水翼船原理特点及其使用与维修.pdf

JS 2000 3 02 船舶设计与研究 关键词 水翼船 船舶性能 船舶动力装置 维修 水翼船原理特点及其使用与维修 张大雄 摘要 在我国各地航线上营运的水翼船约有70余艘 虽然水翼船的发展已近百年 但对于我国航运界仍是 近几年接触的 新鲜 事 营运中发生的事故不少 这与对水翼船的原理 特点和使用中必需的相关知识尚未被 普及有关系 本文简要介绍了一些水翼船的原理 特点 包括航态和阻力特点 吃水特点 结构和材料特点 动力 系统特点 操纵特点等 可供操作 使用 保养 维修时参考 0 前言 水翼船是一种高速高性能的水上运输工具 是 航空机翼理论在船舶上的推广应用 几乎在飞机发 展的同时 就有人研究水翼船 在二次世界大战后 开始有民用水翼客船投入营运 各发达国家设计建 造的水翼船型号有数十个 其中以原苏联发展和使 用水翼船最多 在1970年前 以平均每年研制一个 型号的速度开发了12个型号 在1970年之后 又 开发了7个型号 在350余条航线 约4万公里航 程上曾有成千艘水翼船在服务 美国则重点开发高 级的全浸自控海上水翼客船 具有非常优越的耐波 性 意大利则成批生产沿海自稳式或自稳加自控割 划水面式水翼船 自成系列 我国自1959年建成第一艘铆接铝合金的浅浸 自稳式长江水翼客船 水翼一号 后 因缺乏大功率 轻型柴油机和可焊铝合金 以及生活水平的限制而 发展缓慢 为了开发军用水翼船 在水翼水动力特 性 水翼船性能试验研究和水翼理论研究方面经过 30余年努力 也曾试制多种自航试验艇 取得了丰 富的数据 资料和实践经验 共编写各种论文和试验 研究报告150余篇 1983年 在国际高速船会议上 发表的 新型长江水翼客船研究 一文 曾荣获以美 国水翼船学会主席 Peter Dorey 命名的银杯奖 1985年曾研制全铝焊接小型水翼客船 飞鱼号 于 1988年9月建成并试航成功 为我国水翼船发展事 作者介绍 张大雄1957年毕业于上海交通大学船舶工程专业 中国 船舶科学研究中心教授级高级工程师 享受国务院特殊津贴的专家 是国内水翼艇领域享有盛名的专家 收稿日期 1999 10 08 业揭开了新的一页 荣获部级科技进步二等奖 在 铝焊接船体建造 V型传动系统和耐波性 快速性兼 优的水翼系统等三方面取得了进展 是我国自稳式 水翼船从科研走向实用化的新阶段 应用该技术成果开发的80客川江水翼客船 歌 乐山号 于1996年在重庆建造成功 通过营运不断 完善 在更换齿轮箱后已正常营运在重庆 涪陵 航线上 经济效益相当好 1990年底 原中国船舶工业总公司同香港远东 水翼船务公司签约承制 PS30型全浸自控喷水推进 大型水翼客船 远东公司要求以世界上最先进的 美国波音公司制造的 喷翼型 自控水翼客船为比较 对象 采用同样的燃气透平 喷水推进动力装置 而 在性能上要更好 在大量技术人员的努力下 共完 成了19项试验研究和理论计算项目 解决了所有关 键技术 避开了波音公司为 喷翼型 申请的专利 确定了PS30的船体线型 水翼系统各参数 自控系 统各参数 水翼和支柱的强度 振动和疲劳计算 喷 水推进进水口唇部 流道 弯头 导叶和泵的特性参 数 以及外形气动力特性 共计20篇报告 内有900 余条曲线和资料 完成了大量的设计图纸和文件 在大型铝合金船的焊接和建造工艺 高强度不锈钢 水翼焊接和数控加工等方面取得突破性进展 使我 国的水翼船研制水平跃上世界水平的的新台阶 经 过4年努力 全浸自控喷水推进的大型水翼客船 北 星号 和 南星号 先后建成 下水 试航成功 不久即 投入港 澳航线营运 其起飞性能 