雙內(nèi)旋鰭艉節(jié)能船型在消防船設(shè)計的實船運用

彭必業(yè)，王小紅，曾慶國，胡　鵬，陳　強，周春峰

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

雙內(nèi)旋鰭艉節(jié)能船型在消防船設(shè)計的實船運用

彭必業(yè)，王小紅，曾慶國，胡鵬，陳強，周春峰

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

摘要：綜合分析國內(nèi)現(xiàn)有主流消防船的主尺度、船型參數(shù)，將雙內(nèi)旋鰭艉節(jié)能船型運用于青島公安局消防船的實船項目，通過多方案型線優(yōu)化設(shè)計，并開展快速性試驗研究，獲得該類艉型的設(shè)計要點。雙內(nèi)旋鰭艉節(jié)能船型是解決大型化消防船船、機、槳較佳配合難題的有效途徑。實船試驗表明，該船型在大型消防船上的設(shè)計運用是可行的。

關(guān)鍵詞：線型；快速性；雙內(nèi)旋鰭艉；消防船

消防船是專用于水上消防作業(yè)的船舶通稱，按照作業(yè)區(qū)域可分為內(nèi)河消防和海上消防兩大類，配備有專業(yè)的對外消防設(shè)備，要求具備高速、機動的船舶性能，從而滿足快速抵達(dá)失事現(xiàn)場、靈活應(yīng)變火勢變化的使用要求。隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展，沿海及內(nèi)河航道船舶交通頻繁，沿岸建筑、港口碼頭、油庫氣庫等重要設(shè)施不斷建成并投入使用，消防船作為港口、航道消防安全的重要保障工具，越來越受到人們重視[1]?；谇鄭u公安消防船實船項目，在全面分析國內(nèi)同類船型特征、發(fā)展趨勢和設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，運用武船專利船型技術(shù)——雙內(nèi)旋鰭艉船型技術(shù)，剖析該船型在大型消防船上運用的優(yōu)勢，分析船型優(yōu)化方向，最終使實船獲得優(yōu)異的快速性能。

1主尺度和船型參數(shù)分析

通過對文獻(xiàn)[2-4]的收集和分析，獲得國內(nèi)現(xiàn)有主流消防船的主要尺度信息見表1。通過分析可以得出以下設(shè)計特點和發(fā)展趨勢。

1) 船舶尺度較小，船長通常處于40 m左右，從而獲得較好的靈活性和機動性。

2) 船舶吃水較淺，通常為3.0 m以下，從而獲得較強的航行水深適應(yīng)性。

3) 船舶航速較高，通常為15 kn左右，弗汝德數(shù)約為0.38，屬于中高速船范疇。

4) 近些年隨著港口條件的改善，消防船朝著大型化方向發(fā)展，船長略有增大、吃水略有加深、排水量和裝載量明顯提高，而最高航速卻不能降低，所以船舶所配備的主機具有大功率化趨勢。

表1　國內(nèi)主要現(xiàn)役消防船信息

根據(jù)青島市公安局對該消防船的設(shè)計任務(wù)書的要求，確定船舶主要尺度如表2。

表2　青島公安消防船船舶信息

該船長寬比小于4，寬吃水比為3.7，設(shè)計吃水下方形系數(shù)接近0.6，弗勞德數(shù)約為0.4，是典型的船長受限、較為肥大的中高速船舶，其船舶型線設(shè)計具備一定難度。

2雙內(nèi)旋鰭艉船型設(shè)計

在青島消防船在船型設(shè)計之初，充分查閱了國內(nèi)同類船舶的型線設(shè)計方案，考慮到該類船舶吃水淺、航速高，隨著消防能力的不斷提高，船舶朝著大型化的方向發(fā)展，隨之帶來主機配備大功率化趨勢。國內(nèi)現(xiàn)有消防船通常采用常規(guī)艇的型線設(shè)計方式，也有船舶運用對稱雙艉或雙艉鰭的型線設(shè)計。但這些設(shè)計方法都解決不了螺旋槳尺度受限的問題，徑深比仍只能在0.7左右。文獻(xiàn)[5]介紹了常規(guī)軸支架大直徑雙導(dǎo)管螺旋槳在海洋工程船上的實船運用，其徑深比可達(dá)到0.615。

