氣墊船導管組合結構設計初探

陳海濤 張 平

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

與常規排水型船舶不同，氣墊船通常采用導管空氣螺旋槳作為推進系統?？諝饴菪龢膶Я餮b置稱為導管，作為氣墊船特種結構的導管有著其獨特的重要性：它能提高螺旋槳靜推力，減少噪聲，并對乘員提供安全保護作用。空氣螺旋槳的高速氣流在導管內壁引起壓力場，其軸向分量的積分形成了導管推力，通常導管推力約占導管空氣螺旋槳總推力的30%～50%，因此導管組合結構設計是氣墊船結構設計的重要組成部分［1］。

1 導管組合結構設計特點分析

通常情況下，根據氣墊船噸位的大小可將導管組合結構分為大中小型三種。下頁中，圖1、圖2和圖3分別給出了國內典型大中小型導管組合結構實物圖，表1給出了三種典型導管組合結構的對比參數。

圖1 小型導管組合結構實物圖

圖2 中型導管組合結構實物圖

圖3 大型導管組合結構實物圖

表1 大中小三種典型的導管組合結構參數對比

1.1 導管組合結構設計特點

基于國內典型導管組合結構的設計使用可以看出：

（1）在滿足導管組合結構強度、剛度的前提下，控制導管組合結構質量一直是導管組合結構優化的主要目標。小型導管由于其所受載荷量級不高且組合形式簡單，其單位體積的組合導管質量值偏大。導管往中大型化發展后其單位體積的組合質量值明顯下降。

（2）大中型導管組合結構設置了槳后整流支臂。該設置提高了導管空氣螺旋槳的推力，同時增加了導管筒體的剛度。

（3）導管組合結構設計應與空氣螺旋槳支撐型式相匹配。大型和小型導管組合結構由于螺旋槳有獨立支撐結構，導管組合結構設計較為簡單；中型導管組合結構由于需要設置前支臂和后支臂對螺旋槳進行支撐，導管組合結構較為復雜。

1.2 導管本身結構設計要點

（1）氣墊船主尺度越大，導管直徑越大，其螺旋槳吸收的功率越大，導管內蒙皮的脈動壓力也增大。

（2）空氣螺旋槳葉梢與導管之間的間隙是影響導管空氣螺旋槳效率非常重要的因素：螺旋槳葉梢與導管內表面的間隙越小，產生的推力越大，但導管內壁的脈動壓力也越大，這對導管的結構設計提出了更高的要求。通常情況下，葉梢間隙/槳直徑控制在3‰～ 5‰的范圍內。

（3）導管結構通常由環形框架、翼肋和蒙皮組成：沿長度方向布置環形框，沿圓周方向布置翼型肋板，如圖4、圖5所示。

圖4 典型導管翼形梁結構

圖5 典型導管環形框結構

1.3 導管組合結構材料

由于氣墊船對質量的嚴格要求，導管組合結構通常采用比強度高的鋁合金材料。

內河氣墊船對材料的耐腐蝕性要求低，故其可采用強度高、耐腐蝕中等的鋁合金作為其導管組合結構材料；海上氣墊船導管組合結構需采用耐腐蝕性強的鋁鎂合金以適應惡劣的海洋使用環境；大型氣墊船導管組合結構從耐腐蝕性角度考慮采用玻璃鋼材料。

此外，從美國海軍近期重點發展的新一代兩棲登陸艇SSC資料來看，其導管空氣螺旋槳的旋轉槳葉、固定整流支臂、導管以及空氣舵設計方案均采用碳素纖維增強復合材料結構（見圖6）。這從側面體現了新材料在導管組合結構上的應用趨勢。

圖6 SSC導管碳素纖維復合材料結構示意圖

2 導管組合結構傳力分析

導管組合結構主要承受空氣螺旋槳推力和導管推力，并把空氣螺旋槳推力和導管推力有效傳遞到氣墊船主體結構上。導管組合結構推力裝置的連接方式決定了導管推力的傳遞方式及導管的受力情況。

2.1 小型導管組合結構傳力分析

對于小型導管組合結構其空氣螺旋槳推力和導管推力分別獨立傳遞到氣墊船主體結構上：螺旋槳推力通過推力軸承支架直接傳遞到船體結構，導管推力通過導管基座直接傳遞到船體結構。這樣設計的優點是導管受力相對簡單，缺點是導管內壁與螺旋槳葉梢之間的間隙較難控制，并且導管結構的剛度較弱。

2.2 中型導管組合結構傳力分析

中型導管組合結構推力裝置采用由前軸套（推力軸承）、前支臂、后軸套（分油裝置）、后支臂、前支架與導管筒體形成一體化的空間架構，如圖7所示，這使得螺旋槳推力及導管推力在各結構間的傳遞較為復雜。

