对滑行艇设计的几点思考汪建午　柯建平摘　要　介绍了滑行艇的阻力及其计算,提出了一种简单而又行之有效的计算方法。

分析了滑行艇诸要素对其快速性及适航性的影响。

对613m 滑行艇的设计进行了简要分析。

关键词　滑行艇　快速性　适航性 滑行艇是指体积傅氏数Fn >3、艇体重量主要由水动升力支持的高速船。

滑行艇具有良好的阻力性能、较高的航速、成本造价低等优点,是沿海旅游船、短途客渡艇、交通艇等理想的交通工具。

优良的快速性、适航性是滑行艇设计的关键问题。

1　滑行艇的阻力分析与计算滑行艇在Fn >3以后的航行状态表明,滑行艇由于受艇底水动力升力的作用,将艇体抬出水面,艇的重量主要由水动力支持,而水线下的排水量支持艇体重量的一小部分,所以滑行艇阻力成分不同于排水型过渡艇。

根据滑行艇的阻力理论,滑行艇的总阻力R T=Δ・tg τ+R f ,其中Δ・tgτ为剩余阻力,包含兴波阻力和飞溅阻力两大阻力成分,Δ为排水量,τ为滑行状态下的纵倾角,R f 为摩擦阻力,这一理论是平板滑行理论的延伸。

第18届国际船模试验池会议提出:滑行艇在滑行状态下的裸船体阻力表达式为R Th =Δ・tg τ+R f +R S pf ,其中R S pf 是考虑由于须状飞溅的湿面积所引起的摩擦阻力。

作者认为以上阻力表达式在计算过程中有一定的难度和局限性。

具体表现在:①艇在滑行状态下纵倾角受艇的线型、重量、重心和不同的航速而变化,由于流体水动力升力作用于艇底复杂的曲面,因而很难准确地计算出其纵倾角。

②艇体的湿面积和飞溅湿面积受航行状态和航速等的影响,同样也很难准确地计算。

③在高速滑行状态下,受水动力作用的影响,粘压阻力不容被忽略。

我们在这里介绍日本造船协会通过船模试验得作者单位:汪建午、柯建平———海军第4807厂(355011)。

收稿日期:2001-06-25出的一种简便而行之有效的计算方法。

这种计算方法的裸船体阻力表达式为R T =C ・Δ・g ,其中C 为总阻力系数,由试验图谱求得,详见图1,Δ为排水量,g 为重力加速度。

从图谱中知:总阻力系数与排水量、体积傅氏数Fn ,艇艉的斜升角βt 及从艉至重心的距离L G 有关。

在设计中,Δ、βt 、L G 皆已知,通过假定不同的航速V 可得出不同的体积傅氏数Fn ,利用线性插值法可求得不同航速下艇的裸船体阻力R T 。

在实船阻力计算中,考虑到空气及附体阻力还应在R T 的基础上增加8%～10%余量,进而求得相应的有效功率和一定的主机功率下艇的航速。

图1　日本造船协会滑行艇阻力计算图谱2　滑行艇诸要素对艇快速性、适航性的影响211　艇体重量与艇体结构艇体排水量Δ对阻力最为敏感,滑行艇的阻力中剩余阻力Δ・tg τ占80%左右。

相同条件下,随着 J S 2001-4-02 江苏船舶J IAN GSU SHIP 第18卷　第4期 5Δ的增大,剩余阻力成正比加大,而体积傅氏数相对减小,艇被推迟进入滑行状态。

同样的航速下,湿面积增大,导致摩擦阻力增加,两方面的阻力增加,使艇的阻力性能急剧恶化。

因此在设计时,装载一定的情况下,减轻艇体自身重量可达到减少艇排水量的目的。

现在滑行艇在制造时,大多采用玻璃钢、铝合金等轻型材料。

在结构设计中,采用混合结构型式,细化板格,从而使外板减薄来减轻艇重。

同时由于艇体结构板格的减小,增加了纵横方向的结构强度,使艇在滑行状态下艇体变形较小,确保水动力性能和航态的稳定。

212　艇体滑行的纵倾角滑行艇滑行状态下的纵倾角,直接影响其剩余阻力的大小。

随着纵倾角的加大,飞溅阻力特别是艉部“鸡尾流”现象愈加严重。

但由于纵倾加大,减少了艇体的湿面体,从而摩擦阻力相对减小。

因此在一定的排水量和航速下,必有一个最佳的航行纵倾角使总阻力达到最小值。

但纵倾角过大,会导致船舶航行稳定性变坏,船在波浪中航行,船舶的汹涛拍击加剧,造成船体前后上下摇摆升沉运动,使乘员不适。

可以通过艇型的线型变化、重心位置的调节、艇宽、增设折角线及压浪条等改变纵倾角,但最为有效的方法是改变螺旋桨与船体基线的夹角,特别是舷外机或舷内舷外机更为方便,也可以在艇艉增设一定长度与基线平行或微倾斜的压浪板来实现纵倾角的变化。

