超高速斷級滑行艇推進系統工況配合特性的研究

1 引 言

船舶推進系統的研究就是從船機槳配合特性出發，合理調整船機槳特性參數，實現船機槳的最佳配合，保持船舶在最佳狀態下航行，實現能量最佳轉換[1]。由于這個過程是建立在船機槳運轉相互平衡的基礎上，表現為運動的平衡關系和動力的平衡關系，船機槳三者任意一個特征改變，都將影響總體平衡關系，例如船舶航行時的阻力不僅決定于船體線型、船體尺度和航速，還取決于航行時的環境狀態，所以尋找三者轉速和能量均相等的“平衡點”是個復雜的過程[2]，對于超高速的斷級滑行艇則矛盾更加突出。

滑行艇是當航速達到某個臨界值時(一般容積傅氏數Fr▽>2.5)，艇體在動升力的作用下從水中升起；達到全滑行速度后，浸水長度和面積大為減少，較大幅度降低阻力從而實現艇的高速。然而，滑行艇高速時經常會由于重心縱向位置與水動力中心不匹配而出現縱向的不穩定，也因浸水長度過長而使降低阻力的潛能未得到充分發揮。對超高速滑行艇，為進一步提高滑行效率和改善縱向穩定性，通常在艇底舯部沿縱向設置一個或多個橫向斷級，稱為斷級滑行艇。實現超高速斷級滑行艇的航速，不僅需要阻力性能優良的滑行艇線型，還須采用先進的輕質大功率發動機和高效的推進系統，通過船機槳三者之間的優化設計和最佳匹配，以達到預期的航速，為此，當前超高速滑行艇通常采用輕質大功率高速柴油機和高效的表面槳推進系統。

滑行艇的基本力學原理基于滑行面原理，但對于實際的滑行艇，其底部形狀要復雜的多，而且由于水面條件的變化，很難準確計算滑行艇的阻力性能。目前的滑行艇采用的阻力計算方法主要是針對無斷級滑行艇[3]，主要有四類：根據滑行平板試驗的結果分析歸納的半經驗半理論的方法；利用滑行艇系列模型的試驗圖譜進行計算，其正確性取決于計算艇的艇型和系列船模試驗艇型接近的程度；利用現有滑行艇的統計資料估算，這種方法雖然簡單方便，但所取得的結果的正確性較差；模型試驗方法，是在理論上確定艇型阻力性能的最可靠方法，但由于滑行艇的航態不同于一般排水型船舶，因此模型阻力試驗的換算尚無可靠的方法，因此可能會有較大誤差。由于斷級滑行艇艇底的壓力分布和水的流動比常規滑行艇更加復雜，研制中通常采用按照實艇統計取得的經驗公式計算與模型試驗數據換算相結合的方法進行阻力估算和航速的初步預報，根據國內外的實踐經驗，超高速斷級滑行艇很難一次實現工況的最佳配合而達到期望的航速，往往需要在實艇試驗試航中通過對船機槳相關要素的多次調整，使之盡可能達到最佳匹配，實現預期的航速目標，即需要采用設計預估與實艇試驗調整相結合的方法。本文結合一型14 m超高速雙斷級滑行艇的研制過程，提出實現船機槳三者匹配的技術方法和解決問題的技術途徑。

2 14 m艇的主要技術狀態

2.1 主要技術參數

艇型： 雙斷級深V型滑行艇

總長： 14 m

排水量： 16.1 t

推進系統： Trimax表面槳推進系統

主機： 2套船用高速柴油機

主機功率： 882 kW/2 700 r·min-1

螺旋槳： Rolla公司的六葉不銹鋼表面槳

目標航速： 59±1 kn

試航條件： 平靜水面

2.2 航速預估

超高速斷級滑行艇的航速計算，在實際設計過程中通常是在按照實艇統計經驗公式預報的基礎上，根據模型試驗取得的資料進行實艇阻力換算后,再結合主機功率和選用的螺旋槳能達到的效率進行航速預估。由于超高速雙斷級滑行艇艇底流場復雜，在14 m級艇的研制初期，分別采用統計經驗公式和船模試驗數據換算的方法對航速進行估算：

1) 用統計經驗公式預報

(1)

式中,VS為航速，kn;Ne為主機總功率，kW; Δ為艇的設計排水量，t。

當主機功率Ne=2×882 kW， Δ=16.1 t時：

(2)

