水翼艇大作业

水翼艇原理特点及水动力特性 周宇-5120109023摘要：由船舶阻力的规律知道，粘性阻力正比于航速的平方，而兴波阻力约略正比于速度的六次方，船舶的阻力随航速的提高而迅速增加。减少船的阻力，尤其是兴波阻力是建造高速船舶必须考虑到的问题。20世纪后，船舶上开始增加水翼，大为减小船舶高速航行时候的兴波阻力，当发展成为自动控制的水翼艇，改善船舶的适航性，并且逐步成为水翼艇发展的主要依据。本文主要介绍水翼艇的发展历史、原理、优点和特点以及水翼的几何特征和水动力特征关键词：水翼艇，发展历史，原理，优点，特点，水翼几何特征，水动力特征1发展历史 美国人William E.Meecham，早在1906年便在Scientific American内曾经发表关于水翼原理的文章。电话的发明人贝尔认为这是项重要的发明，他画出类似水翼船的草图，然后与Casey Baldwin合作，在1908年进行关于水翼的实验。 Baldwin研究过意大利发明家Enrico Forlanini的设计后，进行自己的设计。1910年贝尔在意大利与Forlanini 见面，并在湖上试乘Forlanini 的水翼船。回到美国后，他们建造了HD-4 号，逹到了时速87公里的速度。在美国海军的支持下，他们改用两副350马力(260 kW)的发动机，在1919年9月创下时速114公里的纪录。这项纪录一直保持了十年。 德国人Baron von Schertel 二次大战时在德国研究水翼。战后Schertel 的研究部门大部分被苏联俘获，成为日后苏联水翼船发展的骨干。而Schertel本人则到了瑞士，并成立了Supramar 公司，于1952年发展出首部来往瑞士及意大利的载客水翼船PT10，重七吨，载客32人，采用U 型半浸式水翼，速度达32节。之后陆续发展出PT20，PT50，PT75，PT100和PT150，主要由意大利 Rodriquez 及日本日立生产，都是采用半浸式水翼和水下螺旋桨推进。 最后出产的是PT150, 采用前半浸，后全浸水翼，重165吨，载客250人，速度达37节。至1971年停产时，Supramar 水翼船生产了超过150艘。部分PT水翼船至今仍在服务，Rodriquez之后亦仍然有生产自行研制的半浸式水翼船。 苏联亦一直有对水翼船进行研究，在1970年代和1980年代设计了不少流线型的水翼船渡轮和军舰。当中Meteor 及 Voskhod 型出口到国外。这些水翼船以半浸式居多，主要用在浪较少的内河及湖泊行走。 水翼船需要的技术跟航空十分相似，因此美国的波音公司在60年代便开始研究水翼船。1974年，波音建造了6首131呎长的PHM型全浸式水翼船军舰。舰上装有反舰导弹、75毫米快速炮。航速超过45节。发动机为2部800匹柴油引擎(飞航前用)，及2部17,000匹GE海事用燃气引擎(飞航时用)，用喷水器推进。 同时波音亦发展了民用的水翼船渡轮，称为JetFoil929型。929型亦为全浸式水翼船，水翼可以收起，以进入浅水的地区。船身长90呎，以铝合金制造，净重约100吨，载客量可达250人，航速逹45节。推进的动力，来自2部劳斯莱斯Allison 501k燃气引擎，用喷水器推进。波音总共生产了26艘929型水翼船，买家有日本、英国、印尼等地的渡轮公司。当中香港的信德集团旗下的远东水翼船(1999年7月与中旅侨福(CTS-Parkview Ferry Service Co. Ltd.)的港澳飞航船(TurboCat)合并后改称喷射飞航)是最大的用户，曾拥有16艘用来提供往来香港及澳门之间的服务(有3艘已售予韩国)。波音停止生产JetFoil后，将生产专利卖给日本川崎重工(Kawasaki Heavy Industries, Co. Ltd.)，大约生产了15艘。90年代中期，中国船舶工业集团旗下的上海新南船厂(CSSC Shanghai Simmo)亦曾短暂授权生产2艘(型号为PS-30)予香港的远东水翼船(其中1艘已售予韩国)。2水翼船的原理和优点飞机靠翼在空气中高速前进而获得向上升力，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5575km/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。3水翼船的特点3.1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 图1.水翼船航态特点和阻力、纵倾曲线力和纵倾角的变化，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。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112113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。3.2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。