排水量 载客 量和翼航航速都超过了 喷翼型 近两年 先后又有 远舟1号 远舟2号 和玻 璃钢水翼客船 渝飞号 投入营运 由于多方面的原因 目前国内航线上使用的国 江苏船舶 第17卷第3期7 产水翼船只有 飞鱼号 歌乐山号 远舟1号 远舟2号 和 渝飞号 等几艘 此外有俄罗斯的产 品 总数约70余艘 其中以 流星号 Meteop 最多 其次是 波里西耶号 onecbe 日出号 Bocxo 的最老的 火箭号 Paketa 等 水翼船虽已有上百年发展史 但对于中国航运 界来说仍是较新鲜的事物 它的特点 使用中的操 作 保养和维修等都需要熟悉过程 所以 已出现各 种事故不下十余次 严重的有失火 沉船 碰撞 搁 浅 机损等事故 因此 水翼船的维修工作也已是议 事日程上的事 本文拟介绍一些水翼船的工作原理以及操作 使用 保养和维修中的有关知识 以供参考 限于篇 幅 只作简单讲解 并偏重于自稳式水翼船 希望对 广大水翼船用户和即将成为水翼船用户的单位能有 所帮助 1 水翼船原理 优点和特点 111 水翼船的原理和优点 水和空气都是流体 飞机靠机翼在空气中高速 前进而获得升力 使巨大的机身凌空飞翔 将类似 于机翼的水翼装在船身底下 在高速航行时水翼在 水中前进也获得升力 把沉重的船身托出水面 只有 水翼 螺旋桨和舵等在水下 一般水翼船有前 后水翼各一只 也有另加一只 辅助水翼的 根据航区风浪 航速要求 排水量大小 和其他性能要求 水翼的外形设计成不同形状 同船 身基线成一定的夹角安装固定在船底下 根据获得 稳定性的方法不同 可分为自稳式 自控式和自稳加 自控式三大类 自稳式水翼又可分两种 一种为适 用于小风浪内河 最简单 阻力最小的全浅浸自稳式 水翼 如 流星号 它主要依靠水面浅浸效应获得 稳定性 水面浅浸效应是指水翼若同船一起横倾 接 近水面一侧水翼的升力变小的物理现象 另一种为 适用于沿海和深水区的V形深浸割划水面自稳式 水翼 如意大利的RHS型 它主要依靠侧翼面积效 应获得稳定性 即水翼若同船一起倾斜 一侧水翼浸 入水中面积增加 升力增大 另一侧则相反 以提供 扶正力矩 同时利用水面浅浸效应和割划水面面积 效应的称混合自稳式水翼 如 歌乐山号 远舟 号 混合自稳式能较好地兼顾快速性和耐波性 但 其设计难度较大 往往需要配合进行详细的船模试 验研究 使各参数选择恰到好处 自控式水翼的浸 深较大 约与弦长相等 其水面浅浸效应已很弱 同 时 它也没有割划水面的侧翼 因此也没有水面面积 效应 故不具备自稳性 必须在水翼上装多片襟翼 或其他可改变升力的装置 并由控制系统按设定的 飞高和各个传感器提供的信号 根据波浪的变化 不 断调整水翼左右侧和前 后水翼的升力 从而获得横 向和纵向稳定性 保持平稳航行 襟翼的控制力能 抵消波浪的扰动力 所以它有极佳的耐波性 但自控 系统失效时将无法保持翼航 北星号 南星号 为自控式水翼船 为进一步提高深浸割划水面自稳 式水翼的耐波性 可以加简单的襟翼自控系统 做成 自稳加自控的水翼 万一自控系统失效或风浪很小 时 可以自稳航行 它对自控系统的可靠性要求较 低 故可适当简化以降低造价 由于水翼船船体飞离水面 减少了船体的水阻 力 因此与同样吨位 同样航速的滑行艇或高速双体 船等比较 水翼船的阻力仅一半左右 即能用较小的 功率获得更高的航速 大大提高了经济性 水翼船 的经济航速范围约为55 75km h 超高速水翼船 航速可达100km h 54kn 左右 又因为船体离开 了水面 虽然是高速航行 但兴波 尾浪 很小 不会 冲刷 损毁堤岸或殃及附近小船 所以非常适合内河 高速客运 同样因为船体离开了水面 