13 m鋁合金高速快艇的設(shè)計與研究

張 文

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212009)

13 m鋁合金高速快艇的設(shè)計與研究

張 文

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212009)

針對13 m鋁合金高速快艇特殊的作業(yè)特點及其復(fù)雜的作業(yè)水域條件，除了從控制重量即全船采用鋁合金結(jié)構(gòu)外，推進(jìn)方式的選擇也是本船著重考慮的環(huán)節(jié)。介紹了該鋁合金快艇的船長、船寬、吃水等主要技術(shù)參數(shù)確定的思路以及總體布置情況，為提高船舶性能對船舶推進(jìn)方式、線型、快速性等進(jìn)行了分析，按照規(guī)范要求對船舶材料、船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選取，對舾裝設(shè)備進(jìn)行了配備，并進(jìn)行了船模試驗。經(jīng)試航，實船技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

鋁合金艇;高速船;噴水推進(jìn);船舶設(shè)計

0 引言

13 m鋁合金高速快艇作業(yè)于長江上游宜賓合江門至湖北鳊魚溪河段，作業(yè)水域具有航道水淺、水流湍急等特點，本船的設(shè)計原則是如何使該船合理有效地完成航道測量作業(yè)任務(wù)。因此，如何優(yōu)化船舶主尺度滿足服務(wù)水域全河道測量的要求，提高船舶性能和設(shè)備配置滿足急流航段的特殊要求，以及滿足船舶作業(yè)性能等各項要求成為本船的設(shè)計核心。圍繞上述要求進(jìn)行了大量的分析和研究，最終確定本船為全鋁合金結(jié)構(gòu)、雙臺柴油機(jī)噴水推進(jìn)的高速快艇。

1 主要技術(shù)參數(shù)及選取

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

總長 13.06 m

水線長 11.0 m

型寬 3.60 m

型深 1.60 m

設(shè)計吃水 0.75 m

主機(jī)型號 VOLVO D7C TA

主機(jī)功率×臺數(shù) 1 66 kW×2臺

主機(jī)轉(zhuǎn)速 2 300 r/min

噴泵DOEN DJ110

設(shè)計航速 33.0 km/h

航區(qū) B級

1.2主要參數(shù)的選擇

1.2.1 船長L的選擇

(1)船舶使用要求角度:本船用于長江上游航道受限水域的航道測量，根據(jù)分析結(jié)果，船長應(yīng)不大于14.8 m，并且船長越小越好，能在受限水域靈活掉頭，提高測量效率和船舶安全。

(2)船舶布置角度:為了保護(hù)船尾噴水推進(jìn)裝置，假尾最小長度0.9 m，滿足布置的機(jī)艙最小長度4.05 m、工作間長度5.4 m要求;同時考慮船舶外觀造型的美觀及規(guī)范要求等因素，實際選取船舶總長為13.06 m，水線長為11.0 m。

(3)快速性角度:影響船舶快速性最重要的2個參數(shù)是體積長度比C?和長度傅氏數(shù)Fn。根據(jù)荷蘭水池試驗快艇的結(jié)果顯示，剩余阻力系數(shù)CR隨C?增加而急劇增大，因此設(shè)計時應(yīng)特別注意減輕艇體的重量。傅氏數(shù)Fn=0.5附近會出現(xiàn)剩余阻力峰，設(shè)計時應(yīng)盡量避免在此傅氏數(shù)附近。

本船水線長為11.0 m，航速在30 km/h時的長度傅氏數(shù)Fn=0.802，阻力處于“谷”區(qū)，避免了阻力“峰”值。

1.2.2 船寬B的選擇

本船的船寬主要根據(jù)艙室布置、穩(wěn)性以及風(fēng)浪中的適航性能要求選擇確定。船寬過大會導(dǎo)致寬度吃水比很大，濕表面積增加而引起阻力增加;船寬過大還會引起初穩(wěn)性值過大而橫搖周期減小，船舶舒適度降低。設(shè)計時選擇B=3.6 m，既滿足布置要求，穩(wěn)性也滿足法規(guī)要求。

1.2.3 吃水d的選擇

由分析可知，本船用于長江上游航道受限水域的航道測量，吃水受到限制，不大于0.8 m。在排水量、船長、船寬已確定的情況下，吃水取0.75 m，滿足限制吃水的要求。此類快艇的方形系數(shù)大多在0.40～0.45 范圍內(nèi)，本船為 0.439，在正常范圍內(nèi)。

綜上分析可知，本船選擇總長13.06 m，水線長11.0 m，船寬3.6 m，吃水0.75 m。

2 總體布置

本船主甲板以上設(shè)單層甲板室，可以減小上層建筑側(cè)投影面積，提高船舶在風(fēng)浪環(huán)境下的適航性能，改善船舶的穩(wěn)性，提高船舶的安全性能。具體布置如圖1所示。

