美国气垫登陆艇推进垫升系统的改进与发展

张宗科 陈德娟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

坞载气垫登陆艇一方面因进出母舰坞舱而使主尺度受限，另一方面因运输重型主战坦克的重装载需求而使艇质量及重心控制非常严格。高海况条件下越峰运行要求，使艇只能采用功率大、质量轻的高速燃气轮机；而主机需要驱动前部的垫升风机及尾部的导管空气螺旋桨，轴系长度大。主船体为铝合金的扁平浮箱结构，刚度小、在风浪中变形大，给轴系设计带来较大困难［1］。

美国气垫登陆艇（LCAC）为坞载型，从最早的原型试验艇JEFF A、JEFF B，到1984年～2001年期间列装的91艘LCAC、本世纪初的LCAC延寿改进，到升级换代产品——舰岸连接器（SSC），历经五十余年的发展，主机从早期的TF40B，到SLEP的ETF40B，再到SSC的MT7，功率不断加大，保障了艇装载量能跟上主战坦克的质量增加，同时艇总体性能如耐波性等仍有所提高［2-3］。LCAC主船体结构为浮箱，采用模块化设计，驾驶舱、人员设备舱、垫升风机模块、机舱、导管桨装置等均插接在浮箱上，不参与总纵强度。

图1 LCAC模块化船体结构

1 LCAC推进垫升系统发展

1.1 LCAC轴系

美国海军在19世纪60年代开始两栖攻击登陆艇计划，经论证选用全垫升气垫登陆艇来运载重型坦克，并与通用喷气公司（Aerojet Liquid Rocket Company）签订了JEFF A、贝尔宇航公司（Bell Aerospace Textron）签订了JEFF B的原型艇建造合同。两型艇均采用6台TF40燃气轮机作为主动力，但技术完全方案不同［4］，JEFF A与JEFF B的推进垫升系统分别如图2所示。

图2 JEFF A与JEFF B推进垫升系统示意图

根据JEFF A与JEFF B的建造与航行试验结果，美国海军选择JEFF B作为母型艇，1981年与贝尔宇航公司签订了LCAC（Landing Craft，Air Cushion）的设计合同。LCAC改为采用4台功率更大的TF40B燃气轮机作为主动力，垫升风机采用纵向布置，其推进垫升系统如下。20世纪初开始的延寿计划（SLEP），主机换装为功率更强、燃油效率更高的ETF40B，ETF40B尺度与转速不变。采用全自主数字引擎控制（FADEC）技术，以简化维护难度与降低维护工作、提高故障诊断能力并节省全寿命周期费用。故LCAC SLEP推进垫升系统除主机外，基本维持不变。

图3 LCAC推进垫升系统示意图

2001年下水的T-2000型芬兰气垫巡逻艇，其推进系统、垫升系统与围裙系统以及预报艇的快速性、稳定性、操纵性、耐波性等总体性能与结构载荷，均由美国CDIM-SDD提供技术支撑［5］。该艇采用2台TF40B燃气轮机作为主动力，每台功率2 757 kW，垫升系统所用总功率为2 000 kW。主机纵向布置，向前驱动两台直径1.8 m的垫升风机，向上驱动导管空气螺旋桨。风机蜗壳为双进风双出口型，每台风机向上为低外形格栅式首推器供气，向下为气垫供气。导管桨直径3.9 m，具有5片桨叶与7片整流支臂。为满足隐形需求，垫升风机从上部进气，主机进气口亦靠上。主机排气管从导管下基座处穿出，向后排气。

图4 芬兰T-2000推进垫升系统示意图

2007年服役的韩国新型高速气垫登陆艇LSFII，由4台ETF40B燃气轮机提供动力，每舷各有2台风机，风机蜗壳也为双进风双出口型，每台风机向上为低外形格栅式首推器供气，向下为气垫供气。艇尾设2个导管空气螺旋桨，分别具有5片桨叶和7片整流支臂。其轴系布置同LCAC，只是垫升风机、导管桨、首推器有所不同。

