新型穿浪船艏在單體高速艇上的應用研究

劉自浩，馬曉東，冷學華，劉 川

(江門市海星游艇制造有限公司，廣東 江門 529847)

0 引言

穿浪船作為一種高性能船型，因其在波浪中航行時具有良好的快速性與耐波性得到重現。目前，穿浪船型被越來越廣泛地應用于高速游艇、高速交通艇、高速商務艇、高速客船、軍用快艇等高速船領域。穿浪船型主要包括單體穿浪船型、雙體穿浪船型與多體穿浪船型。

常見的單體穿浪船型有如下幾種：以美國DDG 1000與ONR-TH船型為代表的內傾式船艏單體穿浪船型；美國開發的細長型高速單體穿浪船(Very Slender Vessel，VSV)；Transonic Hull Company (THC)開發的超臨界船型(Transonic Hull，TH)；Van diepen 設計的一種平面穿浪船艏以及Ulstein 開發的X-Bow船艏等。各種不同的單體穿浪船型均可不同程度地降低波浪中航行的砰擊，獲得波浪中優異的快速性與適航性。

在新型高速艇及穿浪船研究方面，魏成柱等通過融合穿浪船型、深V船型、滑行(半滑行)船型的船型特征，開發了新概念高速穿梭艇系列船型，取得良好的快速性、耐波性和良好的航行姿態，并兼顧船體的隱身特性。蔡新功等在深V和圓舭船型艇底艏部加裝一個流線型半潛體和一對倒三角翼組成的組合附體，形成一種新型單體復合船型，模型試驗和實船測試表明該新型復合船型明顯減小了高海情下航行時的縱向運動。

本文以某100噸級海上高速客船為研究對象，將普通傾斜船艏船型與加裝穿浪船艏船型進行靜水阻力模型試驗對比優選，并將新型穿浪船型應用于實船，測試加裝穿浪船艏船型的快速性能。

1 型線設計

1.1 設計要求

100噸級海上高速客船為接待高端客戶的豪華商務客船，要求具有良好的快速性、耐波性、穩性及舒適性能。該船主要參數如下：總長33.80 m，型寬6.00 m，型深2.55 m，吃水1.38 m，滿載排水量約110 t，主機功率≤735 kW×2，設計航速≥20 kn，抗風等級8級。

1.2 船型分析

(1)整個船體比較瘦長，船長船寬較大。為了減少高速狀態下的剩余阻力，其方形系數一般較小。

(2)艇體剖面形狀一般取圓舭或V型剖面，或為兼顧快速性與耐波性的要求，取艏部V型，中后部逐漸過渡為U型的船體型線。

(3)艉部形狀均采用方艉。

1.3 新船型應用

設計目標船型需要滿足20 kn設計航速、8級風抗風和遠海航行的穩性要求。在設計船體型線時，在不改變總長與船寬的情況下，同時在保證航速、穩性和抗風能力的情況下，還應選擇盡量小的主機功率，以降低油耗及提高船舶營運的經濟性能。

通過多種船型的對比研究發現，近幾年出現了一種新型單體穿浪船型，其特點是吸收了雙體穿浪船單個片體穿浪船艏的優點，在普通單體高速船艏部加裝一個穿浪船艏。目前該船型已在意大利AZIMUT 35 m游艇上成熟應用。

為了研究該新型單體穿浪船型與普通傾斜船型之間的性能差異，本文對比2種船型進行研究。普通船型A采用常用的傾斜船艏、圓舭、方艉船型，穿浪船型B在船型A的基礎上，保持其他特性不變，在艏部加裝一個新型穿浪船艏，該穿浪船艏形狀從雙體穿浪船穿浪艏演變而來，是一種類似于球鼻艏，水線以下為深V型結構，整體為菱形船體首部撞角式凸出結構。

普通船型A與穿浪船型B型線對比見圖1。

圖1 穿浪船艏與普通船艏型線對比(數字為型線站號)

2 模型試驗與預報

為研究新型穿浪船艏對阻力性能的影響并進行船型優選，對普通船型A與穿浪船型B進行靜水模型阻力試驗對比。試驗模型均采用尺度比=11的玻璃鋼模，船模試驗均在不加裝任何附體的情況下進行。普通船型A與穿浪船型B模型主要參數見表1，形狀見圖2。

表1 試驗模型參數表

本次模型阻力試驗航速為12～25 kn，對應船模速度為1.861～3.877 m/s。

圖2 普通船型A與穿浪船型B船艏形狀對比圖

普通船型A與穿浪船型B模型在設計狀態(滿載，20 kn)時船艏波形見圖3。從圖中發現，穿浪船型B相對普通船型A產生的艏部飛濺浪花較小。

圖3 模型艏部波形對比圖

模型阻力試驗結果采用二因次法進行換算，得到實船有效功率預報與剩余阻力系數對比分別見圖4和圖5。從圖4中可以看出，穿浪船型B的實船有效功率相比普通船型A在低速階段沒有明顯改善，但在高速階段明顯降低，降幅達到6%～9%。由于兩船濕表面積相差不大，摩擦阻力影響較小，從圖5可以看出穿浪船型B剩余阻力系數比普通船型A有明顯降低，說明興波阻力降低較大。從模型試驗艏部波形圖也可看出穿浪船型B艏部飛濺與興波均比普通船型A較小。

3 實船應用與試航結果

根據模型試驗結果，在光體20 kn狀態下，普通船型A的預報有效功率為837 kW，穿浪船型B的預報有效功率為756 kW。實船設計采用穿浪船型B，并采用KT38-M主機2臺：單臺主機額定功率為671 kW，額定轉速為1 800 r/min。

圖4 實船有效功率預報對比

圖5 剩余阻力系數對比

實船建造完畢后，在滿載狀態(110 t)下進行航速測試，得到實船航速測試曲線，見圖6。

圖6 實船航速測試曲線

實船航速測試結果表明：在滿載狀態及主機額定轉速(1 800 r/min)情況下，實船順水最大航速為22.1 kn，逆水最大航速為18.7 kn，平均最大航速達到20.4 kn，高于設計要求，取得良好的設計結果，說明該穿浪船艏船型的應用是成功的。

4 結論

(1)該穿浪船艏在總長、型寬、排水量確定的情況下，有效增加設計水線長度，并大大減小了進流角，使得其在中小浪中航行時可以順利穿浪而過。

(2)由于中間船體斜升角較大，兩者互相配合，可減小艏部砰擊。

(3)在大浪中航行時，穿浪船艏增加的艏部浮力可防止船艏過于陷入波濤中，減輕埋艏、甲板上浪和鉆浪前行等現象。

(4)新型穿浪船艏使得船舶在高速階段的興波阻力降低，取得了明顯的減阻效果。經實船測試后其航速達到并高于設計要求。

(5)該船型可應用于高速客船、高速交通艇、高速執法艇、高速游艇等航速較高的過渡型快艇。