新型高性能海洋救助船的研制

新型高性能海洋救助船的研制

0海上救助直升机新高性能海洋救助船（南海救助11号）是上海船舶研究设计院独立设计、设计的下一代三维海洋救助系统。广州穗深黄福有限公司成功建造了这艘诞生于时代的独立海洋救助船。该船是我国救捞体制改革后,实行全天候海上救助值班待命制度,建立快速应急反应和紧急救助机制的第一艘设有救助直升机起降平台的高性能海洋救助船舶,主要用于海上遇难船舶的人命救生、以海上人命救生为目的的救助拖曳和二级对外消防灭火等救助作业,所以要求船舶具有较高的航速,以满足应急救助的特殊要求。快速性能是该船型开发研究的关键项目之一。在该船的快速性能研究中,主要对主尺度和船型系数进行了论证和选择,船体线型进行了优化研究设计,以及进行了不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨、双桨推进和三桨推进等不同船型方案的船模试验和分析研究。1．船型优化设计航速是该船一项关键性指标,根据设计任务书要求,船舶在已定主机功率(14000kW)下,要满足10000海浬续航力的装载要求,设计常用航速不小于20.0kn,在三分之一装载工况下最大救助航速不小于22.0kn。按船舶的装载要求,该船属大排水量船型,要求有较大的船体尺度和方形系数;傅汝德数0.364,大于0.3,故又属高航速船舶。在限定的主机功率(14000kW)条件下,如采用较大的船长和较小的方形系数能有效提高船舶快速性能;但是,救助作业的特殊性,又对船舶的操纵回转性能有极高要求,船长越短越能有效提高船舶的操纵回转性能;船舶要满足海上拖曳作业时的急牵稳性要求,是拖船设计中必须考虑的问题,要求船型必须具有较大的船宽、排水量和初稳性,才能确保海上拖曳作业时的急牵安全。研发设计中要解决船型的大装载、高航速、操纵性能和拖曳稳性这些矛盾,就必须从主尺度、船型系数选择及线型优化设计等几个方面来综合考虑。经过数次船模试验分析研究,最终选取:垂线间长98.5m,型宽16.2m,型深7.6m,设计吃水5.5m,轻载吃水(三分之一装载)5.0m,满载吃水6.0m;设计吃水状态下方形系数不宜过大,棱形系数按航速取最佳值匹配。在线型优化设计中,还须考虑该船特种设施如直升机平台等设备要布置和安装在船首,则浮心位置需前移;首尾侧推安装处要有足够的宽度,以便于侧推设备的安置;为确保船舶在任何纵倾状态下,球首前端不能超出船体首端点,以满足救助作业、消防灭火、拖曳操纵的特殊要求;尾部要保证两只大直径螺旋桨在大的推进功率驱动情况下有良好的来流,并应确保螺旋桨与船体有足够的间隙,减少螺旋桨水流对船体的冲击。该船采用上翘式球鼻首、U型首部及V型尾部,以降低船舶航行阻力,改善双桨的伴流场,提高推进效率;在设计球鼻首时将球首横剖面形心略上移,增加轻载时的水线长度,以减小兴波阻力,改善轻载状态阻力。由船模试验可见,流线顺畅,艏波小,尾流平缓,证明这样的设计是行之有效的。2各船模试验方案的对比为优化和完善船型方案的主尺度、船型系数和线型,在线型设计的各阶段,分别在上海交通大学和中国船舶科学研究中心进行了不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨、双桨推进和三桨推进等船型方案的船模试验分析不同船型方案的优劣。2.1主尺度和转速预船型初步方案的船模试验在中国船舶科学研究中心水池进行。目的是比较初步方案所设定的主尺度,在不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨时对航速的影响,及所要达到预定航速对主机功率的要求。试验内容主要包括:设计吃水阻力及自航试验,轻载吃水阻力试验(分为平吃水及有纵倾两种情况),有纵倾状态带导管螺旋桨的自航试验,平吃水状态不带导管螺旋桨的自航试验,以及带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨的敞水试验,并分别进行主机功率及航速预估。初步方案船体主尺度要素见表1,船体模型缩尺比:λ=17.778。试验中阻力和自航试验结果采用二因次换算方法换算到实船海水温度15℃;摩擦阻力系数采用1957-ITTC的船模—实船相关线(即CF=0.075/(logRn-2)2)进行计算,其设计吃水状态的相关补贴取CA=0.3×10-3,轻载吃水状态的相关补贴取CA=0.4×10-3。