25 m疏航艇船型分析

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(jì)有限公司，浙江嘉興314001）

0 引言

為適應(yīng)航道等級(jí)提升后的船舶疏航及搶險(xiǎn)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(hù)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(shí)施疏航及搶險(xiǎn)作業(yè)的能力。

按照設(shè)計(jì)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(xiǎn)船舶脫離急流險(xiǎn)灘。

同時(shí)，本船總費(fèi)用（設(shè)計(jì)和建造）應(yīng)控制在300萬元以內(nèi)。

實(shí)船建成后，歷經(jīng)幾年來的營(yíng)運(yùn)實(shí)踐表明，該艇全面滿足了上述的任務(wù)要求，實(shí)是一種集疏航與拖帶等多種功能于一體的實(shí)用經(jīng)濟(jì)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(jìn)動(dòng)力設(shè)備的選定及其配套的推進(jìn)裝置的選取等均為合理。作為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本文對(duì)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(yùn)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(zhǎng)度決定了船舶按既定航速航行時(shí)所相應(yīng)的長(zhǎng)度傅氏數(shù)FNL，進(jìn)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(dòng)力學(xué)》[2]所闡明的基本概念，當(dāng)船舶的長(zhǎng)度傅氏數(shù)FNL＜0.4時(shí)，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(zhǎng)度傅氏數(shù)FNL≥0.4時(shí)，船舶則處于過渡型高速排水量艇的航行狀態(tài)。此時(shí)，要求船舶在航行時(shí)能在艇底產(chǎn)生一部分流體動(dòng)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(duì)應(yīng)的傅氏數(shù)及所對(duì)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(jìn)行小艇設(shè)計(jì)，為了在艇底產(chǎn)生流體動(dòng)升力，對(duì)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(jìn)而影響到螺旋槳的推進(jìn)效率及其系柱與拖帶特性。

自由航速的提高會(huì)引起航行阻力的激增。若按普通的排水量型船舶進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般可按愛爾氏法進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，一般采用通過回歸分析所建立的的計(jì)算方法[2]進(jìn)行船舶阻力和船體有效功率的估算。表3和表4是針對(duì)前述的船型尺度系數(shù)要素分別按這2種計(jì)算方法求得的相應(yīng)于2種航行狀態(tài)的船舶阻力。計(jì)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(xiǎn)灘。當(dāng)船舶逆水上行時(shí)，船舶會(huì)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(jì)算結(jié)果

比降阻力即為船體重量在其運(yùn)動(dòng)方向上的分量。假定水面比降為3‰，計(jì)算求得其比降阻力，進(jìn)而計(jì)算得其逆流航行時(shí)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(jì)算結(jié)果見4。

表4 過渡型高速艇航行狀態(tài)阻力計(jì)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(duì)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(shí)的總阻力增大至原先的2.13倍，此時(shí)須大幅增加所需匹配的主機(jī)功率，經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。對(duì)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(jì)實(shí)用的。

2 對(duì)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(dá)到100 kN以上，可以滿足在夜間或霧天等惡劣海況對(duì)遇險(xiǎn)船舶下實(shí)施疏航及搶險(xiǎn)作業(yè)的要求。

另外，該艇尚需具備在急流險(xiǎn)灘的情況下，拖曳遇險(xiǎn)的50 m貨船或800 t貨船上水脫離急流險(xiǎn)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(xiǎn)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(shí)的阻力增加。

3 推進(jìn)動(dòng)力設(shè)備和導(dǎo)管推進(jìn)裝置的優(yōu)選

3.1 推進(jìn)動(dòng)力設(shè)備

按照前述的綜合需求，選定本艇所使用的推進(jìn)主機(jī)及配套減速齒輪箱為：主機(jī)2臺(tái)，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(jìn)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(xiǎn)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(cè)點(diǎn)的水溫監(jiān)測(cè)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(xiǎn)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(cè)點(diǎn)蘭江大橋下游800 m測(cè)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(jìn)裝置。利用文獻(xiàn)[3]給出的導(dǎo)管螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了該艇導(dǎo)管槳的設(shè)計(jì)計(jì)算。

表5 蘭溪水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)蘭江大橋下游800 m 平均流速表

為配合采用此種推進(jìn)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(shí)，考慮到本船的尾部空間有限，該艇采用了長(zhǎng)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(xiǎn)灘中脫離貨船的綜合要求，經(jīng)探索計(jì)算，決定按14.5 km/h的設(shè)計(jì)航速進(jìn)行該艇的導(dǎo)管螺旋槳設(shè)計(jì)，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(jìn)行了在系列航速下的導(dǎo)管槳的推力計(jì)算，計(jì)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(dá)到了對(duì)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(diǎn)可得25 m艇的自由航速為：Vmax＝20.7 km/h，達(dá)到了對(duì)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(diǎn)，可得2型被拖船舶上灘時(shí)的對(duì)水航速，減去10.8 km/h的水流速度，即可獲得被拖船上灘時(shí)的對(duì)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(bào)

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(xiǎn)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(jìn)性能。

2）該艇采用雙機(jī)推進(jìn)動(dòng)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(jìn)裝置，其自由航速可達(dá)20.7 km/h，系住拉力達(dá)128 kN；同時(shí)，在考慮3 m/s的水流速度和3‰的水面比降的急流灘險(xiǎn)條件下，2型被拖貨船的上灘對(duì)岸航速均可達(dá)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(shí)用經(jīng)濟(jì)的多功能小艇，值得相關(guān)航管部門在研發(fā)時(shí)借鑒參考。