芬蘭氣墊巡邏艇T-2000設計特點與總體性能分析

張宗科

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

研究與設計

芬蘭氣墊巡邏艇T-2000設計特點與總體性能分析

張宗科

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

芬蘭氣墊巡邏艇T-2000是近期設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的第二代深型響應圍裙系統、全新構型的首部矢量噴管，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，除采用低構型首部矢量噴管外，還采用多角形內傾復合材料上層建筑、低速大直徑墊升風機與導管空氣螺旋槳、風機全部頂部進氣、主機沖壓進氣與水平向后直排出氣等多項新技術。T-2000優良的總體性能以及新穎的設計理念和先進技術，值得國內設計人員學習與借鑒。

氣墊巡邏艇；設計特點；總體性能；圍裙

引 言

芬蘭海軍20世紀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船廠簽訂設計建造合同。美國CDIM-SDD公司負責為Aker Finnyards船廠提供設計支撐，主要是氣墊船特有系統，包括輕型燃氣輪機推進系統、墊升系統、圍裙系統，并預報艇的快速性、穩性、操縱性、耐波性等總體性能，以及提供結構設計載荷輸入［1］。為減輕T-2000船體質量，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用能力，首制艇編號為Tuuli 10。

T-2000設計用于島嶼間的快速巡邏，航速高、越峰時間短、抗側風能力強、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。作為一型性能優良的全墊升氣墊船，下面介紹其設計特點，并對總體性能進行相應分析。

1 主要參數

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

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

與美國LCAC相比，隨著設計滿載排水量下降，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主要參數比較

2 推進墊升功率分配與設計

2.1 墊升性能設計

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

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

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

T-2000墊升風機在設計點處全船墊升流量為169.5 m3/s，風機總功率為2 000 kW［1］，與國內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個首推器產生的14 kN推力，則單個螺旋槳靜推力為45 kN。根據參考文獻［3］中螺旋槳靜推力與功率的換算關系，并考慮船體阻塞效應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，推進墊升功率之比接近大多數氣墊船設計要求的1 ∶ 2。

綜上所述，每舷推進墊升總功率需求為3 150 kW，實艇裝備功率3 427 kW的TF40燃氣輪機2臺，其性能參數見表2。

表2 TF40船用燃氣輪機技術參數

2.3 導管空氣螺旋槳設計

由于全墊升氣墊船在阻力峰之前航行時，航向穩定性差、飛濺大，需要盡快越出阻力峰。因此，除需考慮設計航速處的推進效率之外，還應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懸浮運行特點，只能采用高設的空氣螺旋槳推進。但敞開槳尺寸大、噪聲大，空氣舵設置不便，故現行氣墊船一般采用可變螺矩的導管空氣螺旋槳。導管使槳盤處的氣流得到加速，螺旋槳一部分尾渦變成導管的附著渦，引起導管上的環流，從而減少尾流的能量損失。

美國貝爾公司在1963年設計建造的不帶圍裙的水面滑行艇SKMR-1上首次采用導管空氣螺旋槳推進，以方便進出母艦的塢艙。相比于飛機，氣墊船的導管槳屬于低速型。幾型氣墊船導管槳的無因次推力比較如圖8所示。對于重載槳，應盡量采用多片槳葉，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量。T-2000引用了美國LCAC技術，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的升級換代產品，為大幅提升高海況下的越峰性能，導管槳在低速時的推力增加很大。

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

對高海況下運行的高密度氣墊船，由于導管槳功率大、推力大，靜水高航速時具有足夠推力，因此導管槳設計關注點應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，幾型氣墊船在第二阻力峰處的推力裕度見表3。

在CDIM-SDD設計研究的HLCAC（重載加長型LCAC）中，導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通過變槳葉數系列優化得出的導管槳構型，具有6片槳葉與7片槳后整流支臂，并經1/6縮尺模型風洞試驗驗證［4］。由于T-2000尾部無跳板，為提高導管空氣螺旋槳靜推力與推進效率，布置于艇尾的槳尺寸可設計得盡量大，槳直徑為3.9 m，功率系數CP約為0.363，而美國LCAC的CP約為0.546。T-2000應用CDIMSDD對導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），具體設計參數見表4。該型式導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構型式。

