芬蘭氣墊巡邏艇T-2000設(shè)計特點與總體性能分析

張宗科

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

研究與設(shè)計

芬蘭氣墊巡邏艇T-2000設(shè)計特點與總體性能分析

張宗科

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

芬蘭氣墊巡邏艇T-2000是近期設(shè)計建造的一型全墊升氣墊船，用于島嶼間的快速巡邏。其采用CDIM-SDD的第二代深型響應(yīng)圍裙系統(tǒng)、全新構(gòu)型的首部矢量噴管，具有突出的快速性、操縱性及航行安全性，海試中創(chuàng)造了超過70 kn的氣墊船最高航速，在眾多島嶼之間操縱靈活便捷。為滿足隱身要求，除采用低構(gòu)型首部矢量噴管外，還采用多角形內(nèi)傾復(fù)合材料上層建筑、低速大直徑墊升風(fēng)機與導(dǎo)管空氣螺旋槳、風(fēng)機全部頂部進(jìn)氣、主機沖壓進(jìn)氣與水平向后直排出氣等多項新技術(shù)。T-2000優(yōu)良的總體性能以及新穎的設(shè)計理念和先進(jìn)技術(shù)，值得國內(nèi)設(shè)計人員學(xué)習(xí)與借鑒。

氣墊巡邏艇；設(shè)計特點；總體性能；圍裙

引 言

芬蘭海軍20世紀(jì)90年代制定“Squadron 2000”工程，計劃建造4艘T-2000（Tuuli class）高速隱形氣墊巡邏艇，1999年7月與Aker Finnyards船廠簽訂設(shè)計建造合同。美國CDIM-SDD公司負(fù)責(zé)為Aker Finnyards船廠提供設(shè)計支撐，主要是氣墊船特有系統(tǒng)，包括輕型燃?xì)廨啓C推進(jìn)系統(tǒng)、墊升系統(tǒng)、圍裙系統(tǒng)，并預(yù)報艇的快速性、穩(wěn)性、操縱性、耐波性等總體性能，以及提供結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷輸入［1］。為減輕T-2000船體質(zhì)量，主船體浮箱由5000系列鋁合金船用薄板焊接而成，上層建筑則由輕型碳纖維復(fù)合材料整體成型。2001年秋建成下水，2002年2月開始陸上試驗，6月交付芬蘭海軍評估運行性能與軍事應(yīng)用能力，首制艇編號為Tuuli 10。

T-2000設(shè)計用于島嶼間的快速巡邏，航速高、越峰時間短、抗側(cè)風(fēng)能力強、操縱性良好、隱身性能好。實船測試航速超過70 kn，模擬安全運行邊界條件試驗，表明T-2000具有良好的抗低頭埋首能力。作為一型性能優(yōu)良的全墊升氣墊船，下面介紹其設(shè)計特點，并對總體性能進(jìn)行相應(yīng)分析。

1 主要參數(shù)

T-2000不需要進(jìn)出母艦塢艙，可進(jìn)行自由設(shè)計，但為其提供技術(shù)支撐的美國CDIM-SDD公司負(fù)責(zé)美國氣墊登陸艇（LCAC）圍裙設(shè)計與總體性能分析，作為LCAC深型圍裙系統(tǒng)（Deep Skirt）國外試驗項目的一部分，CDIM-SDD將為LCAC研發(fā)的深型圍裙改進(jìn)版用于T-2000，以便在實船上檢驗圍裙技術(shù)改進(jìn)效果。

美國CDIM-SDD公司設(shè)計的T-2000剛性結(jié)構(gòu)寬度、氣墊寬度與高度同LCAC基本一致，浮箱高度（圍裙內(nèi)外安裝邊位置）也相同，圍裙設(shè)計囊壓比同為1.35，參見表1。

與美國LCAC相比，隨著設(shè)計滿載排水量下降，T-2000的無因次氣墊密度大幅下降（如美國LCAC的無因次氣墊密度為16，而T-2000僅為8），使T-2000阻力峰處的阻力大為減少（見圖1），但高速時阻力將偏大。

表1 T-2000與LCAC主要參數(shù)比較

2 推進(jìn)墊升功率分配與設(shè)計

2.1 墊升性能設(shè)計

參照國內(nèi)常用全墊升氣墊船無因次流量系數(shù)Qc′與壓力系數(shù)Pc′的統(tǒng)計曲線，T-2000墊升系統(tǒng)所需要的氣墊流量約為210 m3/s，見下頁圖2。