2) 用船模試驗資料預報

模型試驗阻力曲線[4](圖1)。當航速Vs=59 kn、排水量Δ=16.1 t、重心縱向位置Xg=3.4 m時，對應模型Δm=133.6 kg、Xgm=0.06 m；由曲線可見在此狀態下的模型阻力Rm=0.26 kN。

當換算到實艇并考慮一定的空氣阻力和附體阻力后，得到實艇阻力R。

R=35.3 kN

(3)

若取表面槳效率ηp=0.62、軸系傳動效率ηm=0.97時，則所需主機總功率為:

(4)

圖1 模型試驗阻力曲線

按照經驗公式預報和模型試驗資料預報，結合以往高速滑行艇型船機槳工況配合的實艇研制經驗，以及客觀存在的復雜性和誤差，確定該型艇的航速為59±1 kn。為實現航速目標，設計中開展了多個模型試驗，優化了船體線型；采取多項技術措施嚴格控制排水量和重心縱向位置，使實艇狀態與設計狀態盡可能保持一致。

3 試航和初步調整

14 m艇建造完工后，在長江內進行了預試航。在艇的試航狀態滿足設計試航狀態的情況下，主機轉速能夠達到的最高轉速2 460 r/min，對應的最高航速54 kn與目標航速59±1 kn相差近5 kn。預試航結果表明，主機轉速未能達到最高轉速，艇的船機槳的工況配合未能達到最佳。按照船體阻力特性、主機功率特性和螺旋槳特性三要素的相互關系,以及工況配合分析調整的方法，分別對相關要素作了調整，如改變艇的排水量和重心的縱向位置，表面槳向上調整20 mm以減少槳的浸深, 改變艇體前后斷級高度的組合,減少艇的受風面積以及切割螺旋槳直徑等措施，主機轉速可從2 460 r/min提高到2 600 r/min，但艇的航速變化較小，基本在0.5～1 kn的范圍內變動。

由于超高速斷級滑行艇船機槳工況匹配的復雜性，在預試航中雖然經過多方案對艇的船機槳匹配進行初步調整，但能夠達到的最高航速距離目標航速還有一定差距。同時，作為世界著名表面槳設計供應商Rolla公司堅持認為航速達不到的主要原因是船體阻力較大，其表面槳的設計和效率是合適的，這就提出必須進一步分析研究存在問題的主要原因和技術改進的方向以及可實現的途徑。

4 問題分析

4.1 水面條件對工況匹配的影響

利用14 m艇在長江預試航的n-Vs數據、主機平臺試驗Ne-n數據、模型靜水阻力試驗Rm-Vm數據以及表面槳的性能參數，通過計算可得出，在表面槳要素不變的情況下，長江預試航在觀察平均浪高0.15 m(有義浪高0.25 m)時的實艇阻力R以及采用模型試驗結果換算得到的實艇阻力R′，將這些阻力增加到螺旋槳檢查圖譜上，即可得出平靜水面與有義浪高0.25 m時艇可達到的航速，它們之間的差即為符合規定的水面條件時，航速能提高的值。具體計算如下。

4.1.1計算表面槳的檢查曲線

在已知螺旋槳直徑D=0.698 m、盤面比θ=0.9、螺距比P/D=1.34、軸系傳動效率ηm=0.97、齒輪箱減速比i=1.4等條件下，利用表面槳的作用曲線，并通過下式得出n=const時的檢查曲線以及垂向力F和螺旋槳效率。

KQ/J5=f(P/D,J)

ηp=f(P/D,J)

KT= 6.283J4ηp(KQ/J5)

KF/KT=f(KQ/J5)

上式中，J為進速系數;KQ為扭矩系數;KT為推力系數;KF為垂向力系數。

表1 表面槳n=2 700 r/min時的計算值

表2 表面槳n=2 550 r/min時的計算值

4.1.2模型試驗結果換算到實艇的阻力R′

在應用模型試驗結果時，必須計及表面槳垂向力的影響[5]，可以用等價排水量Δ′和重心縱向位置Xg′來考慮，即艇的實際排水量Δ=16.1 t、重心縱向位置Xg=3.0 m時，航速Vs=54 kn對應等價排水量Δ′=13 t、重心縱向位置Xg′=3.73 m；航速Vs=58 kn對應等價排水量Δ′=12.64 t、縱向重心位置Xg′=3.87 m。

在等價排水量Δ′、重心縱向位置Xg′時，換算到實艇的靜水阻力(含空氣阻力、舵阻力)為：

Vs=54 kn時，R′=32.76 kN

Vs=58 kn時，R′=35.87 kN

4.1.3試航的實艇阻力R[5,6]