根据船模试验结果,进行新螺旋桨设计:导管螺旋桨为Ka.4系列,导管为19A导管;无导管螺旋桨为MAU图谱桨。用新设计的导管螺旋桨及无导管螺旋桨对实船进行主机功率预估及航速预报,其结果见表2。从船模试验结果可以看出:(1)带导管螺旋桨对航速的影响较大,在设计吃水状态下,相同的收到功率,带导管螺旋桨的航速要比无导管螺旋桨低达1.15kn;(2)在轻载吃水状态下,带导管螺旋桨的航速要达到22kn,需提供16800kW以上的主机功率;(3)在轻载吃水状态下,相同的收到功率,无导管螺旋桨的航速已超过22kn,当在22kn航速时主机功率可适当降低。2.2船模试验设计及结果电力推进三桨船型的流线、阻力和自航船模快速性试验在上海交通大学水池进行。试验的目的主要是了解采用电力推进三桨船型方案对推进功率的分配要求及航速影响。采用电力推进船型方案,由于受船体主尺度的限制,要安装二台大功率的电力推进全回转推进装置,是困难的,推进装置的回转直径尺寸将会超出船宽,船内设备的安装高度也超出了型深甲板的高度。为此采用较小尺度的全回转推进装置,使这种推进装置在现有主尺度的船型上安装成为可能,为达到22kn航速所要求的推进功率,需采用三只螺旋桨来共同分担其较大的推进功率。主推进中桨采用一台船内电动机驱动的可调螺距螺旋桨,两侧的边桨采用二台水下电动机驱动的紧凑型360°全回转舵桨装置。在线型优化设计中,船尾部采用三桨线型,中桨采用球尾线型,两侧的采用适合全回转舵桨装置安装的平底线型,为尽可能减少三只桨的相互干扰,在中桨的后部设整流球和导流板。主要试验内容有:流线试验,设计吃水、轻载吃水及满载吃水阻力及自航试验,以及边桨和中桨的敞水试验,并分别进行推进功率预估、功率分配和航速预报。根据初步方案船模试验中,轻载无导管螺旋桨状态下航速结果,并按照布置要求,适当调整了船体的船长和型宽,此时船体主要尺度要素见表3,船体模型缩尺比:λ=26.0。试验中阻力换算到实船海水温度15℃情况,摩擦阻力系数采用1957-ITTC公式进行计算,并取△Cf=0.4×10-3。自航试验结果的实船性能预报采用△Ct-△w法进行。实船自航点的摩擦阻力修正公式为式中Ctm、Cts分别为船模及实船总阻力系数,ρm为船模试验时水的密度,Sm为船模湿表面面积,m2,Vm为船模速度,m/s。实船总阻力系数为式中Crm为剩余阻力系数,Cfs为实船摩擦阻力系数,p为考虑到空气阻力2%及壳板排水量增加的阻力0.6%,△Ct取0.4×10-3。实船伴流分数为式中ωm、tm分别为船模的推力减额及伴流分数,Cfm、Cfs分别为船模及实船的摩擦阻力系数,△ω为实船伴流的尺度作用因素。根据船模试验结果,用试验备用桨的水动力性能(中桨和边桨分别进行敞水试验)作实船性能初步预报,分别进行推进功率预估、功率分配和航速预报。由于两侧二台水下电动机驱动的紧凑型全回转舵桨装置(吊舱式)分担推进功率是有分级挡次的,故须按试验结果相近的分级指定推进功率分配来进行实船航速预报,并预估达到22kn航速时所要提供的推进总功率,以及中桨船内电动机驱动功率和两侧边桨二台水下电动机驱动功率和分配情况,实船航速预报见表4。实船功率及航速预报结果见图2和图3,图中:Vs为实船航速,Ns为螺旋桨转速,PD为螺旋桨收到功率,PDS1为中桨收到功率,PDS2为边桨收到功率。从上述船模试验结果可以看出:(1)三只螺旋桨按指定推进功率分配,当中桨8000kW、两侧边桨各为3200kW时,轻载吃水状态下航速约为21.28kn;(2)轻载吃水状态下,航速要达到22kn,需加大推进电机功率,中桨需加大至9824kW、两侧边桨各需加大至4099kW,这样推进总功率将达到18000kW以上。三桨船型的船体线型与螺旋桨功率分配和转速及螺旋桨推进性能匹配情况有关,三桨船型的研究难点在于三只螺旋桨要达到最佳匹配来分配推进功率,即在正常航行中,要使三只螺旋桨的工作负荷都处于较经济合理的状态,各自推进效率合理和综合推进效率最佳,故需对各只螺旋桨参数,如:直径、螺距、转速等作合适的选择;为适应不同的作业装载工况(吃水状态)的推进要求,三桨船型推进装置采用可调速的变螺距CPP桨是较为适宜的,这样能较好地适应不同工况的推进需求。2.3船模试验及结果分析根据上述二轮船模试验研究、推进装置的配置以及对推进功率的预估,可以明显看出,无导管螺旋桨常规推进方式具有较好的性价比。船型基本确定采用不带导管CPP桨常规推进方式,并在中国船舶科学研究中心水池又进行了该船型常规推进方案的阻力、流线及自航船模试验。