另一方面，T-2000隱形設(shè)計要求高，需要嚴(yán)格限制墊升時的最大噪聲值，降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速是最為有效的措施。CDIM-SDD利用CFD技術(shù)研發(fā)新型雙出口風(fēng)機，并制作風(fēng)機模型進(jìn)行性能試驗［2］。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機蝸殼尺寸可大幅減小而不影響風(fēng)機的流量壓頭特性。風(fēng)機模型試驗表明，CFD分析預(yù)測的流量壓頭與試驗結(jié)果一致，而預(yù)測的風(fēng)機吸收功率略為偏高，見圖3、圖4。

CDIM-SDD為T-2000設(shè)計的風(fēng)機轉(zhuǎn)速僅為930 r/min，而風(fēng)機直徑為1.8 m。與美國LCAC相比，T-2000風(fēng)機直徑增大、轉(zhuǎn)速降低，以滿足低壓頭、大流量、低噪聲需求。為達(dá)到墊升系統(tǒng)的流量壓頭要求，在風(fēng)機葉片的隨邊加裝了楔形塊，見圖5。

T-2000墊升風(fēng)機在設(shè)計點處全船墊升流量為169.5 m3/s，風(fēng)機總功率為2 000 kW［1］，與國內(nèi)常用全墊升氣墊船無因次流量壓力特性曲線相比，T-2000墊升流量略偏低，參見圖6。

2.2 阻力估算與推力需求

根據(jù)T-2000實船靜水實測最大航速70 kn，由圖7可見艇所需總靜推力為105 kN左右，減去4個首推器產(chǎn)生的14 kN推力，則單個螺旋槳靜推力為45 kN。根據(jù)參考文獻(xiàn)［3］中螺旋槳靜推力與功率的換算關(guān)系，并考慮船體阻塞效應(yīng)對螺旋槳推力造成一定程度的衰減，則單個螺旋槳所需功率為2 150 kW，推進(jìn)墊升功率之比接近大多數(shù)氣墊船設(shè)計要求的1 ∶ 2。

綜上所述，每舷推進(jìn)墊升總功率需求為3 150 kW，實艇裝備功率3 427 kW的TF40燃?xì)廨啓C2臺，其性能參數(shù)見表2。

表2 TF40船用燃?xì)廨啓C技術(shù)參數(shù)

2.3 導(dǎo)管空氣螺旋槳設(shè)計

由于全墊升氣墊船在阻力峰之前航行時，航向穩(wěn)定性差、飛濺大，需要盡快越出阻力峰。因此，除需考慮設(shè)計航速處的推進(jìn)效率之外，還應(yīng)考慮氣墊船在越阻力峰時的推力儲備或加速越峰時間，即低速或零速時的推力要求。

全墊升氣墊船由于其墊態(tài)懸浮運行特點，只能采用高設(shè)的空氣螺旋槳推進(jìn)。但敞開槳尺寸大、噪聲大，空氣舵設(shè)置不便，故現(xiàn)行氣墊船一般采用可變螺矩的導(dǎo)管空氣螺旋槳。導(dǎo)管使槳盤處的氣流得到加速，螺旋槳一部分尾渦變成導(dǎo)管的附著渦，引起導(dǎo)管上的環(huán)流，從而減少尾流的能量損失。

美國貝爾公司在1963年設(shè)計建造的不帶圍裙的水面滑行艇SKMR-1上首次采用導(dǎo)管空氣螺旋槳推進(jìn)，以方便進(jìn)出母艦的塢艙。相比于飛機，氣墊船的導(dǎo)管槳屬于低速型。幾型氣墊船導(dǎo)管槳的無因次推力比較如圖8所示。對于重載槳，應(yīng)盡量采用多片槳葉，以增大盤面比，降低每片槳所承受的載荷，從而減小槳葉強度要求與質(zhì)量。T-2000引用了美國LCAC技術(shù)，T/W提高，加上低阻力峰值，越峰性能明顯提高。美國新一代氣墊登陸艇SSC（艦岸連接器）是LCAC的升級換代產(chǎn)品，為大幅提升高海況下的越峰性能，導(dǎo)管槳在低速時的推力增加很大。