武船專利船型技術(shù)——雙內(nèi)旋鰭艉船型為青島消防船提供了一種合理解決機、槳匹配的船型方案。該船型利用隧道效應(yīng)和預(yù)旋流原理，將螺旋槳上方的船體設(shè)計成半導(dǎo)管形狀，形成類似導(dǎo)管螺旋槳的效果，從而減少螺旋槳葉稍與船體的間距，達(dá)到增大徑深比和大螺旋槳直徑的目的，通常該類船型徑深比可取為0.9～1.2之間。

2.1設(shè)計特點

圖1為青島消防船采用雙內(nèi)旋鰭艉設(shè)計方案的模型。該船型通過不對稱的鰭槽頂線和鰭槽底線設(shè)計，在螺旋槳前方形成型線向外預(yù)旋的來流，通過將螺旋槳旋向設(shè)計為內(nèi)旋，從而獲得較佳的反槳效應(yīng)，從而提高螺旋槳推進效率；將螺旋槳上方的船體殼設(shè)計成與螺旋槳同心的半圓形狀，保持槳葉稍與船體的間距為200 mm以內(nèi)，從而形成半導(dǎo)管效應(yīng)，同心圓弧范圍約占1/4整圓；設(shè)計螺旋槳目標(biāo)直徑為2.5 m左右，設(shè)計吃水2.7 m，徑深比約為0.926。

圖1　雙內(nèi)旋鰭艉船型模型實物

2.2優(yōu)勢分析

為獲得雙內(nèi)旋鰭艉船型的節(jié)能收益大小，采用理論計算與模型試驗相結(jié)合的方法，對雙內(nèi)旋鰭艉船型與人支架雙槳船型的有效功率和收到功率進行比較分析，論證思路見圖2。

圖2　兩種船型計算論證思路對比

主尺度確定后，首先假定兩種船型，即雙內(nèi)旋鰭艉和人支架雙槳船型。通過對本船主尺度及航速范圍分析，決定采用漢斯克小型船舶有效功率估算圖譜[6]對兩種船型的有效功率進行計算。

對雙內(nèi)旋鰭艉船型進行型線設(shè)計并完成水池快速性試驗，將阻力試驗結(jié)果[7]與該船型圖譜計算結(jié)果進行對比，得出兩者之間在不同航速下存在4%～6%的誤差，誤差在可接受的范圍。因此，使用漢斯克圖譜計算船舶阻力并結(jié)合相應(yīng)弗勞德數(shù)下誤差修正方法所獲得的船舶有效功率數(shù)據(jù)可靠，該計算方法同樣可適用于人支架雙槳船型的有效功率預(yù)報。

得到兩種船型的有效功率預(yù)報之后，分別開展螺旋槳設(shè)計與計算。雙內(nèi)旋鰭艉船型選用的螺旋槳直徑為2.48 m。結(jié)合水池試驗獲得的自航因子[7]和圖譜槳設(shè)計，從而對螺旋槳收到功率和船舶航速進行預(yù)報；人支架雙槳船型為常規(guī)船型，按照徑深比0.7確定螺旋槳直徑，即螺旋槳直徑為1.9 m。結(jié)合人支架雙槳船經(jīng)驗公式算法獲得的自航因子和螺旋槳理論設(shè)計，對螺旋槳收到功率和船舶航速進行預(yù)報。

最終，對兩種船型的受到馬力曲線進行對比分析可知(見圖3)，雙內(nèi)旋鰭艉船型在航速15 kn左右的節(jié)能效果高達(dá)10%以上，其顯著的節(jié)能優(yōu)勢主要得益于船、機、槳的優(yōu)化匹配。

圖3　螺旋槳收到功率對比

2.3本船難點

本船為船長受限、較為肥大的中高速船舶。由于浮態(tài)調(diào)整的需要，船舶設(shè)計狀態(tài)的浮心位于船舯偏后約1.6%Lpp左右，所以最大橫剖面設(shè)計于船舯偏后約3.8%Lpp左右，船舶去流段長度為18.4 m，螺旋槳直徑2.5 m左右。綜合本船去流段的幾何要素，去流段長度與寬度的比值不足2，螺旋槳直徑相對較大。