213　艇体主尺度艇体宽度对滑行艇阻力影响较为明显,滑行艇为获得较大的流体动力必须提高艇体的展舷比,因此选择较小的长宽比L/B,不仅提高升力系数,而且湿面积也随之减小,对阻力性能是有利的。

但过多地减小L/B,在设计排水量和重心位置一定的情况下,滑行时引起艇体纵倾角的变化敏感,导致阻力性能、航向稳定性、适航性等不利,一般L/B在2～7之间为宜,根据不同的设计要求选定。

214　艇体的重心位置滑行艇重心纵向位置的改变会引起航行纵倾角的变化,导致阻力有所改变。

一般将艇体重心适当后移增加纵倾,能使阻力下降,重心过前是不利的。

一般当重心在滑行面积的形心后面4%～8%L时有较好的阻力性能,但实践证明当移至12%L时阻力曲线峰值会很大,因此在滑行艇设计中应当考虑艇体的重量、重心分布得当,综合考虑机舱、油水舱及相关舱室的布置,使得在滑行时获得预期的纵倾状态。

215　滑行艇的线型设计一般而言,滑行艇采用带有明显折角的V型剖面,即具有一定横向斜升角的剖面。

早期的滑行艇,艇首的斜升角在60°左右。

为减小汹涛中航行时的拍击,艇首还出现过带外飘的V型,斜升角更大,而从中部向艉逐渐过渡到趋于0°。

我国早期鱼雷快艇就是一例。

虽然艇艉的斜升角减小有利于提高水动力性能,使阻力减小,但也带来其它方面的影响。

具体表现在:①艇艏的斜升角较大,在波浪中航行易出现“叩首”现象,即艇体纵向摇摆敏感,导致航行的纵倾角时大时小,适航性较差,同时也产生不稳定的伴流,引起波浪失速。

②由于艇艉斜升角趋向0°,艇体线型过渡时龙骨线从中部至尾部必须要有一定纵向向上的斜升,根据平板滑行的理论,其航向稳定性较差。

因此这种艇型只能适合在风浪较小的内河中使用。

现代滑行艇特别是海上滑行艇在设计方面作了许多改进:①艇首线型出现微凸的V型剖面,由于在滑行初期,艇体的阻力较大,要使艇体产生一定纵倾角,而增加升力系数,必须提高艇首的升力,使艇体提前进入滑行状态。

由于艇首在滑行后抬出水面,对阻力的影响不明显,而对航行中的“叩首”现象则大为改善。

②艇中部至艉部采用深V型剖面,虽然斜升角较大,使阻力加大较明显,但航向稳定性及艇的纵向摇摆明显改善,使船身效率及推进效率提高,同时适航性较好,减少旅客颠簸疲劳感。

③由于采用深V型剖面,使阻力加大,为了克服这一矛盾,在设计中艇底设多条与纵剖线相一致的压浪条,在舷侧与艇体折角线处设置较宽的压浪板,减少流体动力的损失,也对减少飞溅有明显效果,使阻力性能得到恢复和提高。

3　613m滑行艇设计分析613m滑行艇是我厂为福州渔港监督处设计并建造的一艘玻璃钢渔政船,该船的主要量度如下:总长613m设计水线长5152m型宽212m型深110m设计吃水0145m排水量2151t设计航速30kn　6 船舶设计与研究 汪建午等 对滑行艇设计的几点思考图2　613m滑行艇总布置图 在方案设计阶段,我们利用日本造船协会提供的阻力图谱,对该船的阻力进行估计,如表1所示。

计算中,该船L G/ 13=1.5,βt=16°,R T=C・Δ・g,PE=1.08R T/1000。

根据任务书的要求,设计航速选定为V=32kn,确定此时匹配的主机功率。

要求的主机功率P=P E/((1-10%)・η・η0)其中10%为功率储备,η为传递效率,η= 0.97,推进效率η0=0.6,则P=90.51/(0.9×0.97×0.6)=172.8kW 船舶设计与研究 汪建午等 对滑行艇设计的几点思考 7　主机采用瑞典VOLOV 公司生产的180kW ×3800r/min 的带对转螺旋桨的舷内舷外机。

表1　613m 滑行艇阻力计算航速V (kn )1414151431614617149Fn 319541234152418C1851932072161108R T (N )4915512754995579P E (kW )70178791119015197158 考虑到该艇在三级海况下要求正常航行,故在艇型设计中作了如下的考虑:①艇首采用微凸的V 型剖面;②从艇中至艉采用深V 型剖面;③艉部斜升角取16°;④艇底每舷增设三条压浪条;⑤折角线处每舷加设80mm 宽的压浪板。

经设计并建造,该船现已完工。

在满载情况下,我们通过GPS 进行各转速下的测速,结果见表2。

表2　不同转速时的航速N (r/min )2600300036003800V (kn )2517271233103417 在额定转速N =3800r/min 时,航速V =34.7kn 。