波浪对水翼 船的扰动力较小 正确设计的自稳式水翼系统在风 浪中有合适的运动响应 与同尺度 同航速的滑行 艇 双体船或气垫船等相比 其纵摇 横摇和升沉运 动均较小 全浸自控水翼则能自动操纵襟翼改变升 力 抵消波浪扰动力 故航行更平稳 其优越的耐波 性世所公认 所以自控水翼船是极好的海上高速客 运工具 112 水翼船的特点 11211 航态和阻力特点 水翼船有浮航 起飞和翼航三个航态 每个航 态对应不同的速度范围 相应有不同的阻力和纵倾 角的变化 参见图1 浮航航态与普通船基本相同 但船底下增加了 水翼 所以阻力增大 在风浪中 水翼增大了摇摆的 阻尼力 所以摇晃较小 浮航回转则比普通船需更 大的回转力矩 所以舵面积比较大 浮航回转直径 约8倍船长 一般都能满足浮航避让和靠离码头的 操作要求 若装有艏侧推器或左 右桨配合操作 则 靠 离码头的性能更佳 由于浮航阻力大 航速低 只有靠 离码头和特大风浪中才处于此航态 起飞航态是短时间的过渡航态 从浮航进入起 飞 阻力增大很快 主机处于重负荷工况 螺旋桨必 8 J IANGSU SHIP Vol 17 No 3 2000 须提供大于阻力的推力即有推力裕度 才能逐步达 到起飞离水速度 随着航速提高 水翼船的纵倾角 增大 船体滑行提供水动升力 前 后水翼也随速度 和攻角增加而提供更大的升力 当船体部分抬出水 面后 湿面积不断减少 阻力达到最大峰值后逐渐减 小 船速进一步提高 当水翼的升力增加至与排水 量相等时 船体离开水面 完成起飞过程 一般情况 下 应在一分钟内加速达到离水起飞 否则主机长时 间处于重负荷工况 会严重影响其寿命 显然 操纵 水翼船时 不宜将主机转速长时间停留在起飞峰值 状态下航行 因此 当前面有其他船或将转弯时都不 宜加速起飞 船体和水翼设计是否合理 相互配合 有较低的起飞峰阻值和较小峰阻域 主机的特性能 否在对应起飞的转速范围内提供较大的功率和螺旋 桨能否在此转速范围内吸收功率提供较大的推力 三者决定了水翼船的起飞性能是否优良 图1 水翼船航态特点和阻力 纵倾曲线 船体离水进入翼航状态后 阻力大减 纵倾角也 减小 航速进一步得到提高 船体飞高增加 翼航阻 力达到低限值后 随着航速的提高 水翼 舵 附件水 阻力和船身空气阻力等不断增加 总阻力将增大至 与螺旋桨推力相等 即达到设计翼航最大航速 我 们知道 普通排水型船的阻力大致随速度的3次方 增大 而水翼船的翼航阻力则大致随速度的112 113次方增大 所以水翼船是非常优秀的节能高速 船型 自稳式水翼船在船体刚离开水面时虽已进入翼 航航态 但此时船底已离水 不能提供浮力和滑行水 动稳定力矩 而水翼的浸深较深 自稳能力较差 若 受风浪干扰 会有较大的摇摆或跌入浮航状态 故不 宜在该航速下运行 所以操作人员应了解并掌握本 船可稳定航行的翼航速度范围或对应的主机转速范 围 以便在各种装载和风浪中选择适当的航速 轻 载时 水翼升出水面部分较多 阻力较小 所以翼航 航速可超过设计航速 但太高的航速可使自稳式水 翼船的水翼处于很小的浸深状态 受风浪干扰时会 发生跳动 此时应适当降低航速以保证舒适性 若 遇较大风浪 阻力增加 翼航所能达到的航速必然会 降低 即所谓失速 由于水翼船的船身在水面之上 同其他类型高速船如气垫船 双体船等比较 水翼船 的失速较小 当风浪中水翼船如行驶在高低不平公 路上的汽车一样有颠簸和跳动时 由于风浪干扰力 同航速的平方成比例 故可以主动降低主机转速 适 当减小航速 以略增加水翼浸深 可提高舒适性 11212 吃水特点 普通排水型船的吃水基本不变 水翼船则有船 型吃水 水翼收起浮航吃水 