1600 HP自扶正高速執(zhí)法艇設(shè)計(jì)

林志勇 陳順洪 周德武

摘 要：針對高速執(zhí)法艇應(yīng)具備良好穩(wěn)性的需求，進(jìn)行具有自扶正能力的高速執(zhí)法艇設(shè)計(jì)；計(jì)算該艇自扶正穩(wěn)性，評估不同參數(shù)對自扶正能力的影響；對自扶正艇的進(jìn)水口處理方式進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：自扶正；高速執(zhí)法艇；船舶設(shè)計(jì)；進(jìn)水點(diǎn)

中圖分類號：U674.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： According to the stability requirements， a high-speed response boat with self-righting capability is designed， the self-righting stability is calculated， the effects of different parameters on the self-righting capability are evaluated and the design of flooding points for the self-righting boat is discussed.

Key words： Self-righting； High-speed response boat； Ship design； Flooding point

高速執(zhí)法艇根據(jù)使命不同，一般具備一定防護(hù)能力，并配置機(jī)槍武器、或海上搜救設(shè)備等。

高速執(zhí)法艇通常需要在惡劣的海洋環(huán)境條件下執(zhí)行任務(wù)，為保障人員安全、提高執(zhí)法能力，高速執(zhí)法艇應(yīng)具有良好的完整穩(wěn)性和抗風(fēng)能力，甚至需具有傾覆后自動扶正的能力。

1 船舶自扶正原理

船舶靜止漂浮于水中時(shí)，受到自身重力和水的浮力兩個(gè)作用力，其大小相等但方向相反，作用在同一鉛垂線上，如圖1（a）。當(dāng)船舶受到風(fēng)浪等外力干擾產(chǎn)生傾斜時(shí)，船舶的重量和重心位置并沒有發(fā)生變化，排水體積大小也沒有變化，但由于船舶本身傾斜，其水下的體積形狀發(fā)生了改變，浮心位置也發(fā)生了變化。此時(shí)，重量和浮力不再位于同一鉛垂線長，形成一個(gè)力偶（復(fù)原力）促使船舶復(fù)原到原來的平衡位置，如圖1（b）。自扶正船舶就是在傾斜任何角度的情況下，浮力和重力都形成正的復(fù)原力矩，如圖1（c）。通常，用復(fù)原力臂曲線來表達(dá)船舶在不同傾斜角度時(shí)的復(fù)原力臂的大小，具有自扶正能力的船舶，其復(fù)原力臂曲線在0°～180°范圍內(nèi)都是大于零。

由于船舶一般都為左右對稱且重心位于中心線上，所以在理論上當(dāng)船舶傾覆180°靜止時(shí)，其復(fù)原力也是為零的，如圖2（a）。此時(shí)，只要受到風(fēng)浪流等外力作用下使船舶產(chǎn)生一定傾斜，如圖2（b），船舶在正的復(fù)原力矩作用下會繼續(xù)傾斜直至回到平衡狀態(tài)。此過程就是自扶正船舶的自扶正翻轉(zhuǎn)過程。

通過上述分析可知，自扶正能力主要與船舶的重心位置及浮心位置有關(guān)。

2 自扶正高速執(zhí)法艇設(shè)計(jì)方案

依據(jù)船舶自扶正的原理，開展自扶正高速執(zhí)法艇方案設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案綜合考慮執(zhí)法艇的布置風(fēng)格，設(shè)計(jì)了較大體積的封閉甲板室，使船舶在傾覆時(shí)始終具有正的復(fù)原力矩，從而實(shí)現(xiàn)自扶正能力。

2.1 用途及船型

本艇主要用于海上緝私、緝毒、反恐等需要高速追擊、攔截，以及快速反應(yīng)的海上搜索、救援任務(wù)等。

本艇為單體、單甲板、全棚式、無斷級、雙折角深V滑行艇船型；雙柴油機(jī)驅(qū)動，雙噴水泵推進(jìn)；船體及甲板室結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料；具有自扶正能力、良好的適航性和開闊視野的海上執(zhí)法艇。整體設(shè)計(jì)風(fēng)格簡潔明快、硬朗大氣，突出執(zhí)法艇的特征，如圖3所示。

2.2 線型

本艇長度傅汝德數(shù)Fn約為1.5、體積傅汝德數(shù)Fn▽約為3.6，為處于高速滑行狀態(tài)的滑行艇；線型采用中部底斜升角22°，設(shè)有雙折角線的深V線型，線型綜合考慮了快速性、耐波性和總布置。

2.3 主尺度及主要參數(shù)

2.4 總布置

（1）主船體

本艇主船體分為五個(gè)水密艙室：首尖艙通過艙口蓋直接從甲板上出入，主要布置帆纜設(shè)備；休息室艙為4人船員艙，設(shè)有櫥柜和餐桌；設(shè)備艙布置有衛(wèi)生間、配餐區(qū)等，兩側(cè)布置有燃油艙；機(jī)艙布置主機(jī)、發(fā)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備，在每臺主機(jī)上方設(shè)有機(jī)艙可拆板用于機(jī)艙設(shè)備檢修；泵艙布置有兩套噴水推進(jìn)裝置及其流道等；主船體尾封板在噴水推進(jìn)器上設(shè)置有保護(hù)架，兩側(cè)布置有主機(jī)排氣口；主船體四周設(shè)置一圈泡沫護(hù)舷。