導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)較多（如圖9所示），對于功率系數(shù)CP＞0.4的重載導(dǎo)管槳，槳葉誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)氣流動能較大，能量損失也大。為此，應(yīng)在導(dǎo)管槳后采用整流支臂以盡量回收該旋轉(zhuǎn)動能。此外，導(dǎo)管槳在設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格限定槳葉葉梢與槳葉工作平面處導(dǎo)管內(nèi)壁的間隙，以避免因葉梢的擾流而導(dǎo)致推力下降。如T-2000的葉稍間隙Δ為槳直徑的0.36%，美國SSC的約為0.22%。某船曾因?qū)Ч軜~梢間隙偏大，導(dǎo)致實測推力比理論計算值下降達(dá)10%以上。

對高海況下運行的高密度氣墊船，由于導(dǎo)管槳功率大、推力大，靜水高航速時具有足夠推力，因此導(dǎo)管槳設(shè)計關(guān)注點應(yīng)為保障高海況下阻力峰處的推力裕度，以保證高海況下能越峰航行，美國正在研制中的SSC推力設(shè)計比較符合此點。為便于比較，選取第二阻力峰處的靜水阻力為基準(zhǔn)，幾型氣墊船在第二阻力峰處的推力裕度見表3。

在CDIM-SDD設(shè)計研究的HLCAC（重載加長型LCAC）中，導(dǎo)管空氣螺旋槳吸收功率增加約50%，而同時槳需要滿足母艦塢艙尺寸約束。CDIM-SDD利用ANSYS CFX5.6通過變槳葉數(shù)系列優(yōu)化得出的導(dǎo)管槳構(gòu)型，具有6片槳葉與7片槳后整流支臂，并經(jīng)1/6縮尺模型風(fēng)洞試驗驗證［4］。由于T-2000尾部無跳板，為提高導(dǎo)管空氣螺旋槳靜推力與推進(jìn)效率，布置于艇尾的槳尺寸可設(shè)計得盡量大，槳直徑為3.9 m，功率系數(shù)CP約為0.363，而美國LCAC的CP約為0.546。T-2000應(yīng)用CDIMSDD對導(dǎo)管空氣螺旋槳作的研究成果，其槳具有5片槳葉與7片整流支臂（見圖10），具體設(shè)計參數(shù)見表4。該型式導(dǎo)管槳也用于韓國塢載氣墊登陸艇LSF-II，只是LSF-II槳直徑與LCAC槳（4片槳葉、5片整流支臂）同為3.58 m，而SSC槳直徑不變，需吸收功率大幅增加，采用6片槳葉與7片槳后整流支臂的結(jié)構(gòu)型式。

表3 幾型氣墊船在第二阻力峰處的推力裕度

表4 T-2000導(dǎo)管空氣螺旋槳設(shè)計參數(shù)

3 圍裙設(shè)計

T-2000采用CDIM-SDD開發(fā)的第二代深型響應(yīng)圍裙，首部為單囊開式指、側(cè)部為單囊套指、尾部為單囊滑板指，見下頁圖11。

圍裙高度與波浪中阻力及越障性能相關(guān)，但裙高與氣墊寬度的比值受墊態(tài)橫穩(wěn)性的制約。裙高/氣墊寬度一般取值范圍0.125～0.17（裙高/氣墊寬度范圍1/6～1/7）。T-2000的裙高/氣墊寬度的比值為0.15，已接近上限。

芬蘭的T-2000圍裙屬于自由設(shè)計，側(cè)部圍裙手指下端點位于剛性結(jié)構(gòu)（圍裙外接點）垂線之外，圍裙響應(yīng)度較大，T-2000航行試驗錄像表明其側(cè)部圍裙在波浪中具有明顯的隨波起伏。而LCAC上安裝的第一代深型響應(yīng)圍裙因進(jìn)出母艦塢艙需控制側(cè)部圍裙充氣后的最大輪廓形狀（氣墊寬度），側(cè)部雙囊圍裙手指下端點位于剛性結(jié)構(gòu)（圍裙外接點）垂線之內(nèi)，圍裙響應(yīng)度相對較小，圍裙阻力較大［5］。對T-2000側(cè)部套指圍裙進(jìn)行成型計算，計算結(jié)果參見下頁圖12。

