芬兰气垫巡逻艇T-2000设计特点与总体性能分析

张宗科

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

研究与设计

芬兰气垫巡逻艇T-2000设计特点与总体性能分析

张宗科

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

芬兰气垫巡逻艇T-2000是近期设计建造的一型全垫升气垫船，用于岛屿间的快速巡逻。其采用CDIM-SDD的第二代深型响应围裙系统、全新构型的首部矢量喷管，具有突出的快速性、操纵性及航行安全性，海试中创造了超过70 kn的气垫船最高航速，在众多岛屿之间操纵灵活便捷。为满足隐身要求，除采用低构型首部矢量喷管外，还采用多角形内倾复合材料上层建筑、低速大直径垫升风机与导管空气螺旋桨、风机全部顶部进气、主机冲压进气与水平向后直排出气等多项新技术。T-2000优良的总体性能以及新颖的设计理念和先进技术，值得国内设计人员学习与借鉴。

气垫巡逻艇；设计特点；总体性能；围裙

引 言

芬兰海军20世纪90年代制定“Squadron 2000”工程，计划建造4艘T-2000（Tuuli class）高速隐形气垫巡逻艇，1999年7月与Aker Finnyards船厂签订设计建造合同。美国CDIM-SDD公司负责为Aker Finnyards船厂提供设计支撑，主要是气垫船特有系统，包括轻型燃气轮机推进系统、垫升系统、围裙系统，并预报艇的快速性、稳性、操纵性、耐波性等总体性能，以及提供结构设计载荷输入［1］。为减轻T-2000船体质量，主船体浮箱由5000系列铝合金船用薄板焊接而成，上层建筑则由轻型碳纤维复合材料整体成型。2001年秋建成下水，2002年2月开始陆上试验，6月交付芬兰海军评估运行性能与军事应用能力，首制艇编号为Tuuli 10。

T-2000设计用于岛屿间的快速巡逻，航速高、越峰时间短、抗侧风能力强、操纵性良好、隐身性能好。实船测试航速超过70 kn，模拟安全运行边界条件试验，表明T-2000具有良好的抗低头埋首能力。作为一型性能优良的全垫升气垫船，下面介绍其设计特点，并对总体性能进行相应分析。

1 主要参数

T-2000不需要进出母舰坞舱，可进行自由设计，但为其提供技术支撑的美国CDIM-SDD公司负责美国气垫登陆艇（LCAC）围裙设计与总体性能分析，作为LCAC深型围裙系统（Deep Skirt）国外试验项目的一部分，CDIM-SDD将为LCAC研发的深型围裙改进版用于T-2000，以便在实船上检验围裙技术改进效果。

美国CDIM-SDD公司设计的T-2000刚性结构宽度、气垫宽度与高度同LCAC基本一致，浮箱高度（围裙内外安装边位置）也相同，围裙设计囊压比同为1.35，参见表1。

与美国LCAC相比，随着设计满载排水量下降，T-2000的无因次气垫密度大幅下降（如美国LCAC的无因次气垫密度为16，而T-2000仅为8），使T-2000阻力峰处的阻力大为减少（见图1），但高速时阻力将偏大。

表1 T-2000与LCAC主要参数比较

2 推进垫升功率分配与设计

2.1 垫升性能设计

参照国内常用全垫升气垫船无因次流量系数Qc′与压力系数Pc′的统计曲线，T-2000垫升系统所需要的气垫流量约为210 m3/s，见下页图2。

另一方面，T-2000隐形设计要求高，需要严格限制垫升时的最大噪声值，降低风机转速是最为有效的措施。CDIM-SDD利用CFD技术研发新型双出口风机，并制作风机模型进行性能试验［2］。研究发现，风机蜗壳尺寸可大幅减小而不影响风机的流量压头特性。风机模型试验表明，CFD分析预测的流量压头与试验结果一致，而预测的风机吸收功率略为偏高，见图3、图4。

