小型气垫船设计参数估算方法

虞 吉

（浙江金波船舶设计有限公司，浙江宁波 315000）

0 引言

气垫船是指一种利用表面效应原理，依靠高于大气压的空气在船体与支撑面间形成气垫，使船体全部或部分脱离支撑面航行的高速船舶。气垫船多用轻合金材料制成，船上装有垫升风机和轻型柴油机或燃气轮机等产生气垫和驱动船舶前进的动力装置，并具备空气螺旋桨或水螺旋桨、喷水推进器等推进器。由垫升风机产生的高压空气，通过管道送入船底空腔的气室内形成气垫托起船体，并由发动机驱动推进器使船贴近支撑面航行。气垫船的航行阻力很小，可使航速高达60～80 km/h。多用作髙速客船、交通艇、货船和渡船，尤其适合在内河急流、险滩和沼泽地使用。气垫船一般分为3种类型：1）以部分浮力作为辅助支撑的侧壁式气垫船；2）全部由空气压力支撑的全垫升气垫船；3）低速时由空气压力支撑、高速时由动态升力支撑的地效翼船。本文研究的气垫船属于全垫升气垫船。

在方案设计阶段，确定气垫船船体的主要参数尤为重要。本文提出一种针对小型气垫船的设计参数估算方法，为后续精确计算提供参考。

1 小型气垫船基本情况

受尺寸和功率的限制，小型气垫船的动力系统大都采用单机单桨和双垫升风机的形式。根据中国船级社（China Classification Society，CCS）《材料与焊接规范》要求，船体结构一般采用轻型铆接铝（5系/6系铝材）以满足轻量化、强度和防腐蚀的要求。小型气垫船的围裙结构一般采用囊指形响应围裙。

2 主尺度设计参数

2.1 长高比

一般情况下，气垫船的外形多数为非流线体，气垫船的长高比对气动阻力系数影响较大，一般取值1～5。若长高比小于1，船体尾流引起的形状阻力较大；若长高比大于5，则船体摩擦阻力增加明显。

2.2 压长比

由于兴波阻力与气垫船压长比息息相关，故压长比对气垫船的稳性和耐波性等总体性能有较大影响。一般情况下，将压长比不超过10的气垫船称为低密度气垫船，将压长比超过10的气垫船称为高密度气垫船。高密度气垫船的阻力峰明显、峰值较高，需保证具有足够的推力储备；而低密度气垫船的阻力峰不明显，且峰值较低，对推力储备要求不高。

2.3 气垫长宽比

由于气垫长宽比直接影响气垫周长，故其对围裙湿阻力和波浪附加阻力影响较大。一般情况下，气垫长宽比的设计范围为2～3，当取值偏小时，兴波阻力的峰值会有所增加。

2.4 流量系数

流量系数对阻力和有效阻升比有较大影响，选取流量系数时需考虑压长比的大小。气垫船在高速运行时，由于受到波浪的泵吸作用，平均飞高会下降，当围裙触水过多时可能会导致“埋首”现象。为避免“埋首”现象的出现，在选取流量系数时一般不能超过临界流量系数，临界流量系数设计范围为0.8～0.9。

2.5 波高裙高比

波高裙高比对围裙结构的附加阻力和失速性能有较大影响。结合气垫船在波浪中的稳定航速，其失速比范围为 0.6～0.7，相应的波高裙高比取值范围为0.6～0.7。

3 围裙系统设计参数

3.1 围裙系统介绍

气垫船的围裙系统是直接关系到气垫船整体阻力、稳性和耐波性等总体性能的特种系统，也是区别于其他排水型船舶的标志性系统。一般情况下，气垫船的围裙可分为2类：1）非响应围裙，即在气垫压力与水动力作用下只发生褶皱不发生位移的围裙，如筒形裙和指形裙等；2）响应围裙，即在气垫压力和水动力作用下产生大幅度变形和位移的围裙，如囊指裙和囊筒裙等。不同水况下响应围裙的形态见图1。

图1 不同水况下响应围裙的形态示意

3.2 气垫泄流

气垫泄流对气垫系统的总体性能有明显影响。如图2所示，气垫泄流常分为3种类型：1）周边射流式；2）沿壁射流式；3）增压室式。早期的气垫船常采用周边射流式泄流，目前大部分气垫船常采用增压室式泄流。