水翼放下浮航吃水 若 为固定式水翼则只有后者 和翼航吃水等值 并随航 态发生变化 最大吃水发生在起飞航态 大约是浮 航吃水的1125倍 航线上河床的任何一点都不应小 于此值 不能仅按翼航吃水考虑适航水深 因为水 翼船随时可能在航线上降落和起飞 当水深小于最 大吃水值时 会发生打坏桨叶事故 在选择航线时应 注意这一点 普通排水型船有浅水效应 浅水航行阻力将增 大 出现阻力峰值 并有吸底和尾倾现象发生 水翼 船在浅水中加速起飞也会出现浅水阻力峰 但此峰 阻常出现在本船起飞峰阻之前 不发生叠加 因此将 略增加起飞时间 影响不太严重 进入翼航航态后 河床对水翼来说是机翼的 地面效应 有增加升力 的作用 升阻比略有提高 所以 只要河道深度大于 水翼船浮航吃水的1125倍 不致打坏桨叶的浅水航 道 水翼船均能顺利通航 且航速不减 这是水翼船 的又一优点 11213 结构和材料特点 虽然水翼船阻力相对比较低 但为了获得高速 每吨排水量仍然需要20 40kW功率 约对应60 80km h航速 因此 在满足强度条件下 减轻船体 江苏船舶 第17卷第3期9 结构等重量就可获得更多的载客量 水翼船船体结 构一般不用钢材制造 小型水翼船可用玻璃钢 绝大 多数水翼船用铝合金建造 有铆接 焊接和混合结构 之分 早期设计的产品如原苏联的 火箭号 流星 号 瑞士的 PT50 PT70 等都采用铆接结构 铆接铝合金材料的强度高 但需要表面处理 焊接性 能极差 因为铆接工艺复杂 水密性差 生产耗工时 多 重量较大 所以逐步被淘汰 现代水翼船都用耐 蚀可焊铝镁合金建造船体 焊接生产工效高 结构重 量轻 维修也较方便 但铝合金需专门的氩弧焊设 备 并要求掌握相应的工艺 焊接变形比钢材大得 多 特别是3mm厚度以下的薄板较难焊接 为进一 步减轻重量 有些水翼船的上层建筑按强度要求仅 需1 1 5mm板料 所以上层建筑用铆接 船体用焊 接 结合二种工艺方法的优点 水翼的材料也有数种 俄制水翼船的水翼材料 大多数用1X18H9T 即我国的1Cr18Ni9Ti奥氏体 不锈钢 该材料强度不太高 焊接性能很好 可以用 焊条电焊 不需热处理 水翼采用空心焊接结构 美国水翼船用15 5PH马氏体高强度不锈钢 耐蚀 性能很好 但需要用氩气保护焊 焊后需热处理 工 艺较复杂 俄制浅吃水水翼船 波里西耶 的水翼用 铝合金材料 实心结构 表面可达到不锈钢同等光洁 度 有利于降低高速翼航阻力 且重量较轻 但铝合 金材质较软 碰撞水中漂浮物时易产生卷边或缺口 水翼的导边很重要 高速运动时 卷边会诱发空泡或 吸入空气 不仅阻力增大 而且会造成水动升力减小 或不稳定 所以应及时修复 小的缺口对升力影响 不大 但可引起应力集中 水翼在浪中承受高频交 变力 应力集中处常成为疲劳断裂的 导火线 国 外有些水翼用高强度钢焊接结构 表面油漆 造价较 低 但应定时除锈 保养 因为水翼表面光洁度不 同 翼航阻力可有很大差别 例如抛光的不锈钢表 面摩擦阻力系数为01002 5 而粗糙有锈的表面摩擦 阻力系数可达01005 5 摩擦阻力有成倍差别 最好的水翼材料是钛合金 强度高 重量轻 耐 腐蚀 几乎永不生锈 表面可抛光 只是价格贵 美 国 喷翼号 和我国 PS30 水翼的襟翼片即用钛合 金加工 它的寿命几乎是无限长 11214 动力系统特点 水翼船的动力系统多数用高速柴油机和斜轴螺 旋桨推进 并有直线斜轴 V形或U形斜轴传动之 分 流星号 和 波里西耶 都用直线斜轴 日出 号 用V形斜轴 意大利水翼船多数用U型传动 即 主机出轴接高弹联轴器 经万向节同反向出轴的齿 轮箱联接 再接螺旋桨轴输出动力 