喷泵推进穿浪式双体船适航性改进探讨

杨志强

摘 要：本文对目前使用的喷泵推进穿浪式双体船（SPWPC）的适航性进行研究探讨。根据（SPWPC）在航行过程中存在的一些适航性方面的问题参考目前在这一领域的研究成果进行分析，并研究探讨加装一种减摇穿浪板装置，以改进其适航性能。

关键词：喷泵推进器（SP）；穿浪式双体船（WPC）；纵向稳定性；减摇穿浪板

中图分类号：661.32 文献标识码：A

1 前言

喷泵推进穿浪式双体船（简称SPWPC）是近十几年发展起来的一种高速船，目前这种船已开始向大型化发展，应用于短程客运和军事用途。但由于这种船的快速性与适航性对船型的技术要求存在矛盾，而且不能在高、低速时同时具有良好的适航性能，所以这已成为这种高性能船舶设计的一大难题。

2 SPWPC的适航性理论分析

2.1 SPWPC的稳性影响

SPWPC的主、辅机等船舶机械、燃油舱、水舱都置于两个浮体之中，4台喷泵也设置于水线位置，因此其重心较低，在空载时就像个不倒翁似的浮在海面，即使是满载时，初稳性高度也很高，因此在航行时如遇浪涌，当浪涌波长接近船长、波幅大于或等于浮体高度时摇荡就十分激烈，使SPWPC的适航性能较差。

2.2 SPWPC的波浪阻尼影响

SPWPC的满载水线在两个浮体的上端，且浮体与连接桥平台连接有浮力储备过渡，因此不管在空载或满载时其水线面积都较大，产生较大的兴波阻力，当遇到浪涌时受到的干扰力矩就较大，且两个浮体前端是箭状流线，对摇荡的阻尼力很小。因此船的纵向摇荡和垂荡就较大。

2.3 SPWPC的尾端影响，

SPWPC的4台喷泵装置伸出尾封板向外喷水柱，它们确实起到了减少纵摇荡的作用，但是它们高速喷出的水柱产生的推力，对于相对阻尼力矩较小的船首前端双浮体来说，就象软管一样产生了激励摇荡作用，使喷水软管来回摆动。

从以上的分析可知，SPWPC的缺点就是船首对纵向摇荡的阻尼太小，兴波阻力又较大，因此浪涌对它产生的干扰力矩就很大，遇浪涌时纵向激烈摇荡，在紧急停船时首倾严重。

3 SPWPC的性能特点

3.1 SPWPC的优点

（1）船体结构方面

船体采用全铝合金材料，重量轻，船体采用小水线面双浮体结构，增加了船的平台使用面积，减少了航行的兴波阻力，有利于船的快速性和适航性。但是SPWPC的结构与通常概念上的小水线面船（SWATH）又是不同的，它的水线在两个浮体的上部而不是整个浮体潜入水中，平台连接桥与两个浮体的连接有一定的浮体面积过渡，这样有利于在各种装载情况变化时不会产生吃水线的突变。

（2）推进装置方面

SPWPC采用4台流导式喷泵喷水推进，大大提高了船的操纵性能，可实现横向移动、低速舵效、原地回转、紧急停船和无离合器倒退等，还具有静音性能、推进效率高等优点，远优于螺旋桨推进。

3.2 SPWPC的缺点

虽然SPWPC具有以上多种优越性，但也存在着一些缺陷，如果用于高级客船、测量船等对适航性要求高的情况，还有许多需要改进的地方：

（1）SPWPC的海况适应性

由于SPWPC的长宽比较小，在遇到较大的浪涌时，纵摇和垂荡都比较大，影响了它的平稳航行和舒适性。

（2）SPWPC的安全性

SPWPC在遇到紧急情况下，停船倒退时，由于喷泵的反向喷射产生一个力矩使船身急速地向前倾斜较大角度，高速时可能导致翻转，使其安全性大大降低。

（3）SPWPC的推进效率

SPWPC在空载或压载不均匀的状态下航行时都不是其最佳状态，因为只有在满载时当船首两个浮体完全潜入水中时船的水线面积才最小，这时的兴波阻力最小；而当船尾的4个喷泵都全在水线以下喷射水柱时，这时推进效率才最高。也就是说，SPWPC无法在不同的装载情况下航行均能实现最佳效率。

4 改善SPWPC适航性能的研究现状

（1）在单体深V型船体下加装类似球鼻首的半潜体（图1），安装后对减少阻力和改善适航性能都有良好的效果；

（2）在船中央船体龙骨下方安装一个半潜体被动鳍（WPM），形成穿浪多体船（图2）。这样对改善穿浪双体船的阻力与适航性能有明显的效果，在谐振区附近和较高的波浪频率范围的对减少纵摇和升沉有较好的效果，哈尔滨工程大学的研究证实了这一设想的正确性和可行性；

