全墊升氣墊船墊升系統風機性能模型試驗研究

習琪航，吳如坤

（海軍潛艇學院，山東 青島 266042）

全墊升氣墊船是一種能夠高速航行的特種船舶，最大航速可超過100 節，它可以克服大多數不利的環境航行，具有其他一般艦船無法比擬的優勢[1]。全墊升氣墊船之所以能夠具有這樣的優勢，是由于它有一套常規船舶不具備的系統——墊升系統。

在墊升系統中有專門使氣墊船能浮在接觸面上的墊升風機，其將產生的高壓氣流持續注入氣墊船底部的圍裙中，使氣墊船底部有一層薄薄的空氣層，船體不再與航行面接觸，通過船尾部的空氣螺旋槳提供推動力供船舶高速航行。氣墊船結特殊，功能優異，能夠適應多樣化的環境，非常適合海上兵力和補給的快速運輸，具有重要的經濟和軍事價值[2-3]。雖然國內外對氣墊船的研究都做了不少，但是全墊升氣墊船模型試驗中墊升系統的研究難度和工作量很大，國內相關的研究較少，很難滿足全墊升氣墊船模型試驗對墊升系統的相似性要求。本文基于相似性理論，針對全墊升氣墊船模型試驗中墊升系統的風機性能進行試驗，為進一步研究全墊升氣墊船模型試驗墊升系統的相似性問題提供一種可行性方案。

1 試驗條件

1.1 墊升風機相似性要求

墊升系統包括墊升風機、風道、圍裙三個部分，要進行風機性能模型試驗，模型風道要與實船風道滿足幾何尺寸和形狀的相似，即相似性要求。這樣模型風道內空氣流的流量和壓力與實船的大致相同，在雷諾數超過某一值時，風道在突擴部分的損失和彎頭部分的損失可看作與雷諾數無關。

墊升風機的性能特性曲線決定了氣墊船的飛升特性，根據氣墊船模型試驗的基本相似準則中的壓長比和流量系數相似，墊升風機應該滿足在風機工作區域附近的風機壓頭和流量無因次特性曲線相似。

風機總壓與墊升比：pf/pc=pfpb/pbpc，這個指標決定氣道效率。

1.2 墊升風機的選取

根據幾何相似，模型墊升風機的葉輪直徑可直接由縮尺比計算得到，實船所采用的風機葉輪直徑是2.5m，根據縮尺比計算出模型應選取葉輪直徑為125mm 的風機。但在實際過程中，因為氣墊船內部氣道空氣的雷諾數無法達到相似條件，再加上風扇的葉片形式、驅動軸形式、風道粘性也無法做到完全一致，模型中墊升風機的壓頭、流量與氣道效率都會偏低[4]。根據第16 屆ITTC 國際水池會議的建議，對風機轉速進行了必要的修正來滿足模型流量壓頭的相似性要求。采用穆迪公式模型與實船風機效率的關系1-ηm/1-ηs=λ0.2，式中下標是s、m 分別代表實船和模型，該式在最高效率點流量的±25%范圍內是比較正確的。為了解決由于雷諾數無法達到相似條件而引起的風機效率與氣道效率降低的問題，必須把模型風機轉速提高5%左右，即。同時，目前已有的試驗風機沒有葉輪直徑為125mm 的，若要滿足葉輪直徑完全按縮尺比計算得出的尺寸則需要定制，定制成本很高，生產制造時間較長，不太滿足經濟性要求。葉輪直徑太小也無法提供與實船相當的進氣量，因此我們采用現有的葉輪直徑為148mm 的風機進行試驗。

圖1 試驗所參照的裝置圖

本次模型試驗所依照的實船采用四個墊升風機將重約80 千克的船體墊起，每個墊升風機流量為250m3/s。風機葉輪直徑2.5m，轉速1285r/min。在前文已經說明了本次模型試驗會選擇現有葉輪直徑為148mm 的風機，而單個現有的風機條件無法滿足測試的工作條件，為進一步提高風機的全壓，可以采用將兩臺相同風機串聯的方式來實現。從理論上來說，兩臺風機串聯后的特性曲線相當于是一臺風機在相同體積流量時，將壓力提高兩倍。但實際上由于第一臺風機提供的氣流在第二臺風機處密度增大了，氣體體積流量會有所減少，風機性能特性曲線越平緩串聯的效果就越差。對于本次試驗來說，風機性能曲線在流量變化較大時，壓力的變化也較大，因此可采用將兩臺風機串聯的方式進行試驗[6]。

1.3 風機性能測試試驗裝置的選取

根據工業通風機標準化風道性能試驗中所提供的一些實驗裝置圖，選取出一個能固定住風筒且連接簡單的實驗總體裝置圖作為參照[7]。考慮到串聯風機的使用和測點的位置等因素，確定本次風機性能特性測試試驗的裝置圖和連接方式。