少数水翼船如 喷翼号 PS30 等采用燃气轮机喷水推进系统 国内水翼船的轮机人员大多数由操作中 低速 柴油机的普通船船员转行 因此 了解水翼船用高速 柴油机的特点很有必要 水翼船用高速柴油机的转速为1 500 2 600 r min 多数为2 100r min 具有转速高 功率大 重 量轻的特点 我国船检局规定的柴油机额定功率实 际为持续工况功率 但高速船 包括水翼船都不可 能用于24h连续营运的航线上 国外根据不同种类 高速船和使用工况确定主机的功率 转速 并相应配 置不同的零部件 如全年营运2 500 3 000h的高 速客船属于 船用间歇工况 根据这一工况确定该 机型的功率与转速 在船用间歇工况下 营运时使 用95 额定转速可持续运转 也可间断地使用 100 功率 转速 但累计时数不超过总时数的10 即250 300h 那么第一次大修期寿命可达到出厂 规定值 若超过以上使用条件 则将提前达到寿命 这一间歇工况功率要比连续使用的额定功率高得 多 高速柴油机多数配有转速高达10 000r min左 右的增压器 各运动部件的速度较高 所以润滑系统 是否工作正常 将严重影响其寿命 因此 在寒冷地 区机器起动前必须先加热滑油 而且每次出航前都 应有足够的低转速 暖机 时间 天气越冷需时越长 在全速使用柴油机前 最少应怠速或低速运转 15min 停机前则应怠速空转 等待机器温度降低 后才可关机 高速柴油机的喷油嘴很精密 有些国产高速柴 油机采用进口喷油嘴 其正常寿命可达3 000h左 右 若油质差 随便拆修喷油嘴 将缩短其寿命 水翼艇用高速柴油机一般机体的冷却水腔非常 狭小 因此生锈和水垢都将严重影响冷却系统畅通 因而要求在冷却水中加入专用的乳化油 按比例加 清洁水配制备用 高速柴油机对吸入空气的清洁度也有严格要 求 所以必须及时清洁进气滤器 某些柴油机如康 明斯等的进气滤器需装专用纸质滤蕊 因为污秽特 别是带有颗粒的空气吸入气缸将直接造成不必要的 磨损 吸气不足和吸入空气温度过高都将降低柴油 机输出功率 所以机舱通风应良好 影响高速柴油机使用可靠性最重要的也最难做 好的是保证日常使用的燃油 滑油质量 柴油质量 10 J IANGSU SHIP Vol 17 No 3 2000 不好 不仅影响发出的功率 更会加速积碳和引发一 系列故障 降低使用可靠性 缩短寿命 润滑油应严 格按规定牌号选购 定期更换 每天检查油池的油面 高度 按时清洗或更换滤清器 用于我国南方或重庆地区的俄罗斯水翼船 冷 却水系统常常发生问题 特别是夏天 常发生冷却水 水温偏高 这是因为这类船原设计用于俄罗斯 属 北方地区 常年温度较低 另一方面 按设计原则 冷却水进水口面积应尽量小 以减小翼航阻力 水 翼船的翼航速度很高 很小的进水口面积利用冲压 来流已能提供足够的冷却水流量 但是 若水中杂 物堵塞进水口 则将造成冷却水量不足 用于气温 特别高的地区 进水水温也会偏高 这一点可通过增 加冷却器来解决 高速柴油机的怠速转速比较高 因此一合上离 合器 螺旋桨即能提供较大的推力 船将向前冲出 靠 离码头操作时必须了解这一特点 因船侧有水翼 保持架 船底有水翼 一不注意极易碰撞受损 我国航运公司通过一些渠道购买的俄制旧水翼 船有的装有M400型机器 显然是很不合算的 有 的航运公司买到的所谓新柴油机实际上是大修翻新 的机器 作为判别的依据之一 1990年后生产的应 是M417或M419 M419型增加了中冷器 所以功 率得到进一步提高 为810kW 转速1 550r min 第 一次大修期为4 500h 用M417替换M400或用 