图5 韩国LSF-II推进垫升系统示意图

2003年美海军装备改进路线图提出替代LCAC与LCU的Heavy-Lift LCAC （HLCAC）项目，HLCAC将LCAC接长50%，而宽度与高度保持不变，仍能维持进出母舰坞舱能力，装载量增加到130 t（144 st）。HLCAC研究重点为推进垫升系统，每舷增加1台燃气轮机与垫升风机，其中靠前的1台垫升风机专为首推器供气，而靠后的两台专为气垫供气。

图6 HLCAC推进垫升系统示意图

1.2 俄罗斯气垫登陆艇推进垫升系统

相对于美国仅有一型LCAC，俄罗斯气垫登陆艇型号较多，均采用燃气轮机作为主动力，其中典型的Omar为小型气垫登陆艇，Murena为中型，而Zubr则为世界上最大的气垫登陆艇；其推进垫升系统见图7［6］。

图7 俄罗斯典型气垫登陆艇推进垫升系统示意图（依次为Omar、Murena、Zubr）

此外，俄罗斯技术援助新加坡设计制造排水量为175 t的中型气垫登陆艇ACV-1，采用前后出轴的燃气轮机作为主动力，向前驱动轴流式垫升风机，向后驱动导管空气螺旋桨，其推进垫升系统示意图见图8。

图8 新加坡气垫登陆艇推进垫升系统示意图

2 LCAC推进垫升系统在使用过程中遇到的问题及解决措施

2.1 初期所遇到的问题

LCAC每舷的推进垫升系统由2台TF40B并车后，向前驱动2台双出口蜗壳垫升风机，向后驱动1套导管空气螺旋桨。首制艇LCAC 01在早期，由于并车的2台主机没有自动控制功率与转速匹配的闭环控制系统，导致垫升风机轴断裂、主机齿轮箱超越离合器失效的故障。经过努力，解决了以上两种扭振失效［7］。首推器喷管则由最初的玻璃钢改为铝合金以提高刚度。为防止螺旋桨因吸入海水或外界硬物而损坏叶片，桨后尾部甲板边缘设置防浪板，桨前增设360°锥形不锈钢防护网罩，可防止直径超过0.1 m（4 in）的异物通过。

1990年，一艘LCAC主机发生提前停机故障，经内窥镜检查，为主机进气叶片被吸入螺栓打坏所致。1994年，一艘LCAC在母舰坞舱内操作时发生左舷主机及轴系损坏事故，起因是尾部防撞护板与坞舱壁相撞而脱落，被正在打负距的螺旋桨吸入。为此，在（SEAOPS）中将原防撞护板的简单目视检查修改为“在执行任务前应检查防撞护板是否连接牢固”。1997年，在坞舱内操作时，再次发生螺旋桨打负距吸水而损坏叶片事故。

在1998年所作的统计中，6个月内螺旋桨4次损坏，其中3次为波浪打到桨内而导致严重损坏，1次为传动装置松脱打在桨前防护罩上，使罩上横杆被打断吸入桨内。经统计，20%的事故起因为机械故障，80%的事故是由于人为因素，即由于骄傲自满、疏忽大意或墨守成规、安于现状所致。

2000年，将航空结构维修专家分配到LCAC防腐蚀维护小组后，成功维修LCAC导管而不需要更换为新造导管。螺旋桨组研发专门装置来修理桨叶，建立桨叶储备库，使因螺旋桨损坏维修所导致的停航时间减少70%。此外，结合长期的使用维护经验，解决了垫升风机叶轮叶片与空气螺旋桨桨叶因腐蚀、硬颗粒物冲刷而易损坏的难题。

ETF40B为现有TF40B主机的加强功率版，增强了炎热天气下运行功率，允许所有条件下的减载运行。燃气温度的显著降低将有利于主机寿命及减小母舰坞舱降温花费。为提升功率，采用可变进气导叶改进轴向压缩机增大气流，从而降低燃烧室与动力涡轮温度。气流增加结果是压缩机将为进气口防冻装置提供气流并完全取消现有寒冷气候应对装置。改进离心叶轮与扩散器以提高压气效率并降低油耗。随性能升级，可靠性与维修性改进措施也将被采用，如使用防偏改进3号轴承密封及控制间隙设计、压气机叶片涂层，以减少点蚀与生锈。