去留段的尺度限制和高航速要求不利于內(nèi)旋鰭槽道的幾何構(gòu)形，所以在型線設(shè)計過程中出現(xiàn)了較大困難。歸納起來，本船尾部型線設(shè)計的難點在于需協(xié)調(diào)以下兩點矛盾。

1) 如圖4，較肥的艉體排水量要求艉部橫剖面設(shè)計更加豐滿，而高達(dá)0.926的徑深比使得艉體縱剖面曲度變化較大，如何設(shè)計出豐滿且盡量能平緩過渡的槽道是本船型線設(shè)計需解決的一個難點。

圖4　艉體設(shè)計難點分析一

2) 如圖5，過短的去留段結(jié)合較高的方形系數(shù)、較大的曲度變化，很容易引起尾流分離，從而增加粘壓阻力、降低推進效率、增加螺旋槳激振風(fēng)險。然而本船設(shè)計弗勞德數(shù)為0.4，如何在高航速下避免尾流分離，這是本船型線設(shè)計需解決的另一個難點。

圖5　艉體設(shè)計難點分析二

2.4優(yōu)化分析

本船在型線設(shè)計和水動力試驗研究中，共進行了3個方案的優(yōu)化比較。在最初方案一的試驗中發(fā)現(xiàn)鰭槽道內(nèi)存在嚴(yán)重水流分離現(xiàn)象，流線試驗中出現(xiàn)的油漆滯留現(xiàn)象及自航試驗中出現(xiàn)的推力減額、伴流分?jǐn)?shù)過大(均超過0.4)現(xiàn)象說明尾流分離的存在。

為避免出現(xiàn)鰭槽內(nèi)的水流分離，即需要對船舶艉部縱剖線和水線的形態(tài)和去流角進行控制，而雙內(nèi)旋鰭艉船型尾部縱剖、水線的形態(tài)是由鰭槽的主要控制線所決定的，最典型的鰭槽控制線即為鰭槽頂線和鰭槽底線。所以，在3個方案優(yōu)化設(shè)計過程中通過以下技術(shù)路徑開展了研究。

1) 偏移鰭底線，為鰭槽提供充足的來流。鰭槽的供水情況主要是由鰭底線所決定的。如圖6，方案一的鰭底線處于螺旋槳槳軸中心線所在的縱剖線內(nèi)，使得鰭槽內(nèi)部橫剖形態(tài)較為擁擠，從而在鰭槽來流方向形成嚴(yán)重的瓶頸作用，使鰭槽內(nèi)供水不足；方案二開始通過使鰭底線向船舶舷側(cè)方向形成10°左右的角度旋轉(zhuǎn)偏移，使鰭漕內(nèi)部橫剖線均向舷側(cè)偏移，從而在來流方向擴寬了鰭槽的瓶頸，為鰭槽提供了充足的供水，解決流線分離的源頭問題。

圖6　鰭槽底線優(yōu)化過程

2) 控制鰭頂線形態(tài)和去流角，緩解船體曲度變化。鰭槽內(nèi)部的船體曲度主要是由鰭槽頂線所決定的。如圖7所示，從縱向視圖上看方案一、二的鰭槽頂線最大傾斜角分別為20°、17°，而從水平視圖上看最大傾斜角分別為28°、15°。通過試驗發(fā)現(xiàn)方案一出現(xiàn)嚴(yán)重的水流分離，而方案二的推力減額和伴流分?jǐn)?shù)較方案一均有減少，這說明鰭槽頂線在縱向和水平方面的去流角控制是改善尾流分離的有效途徑。