CDIM-SDD为T-2000设计的风机转速仅为930 r/min，而风机直径为1.8 m。与美国LCAC相比，T-2000风机直径增大、转速降低，以满足低压头、大流量、低噪声需求。为达到垫升系统的流量压头要求，在风机叶片的随边加装了楔形块，见图5。

T-2000垫升风机在设计点处全船垫升流量为169.5 m3/s，风机总功率为2 000 kW［1］，与国内常用全垫升气垫船无因次流量压力特性曲线相比，T-2000垫升流量略偏低，参见图6。

2.2 阻力估算与推力需求

根据T-2000实船静水实测最大航速70 kn，由图7可见艇所需总静推力为105 kN左右，减去4个首推器产生的14 kN推力，则单个螺旋桨静推力为45 kN。根据参考文献［3］中螺旋桨静推力与功率的换算关系，并考虑船体阻塞效应对螺旋桨推力造成一定程度的衰减，则单个螺旋桨所需功率为2 150 kW，推进垫升功率之比接近大多数气垫船设计要求的1 ∶ 2。

综上所述，每舷推进垫升总功率需求为3 150 kW，实艇装备功率3 427 kW的TF40燃气轮机2台，其性能参数见表2。

表2 TF40船用燃气轮机技术参数

2.3 导管空气螺旋桨设计

由于全垫升气垫船在阻力峰之前航行时，航向稳定性差、飞溅大，需要尽快越出阻力峰。因此，除需考虑设计航速处的推进效率之外，还应考虑气垫船在越阻力峰时的推力储备或加速越峰时间，即低速或零速时的推力要求。

全垫升气垫船由于其垫态悬浮运行特点，只能采用高设的空气螺旋桨推进。但敞开桨尺寸大、噪声大，空气舵设置不便，故现行气垫船一般采用可变螺矩的导管空气螺旋桨。导管使桨盘处的气流得到加速，螺旋桨一部分尾涡变成导管的附着涡，引起导管上的环流，从而减少尾流的能量损失。

美国贝尔公司在1963年设计建造的不带围裙的水面滑行艇SKMR-1上首次采用导管空气螺旋桨推进，以方便进出母舰的坞舱。相比于飞机，气垫船的导管桨属于低速型。几型气垫船导管桨的无因次推力比较如图8所示。对于重载桨，应尽量采用多片桨叶，以增大盘面比，降低每片桨所承受的载荷，从而减小桨叶强度要求与质量。T-2000引用了美国LCAC技术，T/W提高，加上低阻力峰值，越峰性能明显提高。美国新一代气垫登陆艇SSC（舰岸连接器）是LCAC的升级换代产品，为大幅提升高海况下的越峰性能，导管桨在低速时的推力增加很大。

导管设计参数较多（如图9所示），对于功率系数CP＞0.4的重载导管桨，桨叶诱导的旋转气流动能较大，能量损失也大。为此，应在导管桨后采用整流支臂以尽量回收该旋转动能。此外，导管桨在设计时应严格限定桨叶叶梢与桨叶工作平面处导管内壁的间隙，以避免因叶梢的扰流而导致推力下降。如T-2000的叶稍间隙Δ为桨直径的0.36%，美国SSC的约为0.22%。某船曾因导管桨叶梢间隙偏大，导致实测推力比理论计算值下降达10%以上。

对高海况下运行的高密度气垫船，由于导管桨功率大、推力大，静水高航速时具有足够推力，因此导管桨设计关注点应为保障高海况下阻力峰处的推力裕度，以保证高海况下能越峰航行，美国正在研制中的SSC推力设计比较符合此点。为便于比较，选取第二阻力峰处的静水阻力为基准，几型气垫船在第二阻力峰处的推力裕度见表3。