3.3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，如图2 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2,切忌按操纵汽车想象的轨迹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。3.4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2040kW功率,约对应6080km/h航速。因此,在满足强度条件下,减轻船体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11.5mm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010025,而粗糙有锈的表面摩擦阻力系数可达010055,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。4 水翼 水翼艇的优点和特点都和水翼密切相关。水翼就是在水中割划水面的机翼，它在水中运动像飞机机翼在空气中运动一样，产生一定的升力。水翼之所以能在船舶上运用，是因为水的密度比空气的密度大800多倍，在同等升力之下，水翼的尺度比机翼小得多。4.1水翼的几何特征水翼的几何特征主要有：水翼平面形状和水翼剖面形状。4.1.1水翼平面形状以及参数水翼的平面形状主要有：矩形翼、后掠翼、菱形翼和两端加宽翼等，如图3所示。 图3.水翼平面形状特征参数主要有：水翼平面形状的特征参数和水翼前视形状的特征参数：水翼平面形状特征参数有些是所有形状所共有的参数，如：水翼展长b和弦长c。有些是根据某些特定平面形状而定的参数，如后掠翼的后掠角，菱形翼的尖削比，如图3所示。水翼前视形状参数主要是上翻角。主要的参数总结如下：b翼展：水翼横向两端间的距离；C弦长：翼剖面前缘与后缘之间的连线；后掠角：导边或1/4弦长的连线与横轴的夹角；尖削比：是翼端部弦长，是中部弦长；上翻角：前视图上1/4弦线方向与横轴的夹角，向上为正，向下为负。4.1.2水翼剖面形状 水翼剖面形状主要有：平凸弓形、凹凸弓形、机翼形和全空泡翼型。 图4常用水翼剖面e翼厚：剖面最大厚度，一般在距导边40% -50%弦长处；f拱度：拱线离弦线的最大距离； 相对厚度：翼厚与弦长之比；相对拱度：拱度与弦长之比。4.2水翼水动力特征水翼在水中运动时能产生平衡水翼船重量的升力，流体方面的作用力包括垂直于水翼表面的水动压力以及切向力。这些力合成力为水动力主向量P和水动力主力距M。主向量在运动方向和垂直方向的投影分别为水翼的阻力R和升力L。 式中流体密度 水翼运动速度 水翼面积 水翼弦长其中无因次系数，分别称为升力系数、阻力系数和纵倾力矩系数。K为升阻比，为升力系数和阻力系数之比，代表水翼流体动力性能的优劣。4.3升力的计算（1）无限翼展水翼（二元水翼） 假设：翼剖面是薄翼，机翼翼展无限长，流体无粘性，是理想流体的势流运动。 升力系数为： 力矩系数为：式中 冲角（攻角） 拱度 弦长 相对拱度（2）有限翼展水翼（三元水翼）实际水翼是不可能无限长的，由于翼端的存在，翼上下表面处于高压区的水流向上表面低压区流动的趋势，使水翼附近的水流产生一个向下的诱导速度，它与原来的来流速度汇合，相当于使来流偏转了一个角度，成为下洗角。升力系数为： 式中 二元机翼升力系数曲线的斜率； 冲角 下洗角 零升力角下洗角的大小和机翼的平面的形状有关，当翼的平面形状是椭圆形的时候，其升力沿展长方向也是椭圆分布，下洗角为 对于非椭圆平面形状的机翼，需要用修正的方法进行 其中修正系数与展弦比A和尖削比有关。对于平面形状为矩形的机翼，值由图给出；对于两端直线斜削的平面形状机翼，值由图给出。 图5翼型与修正系数的关系5发展和限制现今存在的水翼船大多不超过1000吨，并以近海航行为主。跟其他的高速舰艇技术相比，水翼船（主要是全浸型）的主要优点是能够在较为恶劣的海情下航行，船身的巅簸较少。而且高速航行时所产生的兴波较为少，对岸边的影响较低。缺点主要在制造大型的水翼船、或进一步提高速度，但还存有技术困难。水翼所能提供的浮力与长度成平方关系，但是船的重量却与长度成立方的关系（平方/立方定律），故此制造更大型的水翼船存在一定的难度。要进一步提高速度，水翼在高速下会产生气泡（空蚀，Cavitation）的问题亦需要解决。此外全浸式水翼的结构及控制较为复杂，亦令成本上涨。水翼船使用燃气引擎花费燃料较多亦是商业运作上的考虑之一。水翼艇由于其水翼的升力与阻力比值较高，所以具有良好的经济性和快速性。有因为调整水翼的角度可立即显著地改变水动升力，因此在自控系统的控制下可保持船在波浪中的平稳航行，从而改善耐波性。从20世纪初出现水翼艇试验艇，到20世纪六七十年代各国竞相开发的发展期，不断出现了许多新型号，应用水翼技术同其他船型技术相结合的复合船型层出不穷，如气垫船加水翼、多体船加穿浪双体船加水翼、地效翼船加水翼助飞等。近年来还出现了托升船体型的复合水翼艇，这种新船型不仅提高了航速，改善了耐波性，而且可增加艇的有效载荷。水翼技术及与水翼技术相结合的复合船型的发展和应用前景将会十分宽阔。