高性能船-小水线面双体船

高性能船舶水动力学综述SWATH的快速性SWATH船型与性能的关系SWATH的船型优化与改进隐身船型第四章小水线面双体船2一、综述3需求中小排水量下大幅提高耐波性4小水线面双体船Small

Water-Plane-Area

Twin

Hull51880年兰德堡(C.G.Lundburg)以其首次提出单体半潜船概念获专利1938年柯立德(FrederickG.Creed)加拿大人向英国海军部提出小水线面双体航空母舰的设想，几年后，被允许转交给美国海军，但他们都未注意这一新概念。1946年柯立德，获得英国专利1959年波瑞克(H.Boericke)建议的流线型鲨鱼状单体船，启动了美国海军改进高速半潜船的活动1965年麦克考勤(AlanMcclure)于休斯敦提出海中深钻平台设想建议“莫霍”(MOHOLE)，做为可移式钻井平台，其构成与布雷尔(Blair)的方案相似。1967年里奥波德博士(Dr.ReuvenLeopold)在利登公司向美国海军提出改进高速三体船(TRISEC)概念，建造了12吨的半潜双体载人自航试验艇，长7.6米，采用8.84千瓦挂机为动力，航速8节。他为此于1969年6月获得专利。小水线面双体船发展简史61968年麻雀理工学院学生提出将“莫霍”平台发展为流线型的改进型设计方案，并开展了模型试验，被称为半潜双体船(SSC)。1969年美圣迪哥海军水下中心(NUC)的朗博士(DrTomLang）对一种高速半潜双体船概念在阻力、稳性及动力响应方面开始集中研究开发，并于1971年获得美国专利。此概念的关键技术是在船的重心以后的双体内侧，设置了可调正的水平鳍，使船的纵倾与高速时纵摇运动得以稳定。1969年做了近500次水池船模试验，而1970年又做了敝水船模试验。1970年日本三井工程与造船公司，开始半潜双体船的基础研究。1971年兰包耶尔船厂试制的“杜普鲁斯”号(Duplus)世界首创低速小水线面双体船下水，1971年建成。该船长40米，排水量1200吨。其设计师也是荷兰造船工程师斯坦格尔(J.J.Stenger），他以自航油井探测供应船为母型，又参照潜艇在潜望镜深度时波浪干扰影响较小的经验，完成了新设计。该船用于大陆架海区钻探和潜水工作。在两个下潜体之间设有连接翼板，在翼上设有4个直翼推进器以供定位操控。小水线面双体船发展简史71972年美海军水下中心的工程师们在经过18个月的研究和约30个月的设计和船模验证试验，1972年6月开工建造190吨级“卡玛利诺”号小水线面双体靶场保障船，终于在1973年3月下水，10月开始试航，随后经过20个月238个航次的全面科研考核性试验，既证实了优秀的耐波性，又积累了大量实测数据，为今后小水线面双体船发展打下技术基础，并成为世界上首艘实用小水线面海洋工作船，至今仍在出色的营运。1973年SWATH做为小水线面双体船的缩略语，被美海军权威技术人士肯定，并认为这一称谓比“半潜双体船”(SSC），更利于推广应用，也从概念上有别于常规双体船。1979年三井工程与造船公司在1976年建成18吨、载20客试验艇“海上能手”号后，1979年建成世界上第一艘商用MESA80型陆岛间小水线面双体客渡船“海鸥”号，载客446位，航速26.5节。采用左右单支柱，共有4个水平稳定鳍。营运海况达到有义波高3.5米，4级海况时失速仅2%。10年后1989年交付的“海鸥-2号”航速提高到30节以上，仍作陆岛间客渡用。小水线面双体船发展简史81980年70年代末日本运输省考虑新建一艘高性能海上测量船，要求高耐波性、高适居性、高操纵性、宽敞的甲板面积及舱容等。三井工程与造船公司，推荐小水线面双体船型获准，并以钢铝混合结构方案中选，1980年12月建成“轻骑”号小水线面双体水文观测船。