在CDIM-SDD设计研究的HLCAC（重载加长型LCAC）中，导管空气螺旋桨吸收功率增加约50%，而同时桨需要满足母舰坞舱尺寸约束。CDIM-SDD利用ANSYS CFX5.6通过变桨叶数系列优化得出的导管桨构型，具有6片桨叶与7片桨后整流支臂，并经1/6缩尺模型风洞试验验证［4］。由于T-2000尾部无跳板，为提高导管空气螺旋桨静推力与推进效率，布置于艇尾的桨尺寸可设计得尽量大，桨直径为3.9 m，功率系数CP约为0.363，而美国LCAC的CP约为0.546。T-2000应用CDIMSDD对导管空气螺旋桨作的研究成果，其桨具有5片桨叶与7片整流支臂（见图10），具体设计参数见表4。该型式导管桨也用于韩国坞载气垫登陆艇LSF-II，只是LSF-II桨直径与LCAC桨（4片桨叶、5片整流支臂）同为3.58 m，而SSC桨直径不变，需吸收功率大幅增加，采用6片桨叶与7片桨后整流支臂的结构型式。

表3 几型气垫船在第二阻力峰处的推力裕度

表4 T-2000导管空气螺旋桨设计参数

3 围裙设计

T-2000采用CDIM-SDD开发的第二代深型响应围裙，首部为单囊开式指、侧部为单囊套指、尾部为单囊滑板指，见下页图11。

围裙高度与波浪中阻力及越障性能相关，但裙高与气垫宽度的比值受垫态横稳性的制约。裙高/气垫宽度一般取值范围0.125～0.17（裙高/气垫宽度范围1/6～1/7）。T-2000的裙高/气垫宽度的比值为0.15，已接近上限。

芬兰的T-2000围裙属于自由设计，侧部围裙手指下端点位于刚性结构（围裙外接点）垂线之外，围裙响应度较大，T-2000航行试验录像表明其侧部围裙在波浪中具有明显的随波起伏。而LCAC上安装的第一代深型响应围裙因进出母舰坞舱需控制侧部围裙充气后的最大轮廓形状（气垫宽度），侧部双囊围裙手指下端点位于刚性结构（围裙外接点）垂线之内，围裙响应度相对较小，围裙阻力较大［5］。对T-2000侧部套指围裙进行成型计算，计算结果参见下页图12。

4 总布置优化

4.1 内倾多折角形封闭式上层建筑

出于隐形所需，T-2000上层建筑采用内倾多折角形，形成全封闭式结构，垫升风机进气口开在上方，主机进气口设置在舱顶上，利用航速冲压进气，参见下页图13。上层建筑采用复合材料，以减轻艇重。

4.2 垫升推进动力系统布置

该艇采用两台TF40燃气轮机作为主动力，主机位于艇尾，纵向布置，向前驱动两台直径1.8 m的垫升风机，向上驱动导管空气螺旋桨，参见下页图14。为满足隐形需求，主机排气从向上排气改为从尾部排气，类似与国内小型气垫船所用常规柴油机的排气方式。T-2000主机向后排气可产生附加推力，但也带来一定问题，如燃气轮机慢车工况时，排气管下方的尾转角围裙尚未完全成型，该处围裙突肩严重，围裙外囊上端可接触到高温的排气管，造成围裙局部损坏。T-2000尾转角围裙外囊的一块门幅颜色明显不同，可能是受损后新更换的，为此，尾排气管下部加装了隔离外包结构，参见图15。

风机蜗壳为双进风双出口型，每台风机向上为低外形格栅式首推器供气，向下为气垫供气（参见图16），双出口垫升风机蜗壳缩小，下出口蜗舌部分埋入浮箱内，从而降低风机轴系高度与主机轴线，也降低艇的重心，而推进输出轴通过齿轮箱升高，达到导管桨轴系高度要求。

