小型氣墊船設計參數估算方法

虞 吉

（浙江金波船舶設計有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

氣墊船是指一種利用表面效應原理，依靠高于大氣壓的空氣在船體與支撐面間形成氣墊，使船體全部或部分脫離支撐面航行的高速船舶。氣墊船多用輕合金材料制成，船上裝有墊升風機和輕型柴油機或燃氣輪機等產生氣墊和驅動船舶前進的動力裝置，并具備空氣螺旋槳或水螺旋槳、噴水推進器等推進器。由墊升風機產生的高壓空氣，通過管道送入船底空腔的氣室內形成氣墊托起船體，并由發動機驅動推進器使船貼近支撐面航行。氣墊船的航行阻力很小，可使航速高達60～80 km/h。多用作髙速客船、交通艇、貨船和渡船，尤其適合在內河急流、險灘和沼澤地使用。氣墊船一般分為3種類型：1）以部分浮力作為輔助支撐的側壁式氣墊船；2）全部由空氣壓力支撐的全墊升氣墊船；3）低速時由空氣壓力支撐、高速時由動態升力支撐的地效翼船。本文研究的氣墊船屬于全墊升氣墊船。

在方案設計階段，確定氣墊船船體的主要參數尤為重要。本文提出一種針對小型氣墊船的設計參數估算方法，為后續精確計算提供參考。

1 小型氣墊船基本情況

受尺寸和功率的限制，小型氣墊船的動力系統大都采用單機單槳和雙墊升風機的形式。根據中國船級社（China Classification Society，CCS）《材料與焊接規范》要求，船體結構一般采用輕型鉚接鋁（5系/6系鋁材）以滿足輕量化、強度和防腐蝕的要求。小型氣墊船的圍裙結構一般采用囊指形響應圍裙。

2 主尺度設計參數

2.1 長高比

一般情況下，氣墊船的外形多數為非流線體，氣墊船的長高比對氣動阻力系數影響較大，一般取值1～5。若長高比小于1，船體尾流引起的形狀阻力較大；若長高比大于5，則船體摩擦阻力增加明顯。

2.2 壓長比

由于興波阻力與氣墊船壓長比息息相關，故壓長比對氣墊船的穩性和耐波性等總體性能有較大影響。一般情況下，將壓長比不超過10的氣墊船稱為低密度氣墊船，將壓長比超過10的氣墊船稱為高密度氣墊船。高密度氣墊船的阻力峰明顯、峰值較高，需保證具有足夠的推力儲備；而低密度氣墊船的阻力峰不明顯，且峰值較低，對推力儲備要求不高。

2.3 氣墊長寬比

由于氣墊長寬比直接影響氣墊周長，故其對圍裙濕阻力和波浪附加阻力影響較大。一般情況下，氣墊長寬比的設計范圍為2～3，當取值偏小時，興波阻力的峰值會有所增加。

2.4 流量系數

流量系數對阻力和有效阻升比有較大影響，選取流量系數時需考慮壓長比的大小。氣墊船在高速運行時，由于受到波浪的泵吸作用，平均飛高會下降，當圍裙觸水過多時可能會導致“埋首”現象。為避免“埋首”現象的出現，在選取流量系數時一般不能超過臨界流量系數，臨界流量系數設計范圍為0.8～0.9。

2.5 波高裙高比

波高裙高比對圍裙結構的附加阻力和失速性能有較大影響。結合氣墊船在波浪中的穩定航速，其失速比范圍為 0.6～0.7，相應的波高裙高比取值范圍為0.6～0.7。

3 圍裙系統設計參數

3.1 圍裙系統介紹

氣墊船的圍裙系統是直接關系到氣墊船整體阻力、穩性和耐波性等總體性能的特種系統，也是區別于其他排水型船舶的標志性系統。一般情況下，氣墊船的圍裙可分為2類：1）非響應圍裙，即在氣墊壓力與水動力作用下只發生褶皺不發生位移的圍裙，如筒形裙和指形裙等；2）響應圍裙，即在氣墊壓力和水動力作用下產生大幅度變形和位移的圍裙，如囊指裙和囊筒裙等。不同水況下響應圍裙的形態見圖1。

圖1 不同水況下響應圍裙的形態示意

3.2 氣墊泄流

氣墊泄流對氣墊系統的總體性能有明顯影響。如圖2所示，氣墊泄流常分為3種類型：1）周邊射流式；2）沿壁射流式；3）增壓室式。早期的氣墊船常采用周邊射流式泄流，目前大部分氣墊船常采用增壓室式泄流。