我们在试航中发现,该船受波浪影响较小,特别是距艏013L ～014L 区域的飞溅小,航行状况稳定。

艉流平直推移,在航速V >22kn 以后未出现“鸡尾波”。

在满舵回转时,船体横倾不到10°,各方面性能达到设计的要求,深受用户的好评。

该船的总布置见图2,型线图见图3。

4　结束语结合滑行艇的各种特征,根据不同的设计要求,必须考虑其快速性、适航性和操纵性能之间的联系,优化线型设计。

同时,对布置要求合理得当,使艇的重心与线型设计相协调,使各方面性能得到有机的统一,才能设计出优良的艇型。

图3　613m 滑行艇型线图　8　船舶设计与研究 汪建午等 对滑行艇设计的几点思考J IAN GSU SHIPV ol.18,No.4(Serial 84),August 2001(Bimonthly)TRANSACTIONS OF JIANG SU PROVINCIAL SOCIETY OF NAVAL ARCHITECTURE AN D MARINE ENGINEERINGCONTENTSJS 200124201　A noticeable 12,300t R O/R O shipL i u J un ,Zhang Huaif a (1)…………………………… 12,300t RO/RO ship is disti nguished by ship 2ow ner as a f ut uramic ex port ship with 21cent ury advanced stage.The ship is with special char 2acteristics such as highspeed ,automatiz ation and heavy 2duty.It is the representation of modern technique and f lexible design i dea and with obvious 2ly look 2ahead consciousness.Not only can this ship be used f or civil ,but also the military use val ue is com paratively evi dent.The market prospectgof this ki nd of shi p is quite bullish.JS 200124202　Several considerations on the design of planing boat W ang Jianw u ,Ke Jianpi ng (5)……… In this paper ,the resistance and its calculation of plani ng boat is i nt roduced.A si m ple and ef f ective calculation method is put f orw ard.Thei nf l uence of various parameters of plani ng boat on rapi dity and navigability is also analyzed.Fi nally ,a brief analysis is hel d on the design of a6.3m plani ng boat.JS 200124203　Overall system design on a 51,500DWT bulk cargo shipTang Yonghong (9)……………… The general sit uation ,general arrangement ,li nes and st ruct ures ,st ruct ure design ,machi ne and elect ricity set ,characteristics of each systemand general perf ormances on a 51,150DWT bulk cargo ship are i nt roduced brief ly.JS 200124204　Optimizing ship maintenance plans based on analytic hierarchy process methodY u Yi ,L i u Hong ,R uan Jihua (14)……………………………………………………………………………………… Draf ti ng ship mai ntenance plan is a very i m portant item duri ng the ship mai ntenance admi nist ration.The basic pri nciple of draf ti ng plan with analytic hierarchy process method ,general procedures of const ructio the hierarchy process analytical model f or ship mai ntenance plan and com 2puti ng problems duri ng sorti with hierarchy process analytical model have been i nt roduced.JS 200124205　Analysis and treatment on a typical defect of bulkhead of one bulk cargo ship L uo Yi xi n (17)…………………………………………………………………………………………………………………JS 200124206　The system of monitoring and alarm used for marine diesel engine W ang Genf a ,W u L isong (19)……………………………………………………………………………………………………………JS 200124207　A discussion on cables laying of oil tanker L i Y ue (22)………………………………………JS 200124208　The current situation and prospect of computer lofting Guan Yif eng ,Zhang Pi ng ,L i Xiaoli n ,W u Wei (25)……………………………………………………………………………………………JS 200124209　An analysis on the application prospects of integrated system for 3D ship construction used in medium and minitype shipyards Zhou Y anhong ,L iao Chaoyang (30)…………………………………………JS 200124210　An application of EXCE L on account books of painting dressing technology W ang Zhu (33)……………………………………………………………………………………………………………………JS 200124211　An elementary discussion on the f irproof ing inspection for inland minitype oil tanker Tian L i uqun (36)………………………………………………………………………………………………………JS 200124212　Striving for ship enterprise being listed ,developing Jiangsu ship industry Tao Yonghong (38)………………………………………………………………………………………………………………JS 200124213　The application prospects of refrigeratory assembled by horniness polyurethane aerated plastics on the ship Y u Q uanhu (41)………………………………………………………………………………………Director :W ang R enningSponsor :JPSNAME and Ship Design &R esearch Institute of Jiangsu Province Publisher :The Editorial Board of JIANG SU SHIP Published on August 31,2001Chief Editor :Dai XueliangAddress :39Zhengdong R oad ,Zhenjiang ,Jiangsu Province ,China 212003T el :86251124422493 F ax :86251124424389E 2mail :jsship @Printed by :Press H ouse of Jiangsu Science &T echnology U niversityChinese Standard Journal Code No :ISSN 1001-5388CN 32-1230/UAd Business License No :3211005000051Journal Subscription Price :RMB 6.00yuan/each copy。