2.2 单侧动力故障状态模拟试验

在主减速器设计中充分考虑主机发生故障的情况，设置离合器，可将推进与垫升分开；在风机双出口蜗壳的下出口设置导叶装置，可调节风机向气垫的供气量；提出各种故障下的应对措施，通过实艇试验加以验证，并固化到艇使用维护说明手册（SEAOPS）中。

例如在“关键决心95”演习中，LCAC14进行了应急故障救援演练。模拟战时环境，LCAC 14发生推进故障，使用艇队拖船将艇从滩头拖离。LCAC每舷仅启用1台主机驱动2台垫升风机（此时风机出口导叶开度50%）与首推器（出于安全考虑），但螺旋桨不工作。在艇队拖船到来之前，滩头人员利用1台推土机及LARC将艇从头朝沙滩旋转120°至与海岸线平行。由于艇处于垫态，用推土机完成此操作非常容易，而LARC可在平沙滩上使艇转向。整个过程最耗时的部分为拖航，当艇垫态被拖至滩头斜坡时，艇重使其自行下坡，艇上人员必须松开拖缆系绳，艇不再需要拖缆导向，只偶尔用首推器使艇在被拖时维持艇向即可。

图9 LCAC垫升风机下出口设置的可调导叶（右图为关闭状态示意图）

该演习成功表明，使用艇最小垫升工况及已有滩头装备，即可将一艘受损LCAC拖离滩头。在相似条件下，LCAC也能将另一艘受损LCAC脱离滩头。此外，LCAC 71在螺旋桨发生故障时拖回ACU 4过程中，曾出现拖索开裂。经试验，在3级海况、16 kn逆风时，安全设计载荷应为120 kN（27 174 lbs）。SEAOPS中规定：采用直径12.7 mm（1/2 in）的尼龙双股拖索，艇垫态在2级及以下海况的拖速为25～30 kn，垫态在3级及以上海况拖速需降低，尤其是在顺浪中，特殊情况下为5 kn、浮态拖速为5 kn。

2.3 轴系振动综合分析

2005年，为评估LCAC推进轴不同组件中的某个振动对其余组件的影响，进行了系统综合振动研究。评估对象不仅仅局限于垫升风机与螺旋桨系统，而是可能引起振动的每个组件，以确定组件所承受的独立冲击对自身轴段及其支撑基座的影响。在NASTRAN（FEA）软件中研发的系统模型运行正常，较好提供了振型及固有频率分析结果，并参照LCAC 66上的实艇试验结果进行参数修正。

图10 LCAC轴系综合振动有限元模型

模型能准确预报特定轴线的振动以及轴线内特定节点的相应位移值，该值将被输入沿轴线不同结构组件的细化模型，垫升风机模态与位移再次输入轴线结构组件的有限元模型。利用模型可评估轴线的几种不平衡情形及其影响，且不仅限于风机与螺旋桨的不平衡。

图11 LCAC 91上进行TF40B与ETF40B的混合并车试验

该模型将用于艇结构改进对轴系共振响应的准确分析以及改进对轴系公正的影响，其中1个示例为用该模型分析复合材料导管对轴系的影响。该导管在LCAC复合材料导管国外比较试验（FCT）下研发，由于其刚度更好，振动综合分析模型将用于分析该刚度变化如何影响LCAC推进轴系。参照芬兰T-2000上复合材料导管的设计使用经验，LCAC改进导管前缘以减小阻力、桨后整流支臂采用定常截面翼型以提高推力。从2007年开始在LCAC 66 上进行实船试验［8］。

2.4 LCAC SLEP上TF40B与ETF40B并车使用试验

至2009年，ETF40B已生产160台，约为LCAC（SLEP）所需主机总数的一半；2010年提交12台；2011年提交34台；2012年提交16台并维修或更换已装船的16台ETF40B的动力输出模块；2013年提交8台。韩国2007年服役的LSF-II也采用4台ETF40B作为主动力。

