小水线面双体海事巡逻船设计.pdf

4 广 东 造船 2 0 0 4年第4期 小水线面双体海事巡逻船设计 李佳才 何正曼 ( 汕头大洋船舶工业总公司) 关键词 小水线面船双体船 巡逻船 一 刖 吾 二十一世纪是海洋的世纪， 要从战略高度认识海洋， 增强海洋观念， 维护海权， 开发利用 海洋， 保护海洋环境。 中国海事工作发展纲要中， 要求在“ 十五” 期内对5 0 海里水域内发生事件的快速反应 时间不大于3 小时， 并在不远的将来， 实现对专属经济区水域的有效监控。 我国东南沿海海域属亚热带海洋气候， 海况恶劣， 在外海6级强风以上的天数， 平均每 年超过 1 3 0 天。5 一 l 0月为台风季节， 台风经过时将产生狂风、 巨浪和风暴潮。粤东属台湾 海峡南口水域， 为我国南、 北运输的海上主通道和重要的渔场， 航行船舶种类多、 密度大， 推 荐航线在此水域有多处转向点， 是事故频发区域。 根据福建、 广东海域海事巡逻船的任务要求和航区特点， 采用经济型小水线面双体海事 巡逻船， 是实现海事巡逻现代化， 扩大巡视范围， 提高出航率， 改善工作条件， 更有效地完成 海事执法任务的有效措施。汕头大洋船舶工业总公司与国内知名的中国船舶科学研究中 心、 海军工程大学等科技单位合作， 经多年开发研究， 设计、 建造了我国第一型两艘小水线面 双体海关监管船， 通过三年多使用证实各项性能优秀， 己被国家计委、 国家经贸委、 科技部、 财政部联合评定为“ 九五” 国家重大科技攻关计划( 重大技术装备) 的优秀成果。最近又在 海军工程大学、 上海船舶运输科学研究所等科研单位的协助与技术支持下， 推出经济型小水 线面海事巡逻船的方案供有关部门研究采择。 二设计要点 按设计依据， 为确保巡逻船能在我国东南沿海的中、 高海况下， 有效地完成海事执法公 务为主线， 进行全船整体优化， 合理选型， 先进性与经济性综合考虑， 达到安全可靠、 使用维 修方便、 造价低、 使用维护费用省。针对巡逻船关键技术要求， 采用以下措施： l 船体结构 小水线面双体船的结构强度关系全船安全， 即使主船体材料采用高强度钢， 上层结构用 铝合金， 其船体结构重量仍超过排水量的一半， 既增加造价又影响快速性， 必需采取措施在 确保强度与刚度的前提下， 采用先进的结构形式、 材料和工艺， 减轻结构重量和节省造价。 本方案中， 采用“ 抗扭箱” 结构代替通常使用的“ 连接桥” 结构， 可使全船结构重量减轻 维普资讯 2 0 0 4年第 4期 广东造船 5 1 1 2 t-_ ； 主体钢结构与上建铝结构不用传统的复合金属条焊接， 而采用弹性座固定， 可减 少由船体结构传递的振动和噪声， 消除由于两种金属材料的温度线膨胀系数不同产生的热 应力和两种金属的电蚀， 并降低施工工作量和造价。 在风浪中， 船体受到复杂的交变载荷， 以及由于结构颤动产生的附加内力。为了增加船 体刚度、 抗疲劳和腐蚀强度， 本船主体结构避免采用高强度钢。 根据防蚀要求， 合理选用上层建筑及甲板室的铝合金材料。湿甲板外板用铝镁系 ( 5 0 0 0系列) ， 其余为铝镁硅系( 6 0 0 0系列) 等 C C S 认可的材料。同时争取采用带型材板或 空心壁板， 以减少焊接， 保证外形美观。 2 快速性 船舶快速性包括阻力与推进两个方面。在满足装载、 布置和相关性能的要求下， 进行全 船整体优化， 确定主尺度、 线型和推进系统， 达到任务书要求的设计速度 2 0 节及 1 8 节常用 航速时的经济性和风浪中低的失速。为争取优良的快速性， 拟选用单支柱小水线面双体船 型， 以减小兴波阻力和飞溅阻力。支柱后端切去， 设计航速时形成假尾， 增加支柱长度。 为降低动力装置的噪声和振动， 简化传动轴系， 尽量将主机和发电机组布置在潜体内。 但航速高的中、 小型船， 动力装置外型尺寸较大， 必需加大( 或局部加大) 潜体横剖面。按提 供相同的设备安装、 操作和检修空间比较， 圆型或分离圆的湿围长比带大圆角的矩形大， 为 此本船主机舱部分的潜体采用带大圆角的矩形剖面。但是， 以提供相同排水量的横剖面积 比较， 则圆形、 分离圆形的湿围长则较小， 故本船主机舱以外的潜体剖面尽量采用圆形或分 离圆。全船占潜体长的2 5 4 为圆形剖面， 2 3 9 为分离圆， 9 0 为带大圆角的矩形， 其 余为过渡形， 达到减小湿表面积和较好的排水体积分布的效果， 且施工方便。 本船吃水要求不大于3 6 米， 为保证螺旋桨与潜体的浸深， 将潜体轴线( 也是螺旋桨轴 线) 降低到距基线 1 3 米； 支柱前端装压浪条， 尾端加阻气板和航态稳定系统； 合理选择主 机机型和减速齿轮箱减速比。采取以上综合改善措施后， 本船能满足任务书最大航速为2 0 节， 4 级海况下仍能保证 l 8 节航速， l 8 节巡航速度时油耗较小等要求， 快速性优于同类型船 舶。 