（2）主甲板及甲板室

主甲板首部設(shè)有艙蓋、纜樁、扶手等；尾部布置有救生筏、纜樁、拖樁、扶手、機(jī)艙通風(fēng)風(fēng)道等；中部為封閉式甲板室，兩側(cè)設(shè)外走道。

甲板室為封閉式駕駛室，從后圍壁開門進(jìn)出駕駛室；駕駛室內(nèi)布置有駕控臺、抗沖擊座椅等；甲板室后部設(shè)有機(jī)艙通風(fēng)風(fēng)道，前部布置有休息室通風(fēng)裝置。

（3）頂甲板

頂甲板后部布置有桅桿，另布置有天線、搜索燈、舷燈、警燈、光電、高音喊話喇叭等；桅桿上布置有雷達(dá)、天線和信號燈等。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主船體及甲板室采用5083鋁合金板材及6082鋁合金型材；。主船體結(jié)構(gòu)能承受大于35 kn航速時(shí)的海浪拍擊及6級海浪的作用力。；甲板室結(jié)構(gòu)具備一定的抗壓能力，以滿足自扶正的要求。

2.6 動力系統(tǒng)

本艇設(shè)有二套推進(jìn)系統(tǒng)，每套推進(jìn)系統(tǒng)均由船用高速柴油機(jī)、高彈性聯(lián)軸節(jié)、船用齒輪箱及噴水推進(jìn)裝置組成。

高速柴油機(jī)功率為2×800 HP。

本艇設(shè)有由噴水推進(jìn)裝置監(jiān)控部份和推進(jìn)柴油機(jī)組監(jiān)測部份組成的動力監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)按駕控臺遙控駕駛設(shè)計(jì)，在駕控臺可實(shí)現(xiàn)對噴水推進(jìn)裝置的方向舵和倒航斗進(jìn)行遙控，以及實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)柴油機(jī)的起停、調(diào)速、齒輪箱的離合及正反轉(zhuǎn)控制等功能。

2.7 船舶裝置

駕駛室后圍壁設(shè)有鋁合金水密門，門的上部設(shè)有玻璃觀察窗可從駕駛室觀察船尾的情況。

泵艙與機(jī)艙及機(jī)艙與設(shè)備艙設(shè)有水密艙壁；設(shè)備艙與休息室艙設(shè)有水密艙壁，其上設(shè)置水密門并滿足CCS防火等級要求。

外部的門、窗、蓋具備一定的抗壓能力，滿足自扶正的要求。

2.8 船舶系統(tǒng)

本艇機(jī)艙、休息室艙等均采用機(jī)械通風(fēng)形式。

本艇還配置艙底水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、注入透氣及測量系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)等，以保證船舶正常工作。

2.9 船舶電氣

本艇配電系統(tǒng)采用交流220 V單相雙線絕緣系統(tǒng)及直流24 V雙線絕緣系統(tǒng)，并配有交流220 V岸電系統(tǒng)。

本艇配置13 kW船用柴油發(fā)電機(jī)組一套；配置免維護(hù)24 V蓄電池提供主機(jī)啟動及配置免維護(hù)12 V蓄電池提供發(fā)電機(jī)啟動。主機(jī)或發(fā)電機(jī)啟動后，通過其軸帶發(fā)電機(jī)自動對啟動蓄電池充電。

本艇配置照明、燈具、助航、報(bào)警、通信、航行等系統(tǒng)及設(shè)備，滿足規(guī)范規(guī)則要求。

2.10 重量及重心位置

本艇滿載排水量18.2 t，重心位置為X=5.22 m、Z=1.59 m、Y=0 m（坐標(biāo)原點(diǎn)在尾封板、基線與中心線交匯處）。

3 自扶正能力計(jì)算及評估

由于船體線型及甲板室的首尾不對稱，在大角度橫向傾斜過程中將引起船長方向的傾斜，即船舶在橫傾時(shí)伴隨有縱傾發(fā)生。因此自扶正計(jì)算需要模擬船舶在橫傾0°～180°范圍內(nèi)的各種狀態(tài)，本計(jì)算應(yīng)用軟件MAXSURF進(jìn)行。

3.1 MAXSURF簡介

Maxsurf是用于船舶設(shè)計(jì)的三維曲面建模、計(jì)算的綜合性軟件，主要包括建模、穩(wěn)性計(jì)算、阻力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等模塊。Stability模塊是其中穩(wěn)性計(jì)算模塊，用于浮態(tài)計(jì)算、大傾角穩(wěn)性計(jì)算、破損穩(wěn)性計(jì)算、液體艙柜容積計(jì)算、極限重心高計(jì)算、可浸長度計(jì)算、總縱強(qiáng)度校核等。