3 船舶性能

3.1 推進(jìn)方式

由于本船航速要求大于30 km/h，主機(jī)功率較大，如果選用常規(guī)螺旋槳推進(jìn)，吃水較小限制了螺旋槳直徑，推進(jìn)效率較低;另外，船舶尺度較小，線型很難處理，機(jī)艙和軸系布置困難，故采用了噴水推進(jìn)方式。噴水推進(jìn)特別適用于淺吃水，操縱極為靈活，調(diào)整倒車斗和噴嘴角度，可原地調(diào)頭、側(cè)移等。

圖1 13 m鋁合金高速快艇總布置圖

3.2 線型

為提高和改善高速航行狀態(tài)的適航性，本船中前部采用圓舭線型，后部采用折角線型，能有效增大橫搖阻尼，減小橫搖角度。

3.3 快速性

本船在滿載設(shè)計吃水，風(fēng)力不超過蒲氏2級，主機(jī)功率為100%M.C.R，船殼清潔，靜深水水域狀態(tài)下，單船自由試航速度為33.0 km/h。

4 船舶材料及結(jié)構(gòu)

4.1 船舶材料的選擇

如前所述，體積長度比C?對阻力影響很大，因此減輕重量對排水量快艇特別重要。選用輕型設(shè)備，采用鋁合金或玻璃鋼作為船體和甲板室材料都是改善排水量艇快速性的有效措施。玻璃鋼船舶具有制造工藝簡單、成形好、造價低等優(yōu)點，但其缺點是易老化，耐磨性、抗撞擊性能較差。玻璃鋼船的缺點恰好是鋁合金船的優(yōu)點，并且鋁合金船成形工藝、焊接技術(shù)也很成熟。由于本船在受限水域進(jìn)行航道測量作業(yè)時碰撞、擦底是不可避免的，船體材料耐磨性、抗撞擊性能要好，因此全船選用鋁合金材料。

4.2 船體結(jié)構(gòu)

本船結(jié)構(gòu)按《內(nèi)河高速船入級與建造規(guī)范》(2012)對B級航區(qū)、J2級航段船舶要求進(jìn)行設(shè)計。主船體結(jié)構(gòu)形式為縱骨架式，主船體及甲板室板材采用5083-H321鋁合金，型材采用6082-T6鋁合金。

5 舾裝及其他

5.1 錨泊設(shè)備

本船根據(jù)舾裝數(shù)選配1只25 kg不銹鋼快艇錨和長度30 m直徑Φ16 mm的錦綸繩作錨索。

5.2 艙室的隔音隔熱及減振降噪

本船艙室圍壁、頂棚內(nèi)采用陶瓷棉隔熱;主機(jī)座部位及機(jī)艙前壁敷設(shè)T60型艦船用阻尼涂料，以減輕振動。

5.3 護(hù)舷

根據(jù)本船工作環(huán)境，本船沿主甲板邊線設(shè)1道聚氨酯護(hù)舷以緩沖碰撞。

5.4 安全措施

本船設(shè)計除了滿足法規(guī)對高速船穩(wěn)性的要求外，還在工作間地板下填充發(fā)泡劑，減少破艙時的浸水深度，提高船舶的抗沉性。

6 船模試驗

為準(zhǔn)確預(yù)報實船阻力，檢驗設(shè)計航速等指標(biāo)，委托武漢理工大學(xué)根據(jù)船型及該船的性能資料等技術(shù)文件，制作了船模，進(jìn)行了阻力試驗。試驗結(jié)果及航速預(yù)估如下:

(1)測試數(shù)據(jù)分析表明，測試結(jié)果的規(guī)律性較好。

(2)分析數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象可得如下幾點結(jié)論:

①船舶光體時，尾傾嚴(yán)重，首部噴濺較大，阻力較大;

②安裝垂直尾板后，尾傾得到較大改善，首部噴濺減小，船舶總阻力大為減小，垂直尾板效果非常明顯，故實艇尾部垂直板底線下垂15 mm。

(3)航速預(yù)估:主機(jī)功率為2臺×166 kW，在滿載(尾封板下垂15 mm)時，額定轉(zhuǎn)速下，航速可達(dá)33.0 km，達(dá)到設(shè)計預(yù)期效果。

7 結(jié)語

該型高速艇已進(jìn)行了批量建造，船舶完工后先后進(jìn)行了傾斜試驗、系泊試驗、航行試驗，船舶浮態(tài)良好，實船技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到或超過最初的設(shè)計要求，船體制作、內(nèi)部裝飾、機(jī)電設(shè)備的安裝等均達(dá)到預(yù)期效果，得到了船東的充分肯定。

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U662.2

A

2014-12-20

張文(1979—)，男，工程師，從事船舶設(shè)計研究工作。