3 机、 电设备 小水线面船两个片体间距较大， 每个片体有独立的动力装置和舵设备。零速时利用螺 旋桨正、 反向推力， 可实现原地回转， 操纵性好； 当一侧片体受损后， 另一侧片体仍可继续航 行， 增加了生命力。但是， 形成了两个分隔的机舱， 每个机舱又有上、 下三层， 给操作管理带 来不便。 本方案按可靠性、 外形尺寸、 重量、 可维修性与价格综合考虑， 从两种主机候选机型中推 荐采用道依茨T B D 6 2 0 V 1 6 船用高速柴油机。柴油发电机组采用康明斯 粤南或洛阳柴油 机厂产品。主、 付机己具有很高的自 动化水平和遥控功能， 只需将油、 水和航态控制系统也 实现遥测、 遥控和自动报警， 设置驾驶室集控台和在主甲板以上的轮机员值班室( 机舱集控 站功能淡化) 及机旁的操作站( O s ) ， 以实用、 经济原则跟上船舶 自动化的进展， 消除管理的 不便， 向安全、 高效、 舒适发展。 4 特种装备 为了发挥小水线面双体船受控效果好的优点， 本船采用航态稳定系统， 显著改善本船的 快速性与耐波性， 保证航行安全、 节能和增加舒适性。从先进性、 实用性和经济性综合考虑， 维普资讯 6 广东 造船 2 0 0 4 年第4 期 本方案航态稳定系统保持固定尾鳍， 用阻气板尾襟和首鳍调整巡逻船以最佳纵倾角航行， 达 到航态稳定和减低推进功率。控制阻气板尾襟较控制尾鳍简单、 可靠和易于维修， 也减少对 螺旋桨来流的干扰。 小水线面双体船以往都采用减摇鳍以改善耐波性。巡逻船在海上采样取证、 救捞、 靠邦 等作业时， 处于摇摆最为剧烈的低速或零速状态， 正是需要减摇的时候减摇鳍的效能却降低 甚至丧失， 不能充分利用小水线面双体船受控效果好的优点。大洋船舶工程设计所引进具 有我国自主知识产权的专利技术， 除采用首减摇鳍外， 在船尾设通海水舱， 将固定水线面船 改进为能按需要调控的可调小水线面船。当风平浪静时， 大的水线面提供富裕的稳性， 减小 由于人员走动、 装载变化和全速回转产生的浮态变化； 当风浪增大时， 智能化控制系统自动 减小水线面积和惯矩， 增大自摇周期避免谐摇， 同时船成为主振体， 激动水舱中的海水成为 可控的消振体， 产生稳定力和力矩， 减小横摇、 纵摇和升沉， 最大摇幅可减小 3 0 以上。水 舱减摇效果受航速影响很小， 而且以零速最好。 对通海水舱与减摇鳍进行比较， 加水舱后， 水舱中的海水和控制系统总的质量约与减摇 鳍系统相当， 水舱控制系统总耗电量不及鳍控制系统的 1 1 0 ， 价格不及鳍的 1 5 ， 由于运动 机械少， 维修工作量小、 使用寿命长。 推荐本船选用的综合减摇系统为智能化控制的首鳍与尾通海水舱的最佳匹配。 5 主尺度与参数 小水线面双体船型的主要尺度和参数较常规单体船多， 其中重要的尺度和参数为： 潜体 长 L b ； 支柱长 L s ； 支柱厚度 T ； 潜体长径比L D； 浸深比f D； 支柱厚度比T L s ； 片体间距比 K L ； 支柱水线面积 A w ， 潜体去流角i r ； 支柱排水体积与潜体排水体积之比 s Vb ； 浮心纵 向位置X e ； 排水量长度系数V ( 0 1 L ) ； 佛氏数 V ( g L ) 等， 决定性的主要尺度为长度 L h 或 L s 。 船舶设计是平衡诸如装载、 布置、 快速性、 耐波性以及尺度限制等， 循序渐进求得总体最 优。按排水量3 8 0吨、 吃水不超过 3 6米的要求， 经科学计算得出设计航速最优的 L s 为 3 0 7 9米， 片体间距比K L b 为0 3 5 ， 浸探比为0 8 5 。 采用平行中体为 1 7米、 1 9 4 1 米、 2 8 5 3米三种长度的船模进行静水阻力试验， 船模试 验结果都换算到3 8 0吨排水量的实船， 摩擦阻力系数用 1 9 5 7 年 I T T C公式， 模型间实船换算 相关补贴系数取 0 0 0 0 4 。船模试验结果与优化计算求得的船长接近， 船长再增长有效功率 降低不明显， 但船长再缩短则有效功率剧烈增大， 表明排水量长度系数增大( 或潜体长径比 减小) ， 将引起剩余阻力系数猛增。 为保证小水线面双体船具有较好的快速性， 从设计到建造都要严格控制空船重量， 并留 一定的储备。 根据计算与初步试验， 取得经济型小水线面海事巡逻船的主尺度及参数如下： 总 长 3 6 5米 水线长 垂线间长 型 宽 型深 吃 水 3 0 8米 3 0 0米 1 4 8米 6 0米 3 6米 维普资讯 2 0 0 4年第4期 广东造船 7 排水量 潜体长 潜体最大轮廓 支柱长 支柱厚 支柱水线面面积 浮心纵向位置 湿甲板净高 3 8 0吨 3 3 5米 2 9 2 6米 3 0 8米 1 1 2米 5 2 0 9米 2 6 1米 2 5米 三费效比简要分析 采用常规排水型海事巡逻船， 若要