4 總布置優(yōu)化

4.1 內(nèi)傾多折角形封閉式上層建筑

出于隱形所需，T-2000上層建筑采用內(nèi)傾多折角形，形成全封閉式結(jié)構(gòu)，墊升風(fēng)機進(jìn)氣口開在上方，主機進(jìn)氣口設(shè)置在艙頂上，利用航速沖壓進(jìn)氣，參見下頁圖13。上層建筑采用復(fù)合材料，以減輕艇重。

4.2 墊升推進(jìn)動力系統(tǒng)布置

該艇采用兩臺TF40燃?xì)廨啓C作為主動力，主機位于艇尾，縱向布置，向前驅(qū)動兩臺直徑1.8 m的墊升風(fēng)機，向上驅(qū)動導(dǎo)管空氣螺旋槳，參見下頁圖14。為滿足隱形需求，主機排氣從向上排氣改為從尾部排氣，類似與國內(nèi)小型氣墊船所用常規(guī)柴油機的排氣方式。T-2000主機向后排氣可產(chǎn)生附加推力，但也帶來一定問題，如燃?xì)廨啓C慢車工況時，排氣管下方的尾轉(zhuǎn)角圍裙尚未完全成型，該處圍裙突肩嚴(yán)重，圍裙外囊上端可接觸到高溫的排氣管，造成圍裙局部損壞。T-2000尾轉(zhuǎn)角圍裙外囊的一塊門幅顏色明顯不同，可能是受損后新更換的，為此，尾排氣管下部加裝了隔離外包結(jié)構(gòu)，參見圖15。

風(fēng)機蝸殼為雙進(jìn)風(fēng)雙出口型，每臺風(fēng)機向上為低外形格柵式首推器供氣，向下為氣墊供氣（參見圖16），雙出口墊升風(fēng)機蝸殼縮小，下出口蝸舌部分埋入浮箱內(nèi)，從而降低風(fēng)機軸系高度與主機軸線，也降低艇的重心，而推進(jìn)輸出軸通過齒輪箱升高，達(dá)到導(dǎo)管槳軸系高度要求。

4.3 格柵式低噴口首噴管設(shè)計

美國LCAC與英國的AP.1-88采用首噴管以增加推力，并為提高回轉(zhuǎn)性能提供操縱手段。AP.1-88首噴管從風(fēng)機上出風(fēng)口至噴管頂部高達(dá)2 m，而T-2000隱形設(shè)計要求艇外部安裝的系統(tǒng)與設(shè)備必須降低高度。為此設(shè)計了低外形的格柵式首噴管，每個雙出口蝸殼風(fēng)機上部各設(shè)置一具首噴管，參見圖17。首噴管在上層建筑甲板之上的高度僅為0.78 m，使雷達(dá)面積大為縮小，且空間彎曲氣流經(jīng)過彎頭時的沖擊與摩擦損失減小，而避免LCAC模式的兩臺風(fēng)機部分氣流先匯合再為一具首噴管供氣所帶來的損失。模型試驗表明，低外形首噴管設(shè)計能滿足T-2000對首噴管推力的要求。該新穎的格柵式低噴口首噴管也應(yīng)用于美國CDIM-SDD提供技術(shù)支撐的韓國塢載氣墊登陸艇LSF-II上。

5 實船試驗驗證

5.1 快速性與操縱性

2001年的實船試驗結(jié)果表明首噴管推力與原設(shè)計預(yù)測大體吻合。T-2000具有優(yōu)良的操縱性，在芬蘭群島的眾多島嶼之間高速巡邏時操縱自如，在某些運行狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)率超過2 °/s，已超出美國LCAC的1.5 °/s回轉(zhuǎn)限界要求［3］。在靜水試航中航速超過70 kn［1］，參見圖18。

5.2 圍裙與安全運行限界

美國CDIM-SDD基于AutoCAD 3D建模與Ship-CAM軟件的放樣展開功能，已經(jīng)發(fā)展了三代深型響應(yīng)圍裙。其中，第一代應(yīng)用于美國LCAC的延壽計劃，側(cè)部圍裙型式為雙囊套指。第二代即應(yīng)用于芬蘭的T-2000上，由于不需要進(jìn)出母艦塢艙，最大氣墊寬度不受限制，因此側(cè)部圍裙型式改為相對簡單的單囊套指，同時有限元分析（FEA）優(yōu)化手指線形，消除手指應(yīng)力集中［6］，參見圖19。實船運行情況表明，圍裙手指超過400運行小時而無需較大維護(hù)，尤其是側(cè)部套指內(nèi)指預(yù)期可達(dá)到800運行小時的壽命。