圖7　鰭槽頂線優(yōu)化過程

出于減小鰭槽頂線最大傾斜角、避免水流分離和螺旋槳振動的目的，需進一步對本船螺旋槳直徑進行了調(diào)整，螺旋槳直徑從方案二的2.68 m減少至方案三的2.48 m，從而使槳軸高度可以降低200 mm；同時考慮到本船吃水淺，航行港口的水深裕度較高，故使螺旋槳葉稍最下緣低于基線200 mm，于是槳軸高度又可以降低200 mm，軸線總共下降400 mm，鰭槽頂線最高點高度相應(yīng)下降400 mm左右。以此，方案三鰭槽頂線的縱向最大去流角減小至17°，同時調(diào)整鰭槽頂線的水平視圖形態(tài)，使水平最大去流角減小至9°。最終使船體曲度變化趨于緩和，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

3船舶快速性能

青島消防船在型線設(shè)計過程中完成了多次水動力試驗研究，圖8、9為最終方案的流線試驗結(jié)果，通過多方案優(yōu)化設(shè)計基本控制住了尾流分離問題。實船在建造過程中逐一攻克了艉體復(fù)雜曲面加工難題和狹小空間施工難題，圓滿完成了實船建造任務(wù)，圖10、11為該船實船艉體照片。通過本文對該船艉體型線設(shè)計的難點分析和優(yōu)化研究，獲得了實船較好的性能，主要體現(xiàn)在優(yōu)秀的快速快速性能指標(biāo)。

圖8　艏部流線試驗照片

圖9　艉部流線試驗照片

圖10　實船單艉鰭現(xiàn)場圖

圖11　實船雙艉鰭帶螺旋槳現(xiàn)場圖

通過系列水動力試驗和船、機、槳優(yōu)化匹配設(shè)計后，獲得本船單槳收到馬力曲線如圖12所示。通過航速預(yù)報得知，該船在設(shè)計吃水2.7 m下，主機功率推進為2×2 240 kW時，無風(fēng)無浪且考慮15%功率儲備、經(jīng)減速器和軸系后，雙槳收到馬力Pd=3 808 kW，單槳收到功率Pd=1 904 kW，此時航速可預(yù)報為15.43 kn。

圖12　航速預(yù)報曲線

該船實船試航時吃水達(dá)2.9 m，主機功率發(fā)出85%時航速達(dá)15.2 kn。若是運用海軍系數(shù)法對試航吃水及排水量進行修正，可換算出實船吃水2.7 m時航速可達(dá)15.53 kn。

4結(jié)論

1) 鰭槽底線需向螺旋槳外側(cè)有效偏移，以便擴開鰭槽的進流瓶頸，使鰭槽內(nèi)得到充分供流。

2) 需嚴(yán)格控制鰭槽頂線的走勢，使鰭頂線的縱向去流角需盡可能小，控制在15°以內(nèi)為宜；鰭頂線的水平去流角需盡可能小，控制在10°以內(nèi)為宜。

3) 需通過鰭槽內(nèi)各水線、縱剖線的形態(tài)及去流角來有效控制和優(yōu)化鰭槽形態(tài)，不允許出現(xiàn)較大的曲率特變及不光順區(qū)域。

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Application of Double Cochlea-channeled Stem Lines Energy Saving Design in Fire-fighting Boats

PENG Bi-ye, WANG Xiao-hong, ZENG Qing-guo, HU Peng, CHEN Qiang, ZHOU Chun-feng

(Hubei Institute of Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

Abstract:The principal dimensions and coefficients of domestic fire-fighting boats are considered comprehensively, taking double cochlea-channeled stern into use of the practical ship design of Qingdao fire-fighting boat project. By lines design analysis and towing basin test of multi-plan to find the controlling points of stern lines design, it is shown that the double cochlea-channeled stem lines is an effective method to solve the problem of good matching of hull, machine and propeller for large fire-fighting boats. The built vessel's performance shows the success of use of double cochlea-channeled stem in large fire-fighting boats.

Key words:lines; speed and powering of ship; double cochlea-channeled stern; fire-fighting boats

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.012

收稿日期：2015-09-01

基金項目：湖北省科技支撐計劃項目(2014BAA034)

第一作者簡介：彭必業(yè)(1983—)，男，學(xué)士，工程師 E-mail:pengbiye@sina.com

中圖分類號：U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0050-05

修回日期：2015-09-29

研究方向:海洋工程船舶及特種船舶總體設(shè)計