由于ETF40B与TF40B尺寸及转速相同，仅质量略有增加，且TF40B储备有400多台尚未装船，在LCAC 91（SLEP）上进行TF40B与ETF40B并车混合使用的试验，以便必要时将TF40B作为ETF40B的备件使用。

2.5 LCAC SLEP传动轴改用复合材料试验

若LCAC上的十二段钢制轴转换为KaZaK公司的复合材料轴（物美价廉的新型轻质层合式复合材料）后，除防腐、吸收振动减少传动系统应力集中及降低维护费用外，质量也大为减轻，对质量控制要求近乎严苛的全垫升气垫船则尤为重要，参见表1。

表1 LCAC上钢轴与KaZaK新型复合材料轴的质量比较

图12 KaZaK为SSC研发的复合材料轴

3 SSC推进垫升系统设计特点分析

根据SSC发布的有关资料，SSC推进垫升系统与LCAC有较大不同，SSC垫升风机改为每舷1台双进风双出口离心风机，主机纵向布置，每舷2台主机通过1套组合齿轮箱并车后向前驱动离心风机、向后驱动导管空气螺旋桨，见图13与表2。

因SSC需进出现有两栖战舰的坞舱，垫态总长与总宽与LCAC相比保持不变（参见图14），同时需维持气垫压力不变，而装载量由54.43 t（60 st）提高到67.13 t（74 st），即空船质量需减少12.7 t，因此必须采取措施以减轻主要系统设备质量。SSC的导管、风机、首推器、首/尾跳板、轴系、桨前防护网罩等由铝合金改为复合材料，简化了齿轮箱、轴系，围裙系统由侧部的双囊套指改为单囊套指且降低裙高，具体如下。

图13 SSC推进垫升系统示意图

表2 LCAC与SSC推进垫升系统比较

图14 LCAC与SSC主尺度比较

3.1 垫升风机

LCAC每舷设置两台双进口双出口风机，向上的气流经合并后为首推器供气，见图15。出于隐形需求，在T-2000上实验的单台双进口双出口风机单独驱动1套低外形格珊式首推器的型式效果较好，所以在与LCAC类似的LSF-II上进一步验证该风机组合供气形式。同时，在T-2000风机研制中发现，风机蜗壳展度可进一步缩小而不影响风机气动性能，从而节省装船空间需求。2009年Umoe Mandal制作1对复合材料垫升风机，在试验艇LCAC 66专门进行实船试验，同时测试单台风机为气垫与首推器组合供气构型的性能。以上对SSC研制单台风机为气垫与首推器组合供气的型式提供了基础。经CFD计算分析以及模型试验，风机蜗壳及叶轮叶片翼型开发，确定采用直径1.75 m、展度增至2.76 m的单台风机，可达到原来2台风机的流量与压头特性曲线。为原LCAC每舷布置紧凑的推进垫升系统省出改进空间，从而使SSC主机纵向布置成为可能，进气系统布置空间更大，同时可利用艇前进速度冲压进气，主机维修空间增大、维修也更为方便。SSC主机采用模块化设计，利用机舱与垫升风机之间的空隙，通过铺设简易轨道将主机拉出机舱外，不用将主机吊下船即可维修。

图15 LCAC与SSC垫升风机比较

3.2 导管空气螺旋桨

LCAC导管为易腐蚀铆接加筋铝合金结构，制造与维修均属劳动密集型。美国通过国外对比试验项目为芬兰T-2000设计复合材料导管，成功减轻质量且消除了腐蚀问题。参照芬兰T-2000上复合材料导管的设计使用经验，LCAC新设计导管改进前缘线型以减小阻力、桨后整流支臂采用定常截面翼型以提高推力。从2007年开始在LCAC 66上进行实船航行试验，并在2010年完成。