2 試驗設計與實施

先測試初始條件數值，即用密封膠帶封住所有開孔，待風機轉速穩定在5600r/min 附近，記錄此時的頻率和轉速，用風速儀和流量計測出此種情況下的壓力和流量，記錄在表格中。

將試驗變量依次設置為風機的轉速、風孔的位置、風孔的總面積（即風孔數量）和風孔的密集程度。每次控制單一變量，采用不同直徑的擋風板放置在風筒尾端，保證擋風板開孔圓心和風筒截面圓心在一條直線上。記錄每次試驗條件下的壓力和流量。

將所有實驗數據進行曲線繪制，挑選出誤差較大和存在異常的數據，重新測量這些數據并進行對比修正。

3 試驗數據對比分析

將試驗的所有數據進行歸類，可分為在相同開孔位置和面積下，轉速為4800、5200 和5600r/min 時的流量和壓力；在相同轉速和開孔面積下，不同區域內開孔時的流量和壓力；在相同轉速和開孔區域下，不同開孔面積時的流量和壓力。將各組數據整理繪制對應的風機特性曲線，探究其規律。

3.1 風機轉速對風機性能特性的影響

在相同排氣面積和區域情況下，對比數據探究風機轉速對風機性能特性曲線的影響。具體實施為在區域2 分別開兩圈孔，轉速設置成4800、5200 和5600r/min。

分析曲線圖可以發現，在開孔位置和開孔面積相同的情況下，風機轉速越大，在相同流量下壓力越大，曲線走勢也基本相同，但是風機轉速對有效工作區間的影響并不明顯，在轉速越大時，有效工作區間會稍大一點。

3.2 風孔位置對風機性能特性的影響

在風機轉速和相同排氣面積情況下，對比數據探究風孔位置對風機性能特性曲線的影響。具體實施為將轉速設置為4800r/min，三個區域分別開一圈孔。

分析發現，凡是進行開孔所測的數據，其有效工作區間都要比未進行開孔時的初始狀態下有效區間長。且在轉速相同時，無論在哪個區域開孔，開孔面積越大，其喘振區越小，有效工作區間越大。而在相同轉速和開孔面積的情況下，開孔位置離風機的距離對風機性能的影響并不明顯，它們的性能曲線走勢基本相同。

3.3 風孔面積對風機性能特性的影響

在開孔區域和風機轉速相同的情況下，對比數據探究不同排氣面積對風機性能特性曲線的影響。具體實施為將轉速設置為4800r/min，在區域1 分別開1、2和3 圈孔。

圖2 開孔面積相同區域2 處兩圈開孔時風機性能特性曲線圖

分析發現，在風機轉速和開孔位置相同的情況下，開孔面積越大，其喘振區越小，風機的有效工作區間越大，可調控的流量范圍越大。

4 結論

當流量增大時，壓力會有減小的趨勢，這符合流體力學中氣體流速越快壓力越小的規律。但當流量增大到一定程度后，壓力會出現增大的現象，之后再按符合流體力學規律的情況繼續減小。這種在一定范圍內流量增大壓力不降反升的現象被稱為喘振，喘振是因為氣流發生倒流，在整個過程中產生了周期性振動[8]。

在實際氣墊船墊升過程中，要避免喘振區的出現，若把所繪曲線壓力隨著流量增大，第二次減小的點默認為是喘振結束的點，之后壓力隨流量增大而減小的區間則完全符合流體力學的一般規律，我們把這個區間看作風機在對應轉速下的有效工作區間。分析性能曲線可以看出：

1.氣道的開孔面積對風機性能特性曲線中的喘振區和有效工作區的范圍有明顯的影響，開孔面積越大，有效工作區間越大，其他三個參數對曲線的喘振區和有效工作區基本沒有影響。

2.風機轉速對風機性能特性曲線中的相同流量時的壓力大小有較大影響，風機轉速越大，相同流量下的壓力越大。

3.風筒開孔位置、氣孔密集程度對風機性能特性曲線整體幾乎無影響，在所設置的幾種情況中所得到的曲線基本重合。

本次試驗以風機為研究對象，對氣墊船墊升系統的設計有一定參考作用，為進一步研究全墊升氣墊船模型試驗關鍵的墊升系統相似性問題提供思路和可行性方案。在實船設計過程中，風機為額定轉速下且氣孔位置確定時，可增大氣孔面積來提高有效工作區間的調控范圍。然而墊升系統還包括氣道和圍裙結構，從氣道結構優化和圍裙的材料特性等角度著手進行氣墊船模型墊升系統的研究，也是日后可以探究的方向。