已知n=2 550 r/min、Ne=890 kW、Vs=54 kn、ηm=0.97、i=1.4、D=0.698 m、P/D=1.34,通過計算得到Vs=54 kn時的實艇阻力：表面槳收到功率Ne′=0.97×890 kW=863 kW;表面槳扭矩Q=(Ne/9 549×n)×I;表面槳扭矩系數kQ=Q/ρn2D5=0.029 642; 系數kQ/J5=0.007 626;表面槳效率ηp=0.59(見螺旋槳作用曲線);表面槳推力T=(2π/J)ρn2D4ηPKQ×2=36.63 kN ;因表面槳推力減額系數t=0，得到T=R。

為了驗證實艇有義浪高h1/3=0.25 m(觀察平均浪高～0.15 m)時的阻力，采用Fridsma方法[7]進行校驗，進一步確認R=36.63 kW的準確性。經計算，波浪中阻力增加系數ΔR/γB3=0.012 5,其中ΔR為波浪中阻力與靜水阻力之差,ΔR=0.012 5×3.23×1 000=4.02 kN，則波浪中阻力R=R′+ΔR=32.76+4.02=36.78 kN，與36.63 kN基本吻合。

4.2 靜水中與波浪中航速的差值

編制n=2 550 r/min，2 700 r/min的檢查曲線圖(圖2)，將靜水阻力、實艇波浪中的阻力和實艇測試數據n=2 550 r/min的Ne～Vs以及T～Vs均包括在內。依次修正理論計算的n=2 550 r/min時Ne～Vs以及T～Vs的曲線，得出在表面槳要素不變的情況下，若在靜水中試航，速度可提高1 kn左右的結論。

圖2 n=2 550 r/min及 n=2 700 r/min時的檢查曲線

4.3 存在的問題和改進的方向

從試航和檢查圖譜可以看出，表面槳偏“重”，不能達到額定轉速。在艇阻力已經優化而無法再減小以及主機經平臺試驗驗證其功率特性是可信的情況下，經過實艇預試航數據計算，表面槳效率在56～58 kn區間的平均效率約為0.515，因此提高航速的唯一途徑是進一步提高槳效率。依據預試航數據重新設計表面槳，取得在目標航速時的船機槳最佳匹配。

如檢查圖譜所示，既保持表面槳的推力又降低其所需功率是可以實現的, 只要減小螺旋槳直徑,增加螺距比，使主機轉速達到2 700 r/min即可。因轉速從2 550 r/min增至2 700 r/min和螺距比增加使推力增加，而螺旋槳直徑減小，進速比略大，使推力減小，從而可以使推力基本不變，但螺旋槳效率卻因螺距比的增大而增加了。根據檢查圖譜大致可以估算得出：在平靜水面試航達到Vs=58 kn，如圖2所示，表面槳效率需從0.545提高到：

即提高1.14倍。

4.4 分析結果

通過分析計算找出航速達不到要求的主要原因如下：

1) 螺旋槳主要要素選擇不合理，使主機轉速不能達到2 700 r/min，僅為2 550 r/min,同時效率偏低；

2) 試航條件沒能滿足要求，在高速和小排水量的條件下，水面的波動使艇產生仰俯運動大，增加了阻力，使艇速降低1 kn左右。

3) 表面槳的改進方向是減小直徑、增加螺距比以及采用其它提高效率的措施。

5 結 論

通過實艇調整并結合理論計算分析，找出了船機槳不匹配的主要原因。根據分析結果，向表面槳的設計供應商Rolla公司提出了表面槳改進的要求和調整的技術方向，Rolla公司據此重新設計制造了一套新的表面槳，槳的直徑從0.698 m減小到0.668 m, 螺距比從1.34增加到1.41,同時減小了槳葉厚度。該表面槳裝艇后進行了試航，主機最高轉速n=2 700～2 750 r/min，航速Vs=58.2 kn，滿足了59±1 kn的航速指標。

[1] 朱樹文.船舶動力裝置原理與設計[M].北京：國防工業出版社，1980.

[2] 徐莜欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[3] 趙連恩.高性能船舶水動力原理與設計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

[4] 第605研究所. 14m艇模型試驗報告[R]，2003.

[5] 夏翔，李水才，李惠敏.表面槳產生垂向力的原因初探[J].中國艦船研究，2006,1(5/6):68-70.

[6] 武昌造船廠. 14m艇預試航記錄冊[R]， 2005.

[7] ROSE J C，KRUPPA C F L. Surface piercing propellers-methodical series model test results[R]. Rolla，1993.