3.2 建模及計(jì)算結(jié)果

利用軟件Maxsurf，完成本艇的三維建模，包括船殼、甲板、甲板室和機(jī)艙風(fēng)道等。通過Stability模塊的大傾角穩(wěn)性計(jì)算功能，計(jì)算橫傾角從0°～180°范圍的復(fù)原力臂。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本艇在0°～180°范圍內(nèi)復(fù)原力臂都為正值，且沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的首尾傾情況，因此設(shè)計(jì)方案具有自扶正能力，可以在不同的橫傾角下復(fù)原到橫傾角為0°的狀態(tài)。

3.3 不同設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果對比

為了進(jìn)一步探索不同設(shè)計(jì)方案和不同參數(shù)對自扶正能力的影響，開展了三方面參數(shù)變化計(jì)算結(jié)果對比：

（1）在同一設(shè)計(jì)方案中，假定重心高度分別為1.48 m、1.7 m，與設(shè)計(jì)重心高1.59 m的計(jì)算結(jié)果對比，見圖4；

（2）假定重心位置及甲板室長度不變，分別取甲板室寬度為2.4 m、2.8 m，與設(shè)計(jì)甲板室寬度3.2m的計(jì)算結(jié)果對比，見圖5；

（3）在同一設(shè)計(jì)方案中，假定重心縱向位置分別為4.7 m、5.5 m、5.9 m，與設(shè)計(jì)重心縱向位置5.22m的計(jì)算結(jié)果對比，見圖6。

通過計(jì)算結(jié)果分析，主要結(jié)論如下：

（1）降低重心高度可有效提高艇的自扶正能力；

（2）甲板室寬度加大有利于改善自扶正能力；

（3）縱傾角大則減小了甲板室的浸水體積，進(jìn)而減少了復(fù)原力臂值，所以甲板室體積中心與艇重心在長度方向的距離越小，對自扶正能力越有利。

4 自扶正高速執(zhí)法艇進(jìn)水口處理

在一般船舶穩(wěn)性計(jì)算中，應(yīng)計(jì)及進(jìn)水角開口的影響，所以復(fù)原力臂曲線在相應(yīng)的進(jìn)水角處切斷，并且認(rèn)為船舶完全喪失穩(wěn)性。自扶正船舶要求復(fù)原力臂曲線在0°～180°范圍內(nèi)都為正值，即要求艇在橫傾0°～180°范圍內(nèi)水不能通過進(jìn)水口進(jìn)入船內(nèi)，因此需對進(jìn)水口進(jìn)行特別處理。

本高速執(zhí)法艇設(shè)計(jì)方案，除機(jī)艙外其它艙室均設(shè)置在行駛中保持關(guān)閉狀態(tài)的關(guān)閉裝置；但機(jī)艙中的柴油機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行需要持續(xù)通風(fēng)，機(jī)艙通風(fēng)口在行駛過程中不能關(guān)閉，因此本自扶正高速執(zhí)法艇主要對機(jī)艙的通風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。有兩種設(shè)計(jì)方案：

（1）機(jī)艙通風(fēng)口設(shè)計(jì)為可自動啟閉式

機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)風(fēng)道，在其內(nèi)設(shè)置帶液壓控制開關(guān)的艙口蓋，當(dāng)船舶傾斜到一定角度時(shí)可自動關(guān)閉，船舶翻轉(zhuǎn)復(fù)原后可自動打開。該方式需要設(shè)置監(jiān)測船舶航態(tài)及控制艙口蓋開關(guān)的液壓泵站，通過蓄電池進(jìn)行供電。

（2）采取特殊的通風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)

根據(jù)艇在傾斜不同角度時(shí)其浮態(tài)的特點(diǎn)，將機(jī)艙通風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)為Z型，風(fēng)道的兩端分別在艇的左右舷，且機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)道口離甲板一定距離。這樣即使艇在0°～180°范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)，該Z型風(fēng)道口至少有一端高出水面較多，水不能進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)，如圖7。該方式需要將風(fēng)道的側(cè)壁設(shè)計(jì)為水密，當(dāng)機(jī)艙外風(fēng)道口浸水后水會進(jìn)入浸水部分風(fēng)道內(nèi)，但不會通過風(fēng)道側(cè)壁進(jìn)入到機(jī)艙。

對比兩種方案：方案一形式簡單，但增加了一套液壓控制系統(tǒng)，存在液壓控制設(shè)備可靠性風(fēng)險(xiǎn)；方案二風(fēng)道較為復(fù)雜，且每個(gè)風(fēng)道均需設(shè)置風(fēng)機(jī)，但防止進(jìn)水的效果可靠性高。

5 結(jié)論

本文針對高速執(zhí)法艇的穩(wěn)性需求，設(shè)計(jì)方案在整體外觀造型、總布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)艙通風(fēng)等方面充分考慮了自扶正需求，復(fù)原力臂曲線在0°～180°范圍內(nèi)都為正值，具備自扶正能力。經(jīng)計(jì)算分析可知，降低船舶重心、選取合適的甲板室寬度、減小甲板室體積中心與艇重心在長度方向的距離等方面，是提高自扶正能力的主要措施。

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