M419替换M401型机非常方便 因为外形尺寸相 近 仅需改变增压器排气口连接管 排气管布置 冷 却系统布置等 而起飞工况对应的功率较大 可提高 起飞性能 且油耗降低 大修期延长 可大大提高营 运经济性 总之 尽量不要买M400或M401型机 最好买M419 其次可买M417 M型柴油机过去都配用鼓形瓜盘式反转离合 器 该离合器零件多达700多个 较易损坏 现已生 产多片圆盘式反转离合器 零件减为300多个 结构 简单 可靠性和寿命都得到提高 故买新柴油机时 应要求配圆盘式反转离合器 若买来的不是新机器 应特别注意检查和试验 随机的温度 压力传感器和报警装置 以免因为这些 仪表已失灵而发生毁机事件 广东某航运公司一艘 船曾发生滑油管故障 因低压报警失效 导致毁机 11215 操纵特点 水翼船的操纵系统与普通船差别不太大 多数 用轻型液压操舵机 使用 维护和保养要求与其他液 压舵机类同 但是 由于水翼船有浮航 起飞 翼航 三种航态 前两种航态舵全浸在水下 而翼航时舵处 于割划水面工作状态 舵的一半在水上 所以操舵动 作有所不同 浮航时操舵与普通船相同 起飞时应尽量保持 直舵 以免增加阻力而延长起飞时间 翼航时 船体 离开水面 水下仅有水翼 桨和舵等 航速又高 会有 一种漂动感 需要特别指出的是 翼航时不宜打大 舵角 因为舵处于割划水面高速前进状态 大于10 的舵角会导致空气吸入 舵力不增反减 波里西耶 型 水翼船的舵装在水翼支柱后 构成所谓襟翼舵 允许翼航时操较大的舵角 但不宜超过20 否则也 会吸入空气 正确的操作是掌握好提前操舵量 前 方有船时应提前操小舵角避让 这里特别指出 操 舵后 水翼船首先有侧漂 然后才回转 即有个 应舵 过程 同陆地上行驶的汽车操方向盘转向不同 参 见图2a b 图2 水翼船操纵航迹特点 可见 操右舵时 水翼船将有向左的 侧漂 操 左舵时 有向右的 侧漂 速度越高 操舵角越大 则侧漂量越大 因此 翼航时若发现前方有船 而且 距离很近时 如图2c 切忌按操纵汽车想象的轨迹 江苏船舶 第17卷第3期11 那样打舵操纵水翼船 否则将发生严重的碰撞事故 正确的处置应是立刻降低主机转速 让水翼船入水 浮航 水翼船入水后 水阻力大增 全速滑行的距离 比普通船短得多 这是很有利的水翼船避让特性 水翼船入水滑行的同时 可操30 大舵角避让 此时 舵不会吸入空气 船体入水后操舵时虽也有侧漂 但侧漂量小得多 故能避免事故 切忌为避让 不减 速降入水面而采用操大舵角的常规反应 另外 水翼船的舵机都采用液压助力舵机 操舵 时没有 手感 因此容易出现过猛的操舵动作 水 翼船船体抬升出水面后 重心较高 而舵在水下 舵 力对重心产生横倾力矩 操舵的同时常伴有横摇 若快速操舵 特别是左 右反复操舵 虽是小舵角也 会引起摇摆 航速越高摇摆越严重 影响舒适性 2 其他有关知识 以下介绍的一些知识并非特指水翼船 但也是 水翼船用户和船员常碰到的问题 211 轴系有关知识 水翼船的轴系包括桨轴 轴承 轴托架和螺旋 桨 俄制水翼船的桨轴材料常用2X13 即我国的 2Cr13高强度不锈钢 当受损或工作轴颈处磨损不 能再用须更换时 应选用同样材质的锻件 经探伤合 格后加工 轴承常用水润滑橡胶轴承 目前国内使用的水 翼船 当轴承和轴的配合间隙013 0 4mm时 轴和 轴承的水润滑状态良好 间隙112mm时为最大允 许磨损量 更大的磨损将引起轴系振动 应及时更 换 桨前轴架和轴承始终位于水中 可以依靠水流 冲入润滑和冷却 上排时应检查进水缝隙是否有堵 塞 中间轴托架的轴承在翼航时位于水面之上 必 须有专门的冷却水管由轴托架中孔道通入轴承