第6章 穿浪双体船

CompanyLOGO第六章穿浪双体船(WPC)张慧宁CompanyLOGO年代初期，在常规双体船和小水线面双体船的基础上首先由澳大利亚的赫斯基和克利福德提出了一种新的高性能船舶的新概念。他们突破常规理念，建造了一艘28M长的“维多利亚之神”号。其后这种新概念船得到迅猛发展，目前已成为技术上非常成熟的一种高性能船型———高速穿浪双体船(WPC)。高速穿浪双体船保留了小水面线双体船的低阻、高耐波性及常规双体船甲板面积宽敞的优点，同时融会了深V船型的特点，克服了小水线面双体船的片体无储备浮力、空间狭小和要求复杂的航态控制系统及传动系统等缺点，也克服了常规双体船的连接桥离水面高度小等缺点。此外，与普通双体船相比，穿浪双体船片体的首尾干舷很低甚至为零，所能提供的储备浮力较小，因此对波浪响应不敏感，使得船体的摇荡运动得到减小。CompanyLOGO穿浪双体船特有的船型构造赋予了它具有高速、优良的耐波性、稳性好、舒适、吃水浅、甲板宽敞和回旋性能好等高水平的综合航海性能。因此，穿浪双体船也是常被作为豪华邮轮的船型。东日本轮渡公司在函馆至青森航线上运营的NatchanRera号就是一艘典型的穿浪双体船。Rera号于2007年9月1日投入运营，是当时世界上最大最快轮渡，她载重10712吨，全长112米，宽30.5米，最大载客量800人，时速36海里，拥有4台喷水推进。Rera号将原来函馆至青森需要4小时的航程缩减到1.5个小时。CompanyLOGO=0.8~1.1,片体容积傅汝德数Fr▽=2.0~3.0,在此航速范围内，船舶处于过度航态的高速段。在第三章提到，长度傅汝德数是对阻力比较敏感的船型参数，在一定的范围内，长度系数较大对阻力是有利的。但是应注意到，当容积傅汝德数接近3.0时，长度系数对阻力的影响已经不明显。所以，穿浪双体船的设计要针对具体的航区海况和设计速度，综合选取片体的主要尺度和船型参数，以保证穿浪双体船优良的航海性能。CompanyLOGO穿浪双体船向大型化和高速化发展是当下的主流趋势。自1998年澳大利亚Incat公司建造了第一艘长100米近万吨级的高速穿浪双体船“Cargocat”号，从此就揭开了穿浪双体船大型化的序幕。由于高性能穿浪双体船的这些特点，它适合作为高速车客渡船(如前面的NatchanRera号)、军用各类高性能攻击舰和高性能隐身舰艇的基础船型，有很大的发展空间。目前在世界各国军方服役的穿浪双体船主要担任军辅运输的任务，例如美国的HSV系列。CompanyLOGO——HSV-X1CompanyLOGO“褐雨燕”号高速穿浪双体船CompanyLOGO我国首艘自主设计穿浪双体船“海峡”号CompanyLOGO穿浪双体船船型参数对性能的影响(1)片体的长度系数和长宽比(2)横剖面的选择(3)尾端形状(4)首端形状(5)浮心纵向位置(6)干舷与储备浮力(8)片体间距对性能的影响(7)连接桥和中央船体的形状CompanyLOGO(1)片体的长度系数和长宽比与单体船相比，由于双体船具有较宽敞的甲板面积，因此最小船长的确定往往不先决定于总布置等其他方面的要求。一般应从最小总阻力的出发点来确定最佳船长。所以确定高速双体船的主尺度必须从快速性的要求出发，然后再校核其他方面的性能是否满足要求，因为长度系数和长宽比与阻力关系最密切。由第三章，长度系数可表示为：3331/31/bbLLLLCLBdCBdCompanyLOGO由上式，长度系数ψ和长度吃水比L/d确定之后即可确定长宽比L/B。