船舶吃水淺、航速高，隨著消防能力的不斷提高，船舶朝著大型化的方向發展，隨之帶來主機配備大功率化趨勢。國內現有消防船通常采用常規艇的型線設計方式，也有船舶運用對稱雙艉或雙艉鰭的型線設計。但這些設計方法都解決不了螺旋槳尺度受限的問題，徑深比仍只能在0.7左右。文獻[5]介紹了常規軸支架大直徑雙導管螺旋槳在海洋工程船上的實船運用，其徑深比可達到0.615。

武船專利船型技術——雙內旋鰭艉船型為青島消防船提供了一種合理解決機、槳匹配的船型方案。該船型利用隧道效應和預旋流原理，將螺旋槳上方的船體設計成半導管形狀，形成類似導管螺旋槳的效果，從而減少螺旋槳葉稍與船體的間距，達到增大徑深比和大螺旋槳直徑的目的，通常該類船型徑深比可取為0.9～1.2之間。

2.1設計特點

圖1為青島消防船采用雙內旋鰭艉設計方案的模型。該船型通過不對稱的鰭槽頂線和鰭槽底線設計，在螺旋槳前方形成型線向外預旋的來流，通過將螺旋槳旋向設計為內旋，從而獲得較佳的反槳效應，從而提高螺旋槳推進效率；將螺旋槳上方的船體殼設計成與螺旋槳同心的半圓形狀，保持槳葉稍與船體的間距為200 mm以內，從而形成半導管效應，同心圓弧范圍約占1/4整圓；設計螺旋槳目標直徑為2.5 m左右，設計吃水2.7 m，徑深比約為0.926。

圖1　雙內旋鰭艉船型模型實物

2.2優勢分析

為獲得雙內旋鰭艉船型的節能收益大小，采用理論計算與模型試驗相結合的方法，對雙內旋鰭艉船型與人支架雙槳船型的有效功率和收到功率進行比較分析，論證思路見圖2。

圖2　兩種船型計算論證思路對比

主尺度確定后，首先假定兩種船型，即雙內旋鰭艉和人支架雙槳船型。通過對本船主尺度及航速范圍分析，決定采用漢斯克小型船舶有效功率估算圖譜[6]對兩種船型的有效功率進行計算。

對雙內旋鰭艉船型進行型線設計并完成水池快速性試驗，將阻力試驗結果[7]與該船型圖譜計算結果進行對比，得出兩者之間在不同航速下存在4%～6%的誤差，誤差在可接受的范圍。因此，使用漢斯克圖譜計算船舶阻力并結合相應弗勞德數下誤差修正方法所獲得的船舶有效功率數據可靠，該計算方法同樣可適用于人支架雙槳船型的有效功率預報。

得到兩種船型的有效功率預報之后，分別開展螺旋槳設計與計算。雙內旋鰭艉船型選用的螺旋槳直徑為2.48 m。結合水池試驗獲得的自航因子[7]和圖譜槳設計，從而對螺旋槳收到功率和船舶航速進行預報；人支架雙槳船型為常規船型，按照徑深比0.7確定螺旋槳直徑，即螺旋槳直徑為1.9 m。結合人支架雙槳船經驗公式算法獲得的自航因子和螺旋槳理論設計，對螺旋槳收到功率和船舶航速進行預報。

最終，對兩種船型的受到馬力曲線進行對比分析可知(見圖3)，雙內旋鰭艉船型在航速15 kn左右的節能效果高達10%以上，其顯著的節能優勢主要得益于船、機、槳的優化匹配。

圖3　螺旋槳收到功率對比

2.3本船難點

本船為船長受限、較為肥大的中高速船舶。由于浮態調整的需要，船舶設計狀態的浮心位于船舯偏后約1.6%Lpp左右，所以最大橫剖面設計于船舯偏后約3.8%Lpp左右，船舶去流段長度為18.4 m，螺旋槳直徑2.5 m左右。綜合本船去流段的幾何要素，去流段長度與寬度的比值不足2，螺旋槳直徑相對較大。

去留段的尺度限制和高航速要求不利于內旋鰭槽道的幾何構形，所以在型線設計過程中出現了較大困難。歸納起來，本船尾部型線設計的難點在于需協調以下兩點矛盾。

1) 如圖4，較肥的艉體排水量要求艉部橫剖面設計更加豐滿，而高達0.926的徑深比使得艉體縱剖面曲度變化較大，如何設計出豐滿且盡量能平緩過渡的槽道是本船型線設計需解決的一個難點。

圖4　艉體設計難點分析一

2) 如圖5，過短的去留段結合較高的方形系數、較大的曲度變化，很容易引起尾流分離，從而增加粘壓阻力、降低推進效率、增加螺旋槳激振風險。然而本船設計弗勞德數為0.4，如何在高航速下避免尾流分離，這是本船型線設計需解決的另一個難點。

圖5　艉體設計難點分析二

2.4優化分析

本船在型線設計和水動力試驗研究中，共進行了3個方案的優化比較。在最初方案一的試驗中發現鰭槽道內存在嚴重水流分離現象，流線試驗中出現的油漆滯留現象及自航試驗中出現的推力減額、伴流分數過大(均超過0.4)現象說明尾流分離的存在。

為避免出現鰭槽內的水流分離，即需要對船舶艉部縱剖線和水線的形態和去流角進行控制，而雙內旋鰭艉船型尾部縱剖、水線的形態是由鰭槽的主要控制線所決定的，最典型的鰭槽控制線即為鰭槽頂線和鰭槽底線。所以，在3個方案優化設計過程中通過以下技術路徑開展了研究。