圖7 中型導管組合結構示意圖

（1）前支臂主要承受螺旋槳推力及部分導管推力，并把螺旋槳推力傳遞到前支架和導管筒體。同時前支臂還把部分導管推力傳遞到前支架。另外，前支臂還與后支臂一起支撐導管筒體，增加導管筒體的剛度。

（2）前支架主要起著支撐前軸套（推力軸承）的作用，并把作用于前軸套（推力軸承）的導管空氣螺旋槳推力部分傳遞至船體。

（3）側支架主要起著制約導管橫向變形的作用，也起著把推力傳遞至船體的作用。

（4）導管筒體主要承受作用于空氣螺旋槳產生的脈動壓力和前支臂傳遞至其部分空氣螺旋槳推力，同時把這些作用于導管筒體的力傳遞至導管基座；

（5）導管基座主要承受導管對其作用力，并把承受的作用力通過螺栓傳遞至船體基座。

圖8和圖9給出中型導管組合結構推力傳遞過程。

圖8 螺旋槳推力傳遞示意圖

圖9 導管推力傳遞示意圖

2.3 大型導管組合結構傳力分析

大型導管組合結構的螺旋槳推力通過安裝在發動機短艙內帶推力軸承的齒輪箱基座傳遞到槳塔，再由槳塔傳遞到船體結構。導管推力一部分通過整流支臂傳遞到發動機短艙，再由槳塔傳遞到船體結構；另一部分通過導管下端的固定基座傳遞到槳塔，再由槳塔傳遞到船體結構。

由此可見，導管組合結構的傳力與空氣螺旋槳支撐密切相關。大型與小型導管組合結構中的空氣螺旋槳有獨立的支撐結構，因此導管組合結構傳力較為簡單，但在中型氣墊船上采用了導管一體化型式，導管組合結構需要對空氣螺旋槳進行支撐，使得導管組合結構傳力較為復雜。

3 導管組合結構設計載荷

導管組合結構外載荷的確定是導管組合結構設計的基礎，基于其設計特點對艇航行時導管組合結構可能受到的外載荷進行分析整理，簡述如下：

（1）螺旋槳推力［2］

螺旋槳推力可作為集中力施加作用位置處，推力大小在螺旋槳設計時可通過計算獲得（僅在導管組合結構對空氣螺旋槳支撐時）。

（2）導管推力［2］

空氣螺旋槳的旋轉流場在導管內壁產生很大的負壓，該負壓在軸向的投影即為導管所產生的推力，其大小在導管空氣螺旋槳設計時可通過計算獲得。

（3）氣墊船運動引起的慣性力［3］

氣墊船橫搖及縱搖情況下的慣性力計算可參照相關規范內容計算得到，也可基于氣墊船特點和模型試驗結果確定。

（4）側向風載荷

可由相關經驗公式或規范計算獲得。

（5）空氣舵作用力

空氣舵作用力可作為集中力施加作用位置處，大小在空氣舵設計時可通過計算獲得。

（6）導管內蒙皮的脈動壓力

導管內蒙皮的脈動壓力很容易引起導管內蒙皮的疲勞破壞，這是導管結構設計的關鍵。脈動壓力峰值出現在槳軸中心線處［4］，脈動壓力設計值可以通過相關經驗公式［1］和模型試驗［5］獲得。

文獻［1］中根據實際槳葉有效載荷面積以及翼型吸力與壓力的比例給出了槳軸中心線處的最大正負脈動壓力值，即

式中：T為螺旋槳總推力；

Ab為槳葉有效載荷面積；

CL+為壓力與總推力比；

CL-為吸力與總推力比。

4 結 論

隨著氣墊船的日益中大型化，導管組合結構也向大型化發展，但作為氣墊船特種結構的導管組合結構，目前缺乏相關的設計規范和標準。本文通過對國內已有的大中小型氣墊船導管組合結構的設計進行分析，為導管組合結構初步設計提供參考。

［1］ 馬濤，鄔成杰.氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統流體動力設計［M］.北京：國防工業出版社，2012.

［2］ 袁知星,陳上校,馬濤.導管空氣螺旋槳的設計方法［J］.船舶，2008（2）：27-30.

［3］ 中國船級社.海上高速船入級與建造規范［M］.北京：人民交通出版，2012.

［4］ Hoekstra M.A RANS-based analysis tool for ducted propeller systems in open water condion ［J］.International Shipbuilding Progress，2006（3）： 205-227.

［5］ 焦予秦，金承信，郭琦.導管螺旋槳導管壓力脈動特性試驗研究［J］.實驗流體力學，2008（3）：40-44.