在给定的设计排水量及设计速度的情况下，先计算出体积傅汝德数Fr▽，然后由右图可以求出相对应的最低功率曲线。在Fr▽3.0的过度航态范围，长度系数越大对阻力性能越有利，相应的长宽比L/B值就越大。但是若L/B值太大，对于摩擦阻力和粘性干扰阻力来说会是不利的。因此从阻力的观点来选择船长必须仔细考虑长度系数从而得到最佳船长。CompanyLOGO(2)横剖面的选择从提高耐波性的角度来说，穿浪双体船的片体几乎都采用尖舭深V形式，其底部横剖形状与单体深V几乎没有区别。CompanyLOGO为了增大片体首底部的横向斜升角，一般采用首部龙骨下沉的方式。CompanyLOGO横剖面一样，穿浪双体船的片体横剖面也可分为单折角线和双折角线两种基本形状，双折角线适用于有较大的舱容积及较低的巡航傅汝德数要求等。单折角线适用于较轻的排水量和较高傅汝德数的船舶。对于舯剖面形状的选取并没有明确的规定。CompanyLOGO(3)尾端形状穿浪双体船的航速较高，而且通常在尾部安装喷水推进装置，所以它的尾端必须采用方尾。特别是对于航速很高，排水量小的轻型穿浪双体船采用方尾更为有利。确定方尾的主要参数(尾部收缩系数AT/AM，方尾的浸深H)的原则与单体方尾型船是一致的。傅汝德数越低则尾端收缩系数值应越小，对于傅汝德数非常高的船舶可以采用较大的收缩系数。一般来说，高傅汝德数的船舶尾端收缩系数为1或者接近于1，对水动力是比较有利的。高速轻型穿浪双体船尾底横向斜升角β可以根据阻力性能和耐波性来确定。通常采用小的β值高速时可以获得较大的虚长度和动升力，能提高艇的快速性能，也有利于采用喷水推进器。但是这一结论只适用于航速高排水量小的轻型穿浪船。因此对于航速较低排水量较大的穿浪双体船，后体过于平坦反而对阻力性能不利，还会使其耐波性能和航向稳定性恶化。CompanyLOGO(4)首端形状片体首端通常采用极深V形的横剖面形状，龙骨可以沉到基线以下，以增加首部横剖面的深V程度。这样设计可以增大艇的纵摇阻尼，避免艇首底部出水，从而减小波浪的拍击。CompanyLOGO在傅汝德数和设计方面允许的范围内，设计水线的半进角α/2取得越小越好，因为这样可以使丰满的型线在船舯附近开始，以获得较小的方形系数Cb。试验证明穿浪双体船的耐波性能很大程度上取决于首部形状，因此对穿浪双体船的首部型线的设计要特别重视。穿浪双体船的设计水线半进角α/2=7°~11°对于高速轻型的穿浪双体船水线半进角可以减小到6°以下。CompanyLOGO(5)浮心纵向位置由于穿浪双体船的航速高，浮心纵向位置对快艇的性能将产生不可忽略的影响。浮心纵向位置的确定与设计航速有关，Fr越低，则浮心纵向位置越靠前。一般来说，对于使用在高傅汝德数下的穿浪双体船，其浮心纵向位置距尾板的距离可以取0.32LWL~0.38LWL。而对于大型的穿浪双体船这个距离可以增加到0.4LWL~0.48LWL。而对于那些使用更高傅汝德数的各种小型高速艇，它们的浮心纵向位置可能更接近尾部，距尾板的距离甚至可以小到0.28LWL。严格说来，对于不同的速度或者傅汝德数都存在一个唯一理想的浮心纵向位置，对于低速和高速都使用的穿浪双体船的浮心纵向位置可以考虑选取折中状态。CompanyLOGO(6)干舷与储备浮力干舷与船舶耐波性的关系十分密切，因其大小直接影响到储备浮力的大小及其沿纵向的分布。与常规双体船相比，穿浪双体船具有较小的片体干舷，尤其在首尾两端，干舷大幅度减小。