4.3 格栅式低喷口首喷管设计

美国LCAC与英国的AP.1-88采用首喷管以增加推力，并为提高回转性能提供操纵手段。AP.1-88首喷管从风机上出风口至喷管顶部高达2 m，而T-2000隐形设计要求艇外部安装的系统与设备必须降低高度。为此设计了低外形的格栅式首喷管，每个双出口蜗壳风机上部各设置一具首喷管，参见图17。首喷管在上层建筑甲板之上的高度仅为0.78 m，使雷达面积大为缩小，且空间弯曲气流经过弯头时的冲击与摩擦损失减小，而避免LCAC模式的两台风机部分气流先汇合再为一具首喷管供气所带来的损失。模型试验表明，低外形首喷管设计能满足T-2000对首喷管推力的要求。该新颖的格栅式低喷口首喷管也应用于美国CDIM-SDD提供技术支撑的韩国坞载气垫登陆艇LSF-II上。

5 实船试验验证

5.1 快速性与操纵性

2001年的实船试验结果表明首喷管推力与原设计预测大体吻合。T-2000具有优良的操纵性，在芬兰群岛的众多岛屿之间高速巡逻时操纵自如，在某些运行状态下的回转率超过2 °/s，已超出美国LCAC的1.5 °/s回转限界要求［3］。在静水试航中航速超过70 kn［1］，参见图18。

5.2 围裙与安全运行限界

美国CDIM-SDD基于AutoCAD 3D建模与Ship-CAM软件的放样展开功能，已经发展了三代深型响应围裙。其中，第一代应用于美国LCAC的延寿计划，侧部围裙型式为双囊套指。第二代即应用于芬兰的T-2000上，由于不需要进出母舰坞舱，最大气垫宽度不受限制，因此侧部围裙型式改为相对简单的单囊套指，同时有限元分析（FEA）优化手指线形，消除手指应力集中［6］，参见图19。实船运行情况表明，围裙手指超过400运行小时而无需较大维护，尤其是侧部套指内指预期可达到800运行小时的寿命。

套指围裙提高了艇高速航行时的最大回转率限界范围，同时低头埋首边界大大超出艇速/海况/重心纵向位置的运行限界，并且在模拟极限情况下的低头埋首反应与常规开式指围裙相比更温和。这也与安装第一代深型响应围裙的LCAC上获得的实船使用经验相同［7］。

5.3 越障性能

T-2000裙高2.234 m、指高1.325 m，均大于美国LCAC，具有不低于LCAC跨越1.0 m高垂直障碍的越障能力。T-2000实船越障试验见图20。

由于气垫船具有两栖性、越障能力强、装载能力大等特点，因此在南极、北极的极区考察研究中，较破冰船、直升机、小型雪地摩托车等具有一定的应用优势。

在极区运行时，气垫船的越冰障能力与围裙高度直接成正比。T-2000具有较大的裙高，CDIMSDD于2011年曾考虑将T-2000在北极或南极使用，并开展了相应的自航模试验（见图21）。

6 结 论

本文详细介绍芬兰T-2000的设计特点，并简要分析其总体性能。T-2000基于隐形设计需求，采用新颖的设计理念与大量的先进技术，使其快速性、操纵性和航行安全性均达到较高水平；并且，作为气垫船特有系统的围裙下部手指维护工作大为减少、寿命大幅提高，进一步提升了艇的维护性和保障性，降低了全寿命周期运行费用。作为美国先进气垫技术的国外验证项目的一部分，T-2000虽存在一些不足，但获得实船使用验证的新理念与新技术仍值得我们学习借鉴。

［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］马涛，邬成杰. 气垫船总体性能与围裙气垫系统流体动力设计［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［4］ FORSTELL B， KING A. Updating Handheld Technology for the LCAC. BLA Quarterly Digest［R］. 2010.

［5］傅华.美国气垫登陆艇围裙技术发展及分析［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］张宗科.美国气垫登陆艇的技术发展及分析［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

张宗科（1973-），男，高级工程师。研究方向：气垫船设计与研究。