套指圍裙提高了艇高速航行時的最大回轉(zhuǎn)率限界范圍，同時低頭埋首邊界大大超出艇速/海況/重心縱向位置的運行限界，并且在模擬極限情況下的低頭埋首反應(yīng)與常規(guī)開式指圍裙相比更溫和。這也與安裝第一代深型響應(yīng)圍裙的LCAC上獲得的實船使用經(jīng)驗相同［7］。

5.3 越障性能

T-2000裙高2.234 m、指高1.325 m，均大于美國LCAC，具有不低于LCAC跨越1.0 m高垂直障礙的越障能力。T-2000實船越障試驗見圖20。

由于氣墊船具有兩棲性、越障能力強、裝載能力大等特點，因此在南極、北極的極區(qū)考察研究中，較破冰船、直升機、小型雪地摩托車等具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

在極區(qū)運行時，氣墊船的越冰障能力與圍裙高度直接成正比。T-2000具有較大的裙高，CDIMSDD于2011年曾考慮將T-2000在北極或南極使用，并開展了相應(yīng)的自航模試驗（見圖21）。

6 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹芬蘭T-2000的設(shè)計特點，并簡要分析其總體性能。T-2000基于隱形設(shè)計需求，采用新穎的設(shè)計理念與大量的先進(jìn)技術(shù)，使其快速性、操縱性和航行安全性均達(dá)到較高水平；并且，作為氣墊船特有系統(tǒng)的圍裙下部手指維護(hù)工作大為減少、壽命大幅提高，進(jìn)一步提升了艇的維護(hù)性和保障性，降低了全壽命周期運行費用。作為美國先進(jìn)氣墊技術(shù)的國外驗證項目的一部分，T-2000雖存在一些不足，但獲得實船使用驗證的新理念與新技術(shù)仍值得我們學(xué)習(xí)借鑒。

［1］ALLISON J A， FORSTELL B G， LAVIS D R， et al. The Influence of New Technology on the Design and Manufacture of High Speed Craft with Special Reference to Recent Monohulls，Multihulls， Air Cushion Vehicles and Surface Effect Ships［C］//High Speed Craft： Design & Operation， RINA，UK，2004：1～19.

［2］LAVIS D R， FORSTELL B G. Air Cushion Vehicle （ACV）Developments in the U.S. ［C］//Formal Aspects in Security and Trust，F(xiàn)AST 2005. Newcastle，UK：Springer Berlin，2005：1-8.

［3］馬濤，鄔成杰. 氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統(tǒng)流體動力設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［4］ FORSTELL B， KING A. Updating Handheld Technology for the LCAC. BLA Quarterly Digest［R］. 2010.

［5］傅華.美國氣墊登陸艇圍裙技術(shù)發(fā)展及分析［J］. 船舶，2015（3）：13-20.

［6］FORSTELL B G. Air Cushion Vehicle （ACV） Developments in the U.S.［R］. Joint SNAME SD-5/HIS Dinner Meeting. 2005.

［7］張宗科.美國氣墊登陸艇的技術(shù)發(fā)展及分析［J］. 船舶，2012（1）：11-20.

Design features and overall performance analysis of Finnish air cushion patrol boat T-2000

ZHANG Zong-ke
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The Finnish air cushion patrol boat T-2000 is a recently designed and built full air cushion craft used for the fast patrol between islands. The second-generation deep responsive skirt of CDIM-SDD and bow vector nozzle with new conf i guration have been adopted on it. It has outstanding power performance, maneuverability and navigation safety. Its speed during the trail test was above 70 kn, which is the highest speed of the air cushion vehicles. It also can be manoeuvred fl exibly and convenient among islands. To meet the stealthy requirement, many new technologies are adopted besides of the bow vector nozzle with low conf i guration, such as polygon inward inclining superstructure made by composite materials, low-speed lift fan and ducted air screw with largediameter, entire top intake fan and main engine with ram air inlet and horizontal backward exhaust air outlet. The great overall performance, the novel design concept and the advanced technologies of the T-2000 can be referenced for the designers at home.

air cushion patrol boat; design features; overall performance; skirt

U674.775

A

1001-9855（2017）04-0009-10

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.009

2017-01-12；

2017-03-02

張宗科（1973-），男，高級工程師。研究方向：氣墊船設(shè)計與研究。