为提高航态自稳控制性能和改善波浪中的运动性能，避免采用复杂的控制系统，穿浪双体船在设计水线以上的船形完全不同于常规的高速双体船，甚至有的穿浪船在静水面干舷以上的片体宽度突然变窄，几乎为静水面处宽度的1/2。CompanyLOGO这样不仅使得片体的储备浮力沿纵向分布更合理，而且在风浪中，较小的水线面使得浮力的变化较小，这样能减小船体对波浪的响应时间，特别是减小垂向和纵摇运动明显，避免发生失速。这样就会使穿浪双体船在波浪中能具有高航速、高耐波性的能力，在较复杂的海况下减小晕船率，对于军舰来说能使其正常使用和发挥武器装备的威力。CompanyLOGO连接桥和中央船体的形状与船舶在波浪中的运动性能有密切关系。连接桥的形状关系到储备排水量的分布，因此影响到穿浪双体船的航态控制和耐波性能。连接桥的横剖面形状可以采用直壁或拱形两种形式。拱形连接桥有利于减小波浪对船体的冲击力，也有利于船体的横向强度、振动和隐身。直壁连接桥适用于片体中心距不太大的穿浪双体船，可以充分利用船宽增加甲板面积，主要用于服务海区的海情不高或小轻型穿浪双体船。新一代的穿浪双体船连接桥与片体的连接在首端侧面呈近直角的形式，实践证明这种形状有利于减小和消除连接桥端角处的应力集中。(7)连接桥和中央船体的形状CompanyLOGO中央船体在首部的龙骨采用下垂的形式，横剖面呈深V型，可以缓和在大波浪中中央船体首底部所受到的波浪抨击，同时可提供附加的储备浮力。在一般海况下，中央船体不与波浪接触，只有在很大的海浪中，其附加的储备浮力可防止由于浮体的储备浮力不足而使船首过于陷入波涛中以至于甲板上浪或者埋首现象。第二代的穿浪双体船已很少有采用中央龙骨首端下沉。因为模型试验和实船证明，只有在相当大的浪高情况下中央龙骨首才能与波浪接触，这种情况在通常情况下很少发生。因此为减轻结构质量和简化建造工艺采用新的设计。CompanyLOGO(8)片体间距对性能的影响与高速双体船相同，片体间距增大会使片体间的兴波与粘性干扰作用减小，对静水阻力和耐波性都有利。1988年，澳大利亚的双体船设计公司通过水池模型试验研究了穿浪双体船的片体中心距在不同海况下对横向和垂向加速度的影响，证明了片体间距是影响WPC耐波性的主要因素。片体间距越大，则对艇在横浪中的运动性能越有利，可使艇的横向和纵向运动加速度明显减小，特别是在波长较短的横波情况下。另外，片体间距大还可增大甲板面积，有利于舱室布置和甲板载货。但是，片体中心间距一般不大于片体宽度的10倍，过大的片体间距对艇的阻力和运动性能已经无明显好处，反而还会对船体的横向强度不利。CompanyLOGO与相当单体船航行性能的比较(1)快速性右图同时给出了相同排水量常规圆舭船和深V型船的阻力曲线。与其他两种单体船型比较，低速时穿浪双体船的静水阻力波动现象较为明显，而且阻力值比其他两种船型要高。显然从静水阻力的角度来说穿浪双体船不适合在低速时航行。高速时，不仅静水阻力小而且波浪增阻也小，证明了穿浪双体船在风浪中具有高速航行能力，而且航行速度越高越能发挥出穿浪双体船的性能优势。CompanyLOGO(2)耐波性能由计算得到的穿浪双体船和相同排水量的常规圆舭船及深V船型的纵摇，升沉，首、尾加速度和波浪增阻值在航速为18kn和30kn，波高为2.0m和3.5m时的不同值为：CompanyLOGO由表可见，在低速时穿浪双体船的运动性能与其他两类船相当，波浪增阻力明显的小于其他两类船。在