（3）澳大利亚的Incat高速船公司采用倒T型水翼代替中央船体上的WPM进行减摇，经哈尔滨工程大学的试验证明，倒T形水翼在更大的波浪频率范围内对减小纵摇、升沉和首尾加速度都有很好的效果。

（4）美国Havatek公司Tadd复合增升体船，就是在首尾加组合固定水翼来提高适航性能。

图1 球鼻首SSB

图2 半潜体WPM

图3 被动倒T型水翼

5 设置主动减摇穿浪板装置的探讨

（1）综合现有的各项研究成果，如上述Incat高速船公司的倒T型被动式减摇水翼外，可以探讨对喷泵推进穿浪双体船进行创新改良，设置主动减摇水翼装置，如图4所示。

（2）设计一种新的船型，将两个船首设计为扁宽下潜球鼻首，球鼻首之间安装主动式一字减摇水翼，如图5所示。这样就能大大的改善SPWPC的适航性能。

图4 主动减摇水翼设想

图5 主动减摇水翼设想

6 主动减摇穿浪板装置的方案

6.1 对现有的SPWPC进行改良

见图4 。

（1）在船的两个浮体前端水线下设置一个流线型水翼，水翼之两端轴与两浮体内侧设置水密封轴承相接；

（2）船首舯底部安装液压杆，伸出的液压杆活动杆端与水翼中部往后一定距离安装的绞链相接；

（3）液压杆设置液压糸统、波浪纵摇感应器及电路控制糸统，自动控制液压杆的伸缩，控制水翼升降角度；

（4）工作原理：在船遇到浪涌时航行，水翼本身起到波浪摇摆阻尼的作用，波浪纵摇感应器感应纵摆的信息，传给电路控制自动控制液压杆的伸缩，控制水翼升降角度，产生升降的力矩来抵消船摇晃的力矩，从而使船在浪涌中平稳地航行。

6.2 对新造的SPWPC船设计设想

见图5 。

（1）把两船体首流水线下端设计成宽扁流线型下潜球鼻首的两个浮体；

（2）两个浮体之间设置一个流线型水翼，水翼之两端轴与两浮体潜球鼻首内侧设置水密封轴承相接；

（3）在两个下潜球鼻首浮体内都安装有液压杆、液压控制电路、波浪纵摇感应器及电路控制糸统，自动控制液压杆的伸缩，控制水翼升降角度；

（4）工作原理：在船遇到浪涌时航行，设计的两个下潜球鼻首（无论空、满载都处于水线下）和水翼都能起到波浪摇摆阻尼的作用，在两个下潜球鼻首内都设置液压控制系统，液压杆伸缩连接水翼的力臂使水翼与水平面升降角度，产生升降的力矩来抵消船摇晃的力矩，从而使船在浪涌中平稳地航行。这种装置与现有的船舶横向减摇鳍原理相似，有现成的舵操纵机构可借鉴。

7 新设计SPWPC对适航性能的改进

（1）在正常（风平浪静）航行状态下，无论船的装载情况如何，穿浪板在液压杆的伸缩调整水翼与水平成一个角度，从而产生一个升力矩或降力矩，可以调整船的姿态使之在最佳纵倾下航行；

（2）在紧急停船时，液压杆立即伸出使穿浪板与水平成一个升力矩和阻力最大的角度，升力矩与喷泵反向喷水产生的力矩方向相反大小相等相互抵消，使船不会产生首倾而处于平稳状态；

（3）当船在较大浪涌中航行时，因整个穿浪板在水线以下，增加了水下面积，从而增加了对船纵向摇荡的阻尼力矩，大大减轻了纵向摇荡。且设置了纵向摇荡感应器，将摇晃的信息传送给控制电路，再控制液压分配模块使液压杆伸缩，在穿浪板上形成升降力矩来抵消浪涌导致的纵向摇荡力矩，使船在大浪涌中平稳航行。

8 结论

设置了主动减摇穿浪板后，使SPWPC的适航性能大大提高，虽然增加了一些阻力，但可调整的航行状态，降低了兴波阻力，因此对船舶的速度影响很小。主动减摇穿浪板的设置使SPWPC适合于在大浪涌的海域高速平稳地航行，成为人们追求的一种“全天候”愿望，这对于大型军力远距离投送和高级民用客运的安全性、舒适性、经济性都有重大的意义。

参考文献

《高性能船舶原理与设计》赵连恩，谢永和编著.国防工业出版社.