表3 幾型氣墊船在第二阻力峰處的推力裕度

表4 T-2000導管空氣螺旋槳設計參數

3 圍裙設計

T-2000采用CDIM-SDD開發的第二代深型響應圍裙，首部為單囊開式指、側部為單囊套指、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，但裙高與氣墊寬度的比值受墊態橫穩性的制約。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圍裙屬于自由設計，側部圍裙手指下端點位于剛性結構（圍裙外接點）垂線之外，圍裙響應度較大，T-2000航行試驗錄像表明其側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圍裙因進出母艦塢艙需控制側部圍裙充氣后的最大輪廓形狀（氣墊寬度），側部雙囊圍裙手指下端點位于剛性結構（圍裙外接點）垂線之內，圍裙響應度相對較小，圍裙阻力較大［5］。對T-2000側部套指圍裙進行成型計算，計算結果參見下頁圖12。

4 總布置優化

4.1 內傾多折角形封閉式上層建筑

出于隱形所需，T-2000上層建筑采用內傾多折角形，形成全封閉式結構，墊升風機進氣口開在上方，主機進氣口設置在艙頂上，利用航速沖壓進氣，參見下頁圖13。上層建筑采用復合材料，以減輕艇重。

4.2 墊升推進動力系統布置

該艇采用兩臺TF40燃氣輪機作為主動力，主機位于艇尾，縱向布置，向前驅動兩臺直徑1.8 m的墊升風機，向上驅動導管空氣螺旋槳，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，類似與國內小型氣墊船所用常規柴油機的排氣方式。T-2000主機向后排氣可產生附加推力，但也帶來一定問題，如燃氣輪機慢車工況時，排氣管下方的尾轉角圍裙尚未完全成型，該處圍裙突肩嚴重，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構，參見圖15。

風機蝸殼為雙進風雙出口型，每臺風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），雙出口墊升風機蝸殼縮小，下出口蝸舌部分埋入浮箱內，從而降低風機軸系高度與主機軸線，也降低艇的重心，而推進輸出軸通過齒輪箱升高，達到導管槳軸系高度要求。

4.3 格柵式低噴口首噴管設計

美國LCAC與英國的AP.1-88采用首噴管以增加推力，并為提高回轉性能提供操縱手段。AP.1-88首噴管從風機上出風口至噴管頂部高達2 m，而T-2000隱形設計要求艇外部安裝的系統與設備必須降低高度。為此設計了低外形的格柵式首噴管，每個雙出口蝸殼風機上部各設置一具首噴管，參見圖17。首噴管在上層建筑甲板之上的高度僅為0.78 m，使雷達面積大為縮小，且空間彎曲氣流經過彎頭時的沖擊與摩擦損失減小，而避免LCAC模式的兩臺風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用于美國CDIM-SDD提供技術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年的實船試驗結果表明首噴管推力與原設計預測大體吻合。T-2000具有優良的操縱性，在芬蘭群島的眾多島嶼之間高速巡邏時操縱自如，在某些運行狀態下的回轉率超過2 °/s，已超出美國LCAC的1.5 °/s回轉限界要求［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，已經發展了三代深型響應圍裙。其中，第一代應用于美國LCAC的延壽計劃，側部圍裙型式為雙囊套指。第二代即應用于芬蘭的T-2000上，由于不需要進出母艦塢艙，最大氣墊寬度不受限制，因此側部圍裙型式改為相對簡單的單囊套指，同時有限元分析（FEA）優化手指線形，消除手指應力集中［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，尤其是側部套指內指預期可達到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與常規開式指圍裙相比更溫和。這也與安裝第一代深型響應圍裙的LCAC上獲得的實船使用經驗相同［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用優勢。

在極區運行時，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，并開展了相應的自航模試驗（見圖21）。

6 結 論

本文詳細介紹芬蘭T-2000的設計特點，并簡要分析其總體性能。T-2000基于隱形設計需求，采用新穎的設計理念與大量的先進技術，使其快速性、操縱性和航行安全性均達到較高水平；并且，作為氣墊船特有系統的圍裙下部手指維護工作大為減少、壽命大幅提高，進一步提升了艇的維護性和保障性，降低了全壽命周期運行費用。作為美國先進氣墊技術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仍值得我們學習借鑒。

［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，FAST 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流體動力設計［M］.北京：國防工業出版社，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發展及分析［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發展及分析［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：氣墊船設計與研究。