1981年三菱造船公司也建造l艘基本同型的“大鸟”号水文观测船，分别服务于日本沿海。1985年日本三井建成3500吨级“海洋”号潜水作业兼海洋考察船，隶属曰本海洋科学技术中心，成为世界上第一艘大型小水线面船。1989-1990年从1977年起美塞德博士(Dr.LudwigSeidi)开始与太平洋海事服务公司合作开发小水线面双体船商用方案，1980-87年做研究试验和设计，1987年筹资开工建造“纳瓦台克I”号(NAVATEK-I)观光游览船，1989年2月下水，1989年4月起试航。随后经常在平均波高3.65米条件下航行和试营运。1990年获美国海岸井备队颁发的可跨洋运载400名旅客的证书，成为美国和世界上首艘获准商业性海洋客运的小水线面双体船。小水线面双体船发展简史91991年“胜利”级小水线面双体水声监听井戒船，从1986年起设计建造，1991年建成，由美海军组织开发。该船长71.5米，排水量约3396吨，是共建4艘中的首制船，交付给美军事海上运输司令部。在1991-92年冬季北大西洋和北太平洋试航中证明在有义波高5.4米时可100%正常作业而同级单体船只能10%。6级海况时最大横摇角(单幅)小于5.8°，最大纵摇角(单幅)小于3°。1992年芬兰造船厂向钻石旅游公司交付世界上第一艘“雷迪逊钻石”号小水线面双体豪华旅游客船，船长131米，达到18000总吨，是至今为止世界上最大的小水线面船。1993年世界上第l艘所谓隐身船“海幽灵”号，是美海军一艘A形框架、50米长的小水线面双体船，由洛克希德导弹与宇航公司在80年代中期开发建成。它在“大众机械”月刊1993年7月号的封面上出现，才算部分解密，并向公众透露。小水线面双体船发展简史101994年美国海军委托海事应用物理公司开始研制单支柱单下体带可控水翼的小水线面试验艇"搜寻"(QUEST)号，1995年进入海上试验，1996-1997年在大西洋做扩大鉴定试验，该艇为铝质，实测浮航排水量12.2吨，最大航速35节，在4级海况下有很好适航性，5级海况(浪高2.44米)时，仍能保持30节以上航速。美国海军旨在探索小水线面船高速化的新途径。为此，该公司已于1999年末推出800吨级45节和300吨级36节两种军、民用艇的设计方案。1995年日本三井公司开工建造“宇宙”(cosMos)号小水线面双体油田交通船，载客100位，排水量近155吨，航速20节，当年10月交船。由日本汽船公司组织营运，开创出在太平洋为近海石油产业服务的小水线面倒班交通专用船的先例。美国随后也为大西洋美国与巴西之间的近海石油产业开发了“静水河”(STILLWATERRIVER)号小水线面双体油田交通船，载客250位，排水量约200吨，用燃气轮机为主机，航速达29节，已于1999年交付美国路易斯安那州坎可海事服务公司组织营运。以上两艇均为铝质，营运中证实可全海侯保证稳定航班，保障近海油田生产。1997年丹麦与澳大利亚合作开发了MaiMols号半小水线面高速车客渡船，适应于中低海况下使用，把中型小水线面船航速提高到40节以上。小水线面双体船发展简史111998年美国洛克希德·马丁公司在美海军投资领导下，开发出“斯菜司”号（SLICE)小水线面四体多功能试验艇，确保艇速在5级海况下，任意航向仍达到30节，比设计最高航速31节，最多降低l节，开创了高速高适航小水线面船的新路。1999-2000年德国A&R造船公司1993年开始研究开发小水线面双体船并把应用目标投向港监引水，1996年被德国交通港务部门认可，开始设计建造被称为“2000年引水系统”，包括50米长的引水母船和25米长的引水交通艇，均采用小水线面双体船型，并要求确保在北海3.5米有义波高条件下正常作业，现“多塞”号、“易北”号两型都已成功地在营运中。小水线面双体船发展简史12几种SWATH的主要尺度与性能13Silver