图2 气垫泄流类型

3.3 裙指

增加裙指高度可减小阻力、增强围裙的耐波性和越障性，但会折减气垫的面积、减弱气垫船的稳定性；减小裙指高度会降低裙指刚度、增大阻力，容易造成“埋首”现象。

减小裙指倾角，会增强静稳性，但也会增大推水阻力，一般以40°～50°为宜。气垫船艉部拐角囊的裙指通常为封闭指，倾角范围为60°～70°，可有效防止“兜水”现象的发生。

一般情况下，根据船模与实船试验得到的波浪附加阻力回归公式来选取指高裙高比，涉及范围为0.5～0.6。

4 推进和垫升效率

4.1 推力和推进效率

目前，我国的小型气垫船一般采用导管空气螺旋桨，在方案设计阶段可根据经验公式对推力进行初步估算。需要注意的是，要在经验公式得出的推力估算值基础之上乘推力折减系数，推力折减系数由实船统计确定，一般取值范围为 0.90～0.95。螺旋桨推力必须保证在工作状况下快速越过阻力峰并达到设计航速。

推进效率的影响因素为螺旋桨的转速和直径，增大螺旋桨直径、提高螺旋桨转速可提高推进效率。相较于增大直径，提高转速的效果更明显，但应注意转速不得超过238 m/s。

4.2 垫升效率

在确定垫升效率时，需综合考虑风机效率和气道效率2部分。

1）风机效率

风机效率取决于设计的风机流量系数。我国气垫船一般采用4-72或4-73型离心风机作为垫升风机。根据实船统计，风机效率取值范围为0.80～0.95。

2）气道效率

气道效率主要包括风机进口损失、风机出口损失、围裙大囊沿程损失和囊孔损失。综合上述因素，气道效率取值范围为0.55～0.60。

综合考虑风机效率和气道效率，气垫船的垫升效率取值范围为 0.45～0.50。此外，根据铝制离心风机叶轮强度极限，风机叶轮外缘的线速度应小于120 m/s。

5 实例验证

为验证本文提出的参数估算方法的有效性，本节通过实船算例对比估算参数和实际参数的差别。为显示方法的一般性，选取2种不同类型的气垫船（实船A和实船B）进行估算，两型船的已知信息如下。

1）实船A：单机单桨，离心式双进风垫升风扇，满载排水量4.70 t，气垫长度8.75 m，航速50 km/h。

2）实船B：双机双桨，离心式双进风垫升风扇，满载排水量16.10 t，气垫长度17.10 m，航速50 km/h。

气垫压力的计算公式为

式中：为满载排水量。

气垫面积的计算公式为

气垫宽度的计算公式为

式中：为系数，一般取0.90～0.95；为气垫长度。

气垫高度的计算公式为

式中：为系数，本例中取0.36。

压长比的计算公式为

式中：为空气密度；为重力加速度。

飞行高度的计算公式为

气垫流量的计算公式为

式中：为系数，一般取0.5～0.6，本例中取0.56。

气垫流量的计算公式为

气垫长宽比的计算公式为

式中：长宽比的设计范围为2～3。

气垫高宽比的计算公式为

式中：高宽比的设计范围为1/7～1/6。

临界流量系数的计算公式为

式中：临界流量系数的设计范围为0.80～0.90；为航速；为波高。

失速比的计算公式为

风机压力的计算公式为

式中：为气道效率，取值范围为0.55～0.60。

根据计算得到的风机流量和风机压力，对离心风机进行选型。风机所需功率和推进功率之和即为主机功率。经过计算，实船A和实船B的估算参数和实际参数对比情况见表1。

表1 估算参数和实际参数对比情况

6 结论

为实现在方案设计阶段快速确定主要参数、提高设计效率，本文提出一种针对小型气垫船的设计参数估算方法，可快速确定船体主尺度、气垫围裙、裙指、推进效率和垫升效率等主要设计参数的范围。经实例验证，本文提出的参数估算方法是有效的。研究成果可为小型气垫船方案设计和参数选取提供一定参考。