圖2 氣墊泄流類型

3.3 裙指

增加裙指高度可減小阻力、增強圍裙的耐波性和越障性，但會折減氣墊的面積、減弱氣墊船的穩定性；減小裙指高度會降低裙指剛度、增大阻力，容易造成“埋首”現象。

減小裙指傾角，會增強靜穩性，但也會增大推水阻力，一般以40°～50°為宜。氣墊船艉部拐角囊的裙指通常為封閉指，傾角范圍為60°～70°，可有效防止“兜水”現象的發生。

一般情況下，根據船模與實船試驗得到的波浪附加阻力回歸公式來選取指高裙高比，涉及范圍為0.5～0.6。

4 推進和墊升效率

4.1 推力和推進效率

目前，我國的小型氣墊船一般采用導管空氣螺旋槳，在方案設計階段可根據經驗公式對推力進行初步估算。需要注意的是，要在經驗公式得出的推力估算值基礎之上乘推力折減系數，推力折減系數由實船統計確定，一般取值范圍為 0.90～0.95。螺旋槳推力必須保證在工作狀況下快速越過阻力峰并達到設計航速。

推進效率的影響因素為螺旋槳的轉速和直徑，增大螺旋槳直徑、提高螺旋槳轉速可提高推進效率。相較于增大直徑，提高轉速的效果更明顯，但應注意轉速不得超過238 m/s。

4.2 墊升效率

在確定墊升效率時，需綜合考慮風機效率和氣道效率2部分。

1）風機效率

風機效率取決于設計的風機流量系數。我國氣墊船一般采用4-72或4-73型離心風機作為墊升風機。根據實船統計，風機效率取值范圍為0.80～0.95。

2）氣道效率

氣道效率主要包括風機進口損失、風機出口損失、圍裙大囊沿程損失和囊孔損失。綜合上述因素，氣道效率取值范圍為0.55～0.60。

綜合考慮風機效率和氣道效率，氣墊船的墊升效率取值范圍為 0.45～0.50。此外，根據鋁制離心風機葉輪強度極限，風機葉輪外緣的線速度應小于120 m/s。

5 實例驗證

為驗證本文提出的參數估算方法的有效性，本節通過實船算例對比估算參數和實際參數的差別。為顯示方法的一般性，選取2種不同類型的氣墊船（實船A和實船B）進行估算，兩型船的已知信息如下。

1）實船A：單機單槳，離心式雙進風墊升風扇，滿載排水量4.70 t，氣墊長度8.75 m，航速50 km/h。

2）實船B：雙機雙槳，離心式雙進風墊升風扇，滿載排水量16.10 t，氣墊長度17.10 m，航速50 km/h。

氣墊壓力的計算公式為

式中：為滿載排水量。

氣墊面積的計算公式為

氣墊寬度的計算公式為

式中：為系數，一般取0.90～0.95；為氣墊長度。

氣墊高度的計算公式為

式中：為系數，本例中取0.36。

壓長比的計算公式為

式中：為空氣密度；為重力加速度。

飛行高度的計算公式為

氣墊流量的計算公式為

式中：為系數，一般取0.5～0.6，本例中取0.56。

氣墊流量的計算公式為

氣墊長寬比的計算公式為

式中：長寬比的設計范圍為2～3。

氣墊高寬比的計算公式為

式中：高寬比的設計范圍為1/7～1/6。

臨界流量系數的計算公式為

式中：臨界流量系數的設計范圍為0.80～0.90；為航速；為波高。

失速比的計算公式為

風機壓力的計算公式為

式中：為氣道效率，取值范圍為0.55～0.60。

根據計算得到的風機流量和風機壓力，對離心風機進行選型。風機所需功率和推進功率之和即為主機功率。經過計算，實船A和實船B的估算參數和實際參數對比情況見表1。

表1 估算參數和實際參數對比情況

6 結論

為實現在方案設計階段快速確定主要參數、提高設計效率，本文提出一種針對小型氣墊船的設計參數估算方法，可快速確定船體主尺度、氣墊圍裙、裙指、推進效率和墊升效率等主要設計參數的范圍。經實例驗證，本文提出的參數估算方法是有效的。研究成果可為小型氣墊船方案設計和參數選取提供一定參考。