Cloud

SWATH14PRINSESMAXIMA渡船船型37米旅客/脚踏车小水线面双体渡船37mPassenger/BicycleSwathFerry设计单位NGA公司NigelGeeandAssociatesLtd建造单位荷兰达曼船厂DamenShipyards船级法国船级社BureauVeritas总长37.40米水线长33.92米型宽17.00米吃水

4.20米最高航速16.5节服务航速14.5节船体材料高密度钢上层建筑材料铝合金主机系统2xMTU12V4000M40B,2xAVRgeneratorDSG74L2-4,2x1440KW(950Vdc)辅机

2xGrevekMotorenBV3306,2x150kW推进器2xINDARACP-500-M/6EPM装载量181名旅客、75辆自行车和20辆机动脚踏两用车15Sea_SLICE16SWATH主要优点在高航速时，静水阻力性能和波浪中阻力性能好推进效率高耐波性能好，能在恶劣的海况下平稳的航行具有宽广的甲板面积和充裕而规整的使用空间，有利于总体布置航向稳定性好，低速时，船的回转性较好建造成本低，建造周期短静稳性好，具有较强的生存能17SWATH主要缺点湿面积大，摩擦阻力较大船体结构重量比相同排水量的单体船要大SWATH的吃水和船宽要大于相当排水量的单体船保证在较高航速时的纵向运动的稳定性比较困难高速回转半径较大对小型SWAIH主机布置比较困难舾装、辅机设备数量较多，要求高，重量大18船型的优势在于其优异的耐波性、宽阔的甲板面积和充裕的使用空间；其不足之处也许是它的船体结构强度、设备复杂而重量较大，以及由此而导致的一系列问题。191、双体问题阻力->兴波干扰、阻塞效应耐波性->螺旋运动（横摇与纵摇的耦合）2、片体的细长(或窄长)性所引起的问题容易利用线性兴波理论计算粘性阻尼与兴波阻尼相当3、纵向运动稳定性问题4、横向波浪诱导载荷问题SWATH性能特点20二、SWATH的快速性211．中、高速时阻力性能较优22在波浪中的失速较单体小得多23SWATH片体的下部主体是比较规则的细长体，在其尾部桨盘处的伴流既均匀又比较丰满，有助于船身效率的提高；与单体船相比，SWATH的螺旋桨直径选取时所受的限制较少，在设计时可选用敞水效率较高的大直径低转速螺旋桨方案。推进效率高SWATH在快速性方面的另一个优点是其推进效率要比单体船高出10％一45％o其原因有二：24三、SWATH的船型与性能的关系25RT=RW+RV+RAPP+RAW式中：RW—兴波阻力RV—粘压阻力

RAPP—附体阻力RAW—波浪中航行时的波浪曾阻1、SWATH的阻力性能26RW=RWB+RWS+2RWBS式中: RWB——主体自身兴波阻力；

RWS——支柱自身兴波阻力；

RWBS——主体与支柱之间的干扰阻力兴波阻力理论公式27采用薄船理论支柱兴波阻力28采用细长体理论主体兴波阻力式中，Ax(x)代表下部主体部分的横剖面面积曲线纵向坡度

hB为主体轴线的浸沉。29主体与支柱间兴波干扰阻力30船型对兴波阻力影响3132长径比LB／D对兴波阻力的影响33两种SWATH兴波阻力分解单支柱SWATH的兴波阻力曲线单支柱SWATH的兴波阻力曲线34单体与SWATH耐波性的比较横摇角(度)横摇角(度)垂向加速度(g)35三艘SWATH纵向运动之比较SWATH—IV与SWATH—6A相比，首斜浪时升沉峰值减少11.8％，纵摇峰值减少14.7％；正横浪时，升沉峰值减少34.4%,纵摇峰值减少35.5%。船型LS／LBLS／tSWATH-6A