船模试验的目的主要是了解在初步设定的主尺度和14000kW的限定主机功率情况下,在不同吃水时所能达到的航速。船体主要尺度要素与电力推进三桨船型方案相同,但是船体尾部线型不同,是按照无导管螺旋桨常规推进方式双桨船型要求进行尾部线型设计,船体模型缩尺比:λ=18.246。试验中阻力和自航试验结果换算方法同2.1,根据船模试验结果,用MAU图谱桨进行新螺旋桨设计,预报在14000kW限定主机功率情况下之实船航速,结果见表5。由船模试验结果可见:在轻载状态下,达到22kn航速,且有一定的富余量。2.4浮态试验结果不同的纵倾浮态下,对快速性能会有不同的影响。在中国船舶科学研究中心水池又进行了上述船型尺度的“变纵倾模型快速性试验”。船模试验在轻载吃水状态下,对三种不同纵倾吃水浮态测量船舶阻力,对较好阻力性能的纵倾浮态进行自航试验,并进行相应航速预报。三种不同纵倾吃水浮态按首尾吃水差值0.8m进行变化,平均吃水5.0m,即:轻载状态(1)首尾吃水差值0.8m,轻载状态;(2)首尾吃水差值1.6m,轻载状态;(3)首尾吃水差值2.4m。试验结果列于表6。由试验结果可见轻载状态(1)具有较佳的阻力性能。为此对轻载状态(1)进行自航试验,并根据船模试验结果,对船模之实船进行航速预报。在阻力性能较佳的轻载状态(1),当主机功率14000kW时,航速约为22.3kn,此值与表5(水平浮态)中的预报航速比较,可以看出该船在水平浮态时(首尾吃水相同)的快速性能较优,航速达到22.46kn,大于上述阻力性能较佳的纵倾轻载状态(1)的航速。试验发现,纵倾的变化,对该船阻力性能影响不大。2.5验证性船模试验及结果通过上述船模试验,比较了不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨、双桨推进和三桨推进等不同船型方案,最终确定采用不带导管CPP双桨常规推进方式,垂线间长98.5m,型宽16.2m,型深7.6m,设计吃水5.5m,轻载吃水(三分之一装载)5.0m,满载吃水6.0m。在最终主尺度、船型系数和线型等优化设计后,在中国船舶科学研究中心水池进行了最终船型方案验证性船模试验,进行了流线、阻力及自航船模试验。目的是确定在最终主尺度、船型系数和线型等优化设计后,在14000kW的限定主机功率情况下,不同吃水时所能达到的航速。试验主要包括三种吃水工况下的阻力及自航试验。船体模型缩尺比:λ=17.778。试验中阻力和自航试验结果换算方法同2.1,根据试验结果,用MAU图谱桨进行新螺旋桨设计,并对实船预报14000kW限定主机功率情况下之航速,其结果见表7。试验结果表明:最终船型方案主尺度和14000kW的限定主机功率,采用无导管CPP双桨常规推进方式,船舶航速达到了设计任务书要求。3ww计算实船采用双机、双桨推进形式。主机选用WARTSILA6L46D型船用中速柴油机2台,每台主机最大持续功率(MCR)6930kW,转速500r/min;螺旋桨采用无导管4叶可调螺距螺旋桨(CPP)2只,螺旋桨直径Φ4000mm。该船由中船黄埔造船有限公司承造,2006年5月25日开工建造,2007年9月25日～9月27日在广州珠江口桂山海域进行了实船航行试验,各项技术性能指标均达到和超过原设计任务书的技术要求,在轻载吃水(三分之一装载)5.0m情况下,测得航速为22.08kn,达到了设计任务书要求。4推进性能与转速在新型高性能海洋救助船(南海救101)研发设计中,进行了线型优化设计,对不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨、双桨推进和三桨推进等不同船型方案进行了船模快速性试验和分析研究。从主尺度、船型系数及线型等几个方面综合考虑,解决了船舶的大装载、高航速、操纵性能和拖曳稳性等矛盾,取得了较为理想的结果,实船试航验证综合性能达到了设计任务书要求。在南海救101船模试验研究中发现:(1)螺旋桨是否带导管对航速的影响较大,在同一主尺度和同一推进功率下,航速相差1kn以上,故对航速要求较高的船舶不建议采用带导管螺旋桨作为推进方式。(2)在同一平均吃水状态下,不同的纵倾浮态对阻力性能有一定的影响,但当纵倾变化在一定的范围之内(首尾吃水相差值不是太大)时,对航速的影响则不大;在船长较长时,首尾吃水相差值所造成的纵倾夹角不会太大,对航速的影响更趋变小。(3)