1) 偏移鰭底線，為鰭槽提供充足的來流。鰭槽的供水情況主要是由鰭底線所決定的。如圖6，方案一的鰭底線處于螺旋槳槳軸中心線所在的縱剖線內，使得鰭槽內部橫剖形態較為擁擠，從而在鰭槽來流方向形成嚴重的瓶頸作用，使鰭槽內供水不足；方案二開始通過使鰭底線向船舶舷側方向形成10°左右的角度旋轉偏移，使鰭漕內部橫剖線均向舷側偏移，從而在來流方向擴寬了鰭槽的瓶頸，為鰭槽提供了充足的供水，解決流線分離的源頭問題。

圖6　鰭槽底線優化過程

2) 控制鰭頂線形態和去流角，緩解船體曲度變化。鰭槽內部的船體曲度主要是由鰭槽頂線所決定的。如圖7所示，從縱向視圖上看方案一、二的鰭槽頂線最大傾斜角分別為20°、17°，而從水平視圖上看最大傾斜角分別為28°、15°。通過試驗發現方案一出現嚴重的水流分離，而方案二的推力減額和伴流分數較方案一均有減少，這說明鰭槽頂線在縱向和水平方面的去流角控制是改善尾流分離的有效途徑。

圖7　鰭槽頂線優化過程

出于減小鰭槽頂線最大傾斜角、避免水流分離和螺旋槳振動的目的，需進一步對本船螺旋槳直徑進行了調整，螺旋槳直徑從方案二的2.68 m減少至方案三的2.48 m，從而使槳軸高度可以降低200 mm；同時考慮到本船吃水淺，航行港口的水深裕度較高，故使螺旋槳葉稍最下緣低于基線200 mm，于是槳軸高度又可以降低200 mm，軸線總共下降400 mm，鰭槽頂線最高點高度相應下降400 mm左右。以此，方案三鰭槽頂線的縱向最大去流角減小至17°，同時調整鰭槽頂線的水平視圖形態，使水平最大去流角減小至9°。最終使船體曲度變化趨于緩和，達到優化設計目標。

3船舶快速性能

青島消防船在型線設計過程中完成了多次水動力試驗研究，圖8、9為最終方案的流線試驗結果，通過多方案優化設計基本控制住了尾流分離問題。實船在建造過程中逐一攻克了艉體復雜曲面加工難題和狹小空間施工難題，圓滿完成了實船建造任務，圖10、11為該船實船艉體照片。通過本文對該船艉體型線設計的難點分析和優化研究，獲得了實船較好的性能，主要體現在優秀的快速快速性能指標。

圖8　艏部流線試驗照片

圖9　艉部流線試驗照片

圖10　實船單艉鰭現場圖

圖11　實船雙艉鰭帶螺旋槳現場圖

通過系列水動力試驗和船、機、槳優化匹配設計后，獲得本船單槳收到馬力曲線如圖12所示。通過航速預報得知，該船在設計吃水2.7 m下，主機功率推進為2×2 240 kW時，無風無浪且考慮15%功率儲備、經減速器和軸系后，雙槳收到馬力Pd=3 808 kW，單槳收到功率Pd=1 904 kW，此時航速可預報為15.43 kn。

圖12　航速預報曲線

該船實船試航時吃水達2.9 m，主機功率發出85%時航速達15.2 kn。若是運用海軍系數法對試航吃水及排水量進行修正，可換算出實船吃水2.7 m時航速可達15.53 kn。

4結論

1) 鰭槽底線需向螺旋槳外側有效偏移，以便擴開鰭槽的進流瓶頸，使鰭槽內得到充分供流。

2) 需嚴格控制鰭槽頂線的走勢，使鰭頂線的縱向去流角需盡可能小，控制在15°以內為宜；鰭頂線的水平去流角需盡可能小，控制在10°以內為宜。

3) 需通過鰭槽內各水線、縱剖線的形態及去流角來有效控制和優化鰭槽形態，不允許出現較大的曲率特變及不光順區域。

參考文獻

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[4] 植家敏，徐俊紅.“深消一號”和“深消二號”消防船的設計特點和性能分析[J].船舶，2000(2)：23-26.

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[7] 呂續艦，朱建華，張耀誠.某消防船快速性模型試驗報告[R].武漢：華中科技大學船舶與海洋工程學院船模拖曳水池實驗室，2013.

Application of Double Cochlea-channeled Stem Lines Energy Saving Design in Fire-fighting Boats

PENG Bi-ye, WANG Xiao-hong, ZENG Qing-guo, HU Peng, CHEN Qiang, ZHOU Chun-feng

(Hubei Institute of Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

Abstract:The principal dimensions and coefficients of domestic fire-fighting boats are considered comprehensively, taking double cochlea-channeled stern into use of the practical ship design of Qingdao fire-fighting boat project. By lines design analysis and towing basin test of multi-plan to find the controlling points of stern lines design, it is shown that the double cochlea-channeled stem lines is an effective method to solve the problem of good matching of hull, machine and propeller for large fire-fighting boats. The built vessel's performance shows the success of use of double cochlea-channeled stem in large fire-fighting boats.

Key words:lines; speed and powering of ship; double cochlea-channeled stern; fire-fighting boats

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.012

收稿日期：2015-09-01

基金項目：湖北省科技支撐計劃項目(2014BAA034)

第一作者簡介：彭必業(1983—)，男，學士，工程師 E-mail:pengbiye@sina.com

中圖分類號：U662

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0050-05

修回日期：2015-09-29

研究方向:海洋工程船舶及特種船舶總體設計