图16 复合材料导管FCT项目及其在LCAC 66上的装船使用

3.3 先进组合齿轮箱

图17 LCAC上采用的多组齿轮箱及SSC上的组合齿轮箱

LCAC的主机与动力系统轴向位置垂直成横向布置，需经过直角齿轮箱转向啮合，才能将功率输出到风机和螺旋桨，如下页图17所示，下方为直角齿轮箱、上左为垫升齿轮箱、上右为推进齿轮箱；SSC主机直接采用纵向布置，与动力系统轴向平行，通过1个组合齿轮箱可将功率分配输出。这种结构型式相对简单，既能够有效提高传动效率，又方便维护保养时的拆卸与更换，且能有效避免LCAC上主机轴系对中的难题。组合式齿轮箱采用模块化设计，在主机输入端设置超越离合器，在输出端分别设置推进与垫升系统的手动离合器，以便在螺旋桨或垫升风机出现故障时，另一个能正常工作。推进输出端采用花键联轴器，允许推进轴可以有150 mm的轴向位移。

3.4 主机及进排气系统

Vericor的 ETB40B、Rolls·Royce的 MT7、General Electric的GE38三型主机参与了SSC备选主机的竞争。2012年10月22日，Rolls·Royse赢得为SSC提供主机并设计制造相应进、排气系统的合同。SSC将采用Rolls·Royse的MT7燃气轮机，它脱胎于大获成功的AE1107核心机，其另一衍生品T406为Bell·Boeing公司的V-22鱼鹰倾转翼飞机提供动力。MT7需要改进新型功率控制器、进气系统、功率输出轴以适应装船要求，叶片特殊涂层处理以抵御高盐海洋环境。此外，将来坞载SSC的母舰都将搭载V-22鱼鹰飞机，统一主机类型将仅需提供一种机型的服务，从而可节省备品/备件储存空间及简化维护人员的培训。相对于LCAC现有主机，MT7功率将提高25%、燃油效率提高11%。合同规定，Rolls·Royse为SSC研发项目提供4台/艇，首批供货时间为2015年下半年而SSC试验于2016年开始，2018年开始少量供货。美海军计划用73艘SSC替代现有的LCAC，连备品在内Rolls·Royse最终供货将超过300台燃气轮机。

MT7为套轴设计，轴向依次为14级压气机，其后为溢气冷却环形燃烧室、2级燃气发生涡轮和2级动力涡轮。冷端输出机型，具有6级可变压气导叶、双通道全自主数字电控系统、模块化构造及随时随地维修能力。在航机上成功实施AE系列技术升级，可将MT7的功率再提高20%或延长使用寿命，从而增大艇装载或降低全寿命周期费用。

图18 SSC上采用的Rolls·Royce的MT7燃气轮机

LCAC机舱为上下两层结构，上部布置燃气轮机，下部布置进气系统，燃机进气为朝向装载甲板的机舱内侧，有利于减小航行过程中因气垫泄流引起的水花飞溅对进气影响。而SSC每舷采用单风机，上层建筑区域内纵向留给机舱的尺寸增大，为进气系统留出更大布置空间。进气稳压室加大，可布置进气滤清系统，同时利用艇前进速度冲压进气提高滤清压力。

图19 LCAC内舷横向进气与SSC的纵向进气系统布置

4 SSC阻力与快速性分析

美国的气垫登陆艇LCAC需进出母舰坞舱而尺度受限，无因次气垫密度高达Pc≈16，属于典型的高密度艇，与低密度艇T-2000的无因次阻力相比较，第一阻力峰明显高于第二阻力峰。根据SSC提出的每舷螺旋桨与首推器的推力需求，可得到推力与阻力估算如图20所示，三级海况下航速估算约为42 kn。

图20 SSC与T-2000的无因次阻力比较及SSC阻力与推力估算

19世纪60年代，在进行当时的两栖攻击登陆艇计划项目时，从8种运输型式、6种航速、7种装载量组成的336个方案中，筛选出了C-150-50，即气垫登陆艇方案。在SSC设计过程中，则采用政府主导的子群式集成设计技术［9］。政府主导的设计团队由不同的专业组成，通过平衡主要设备选择和功能定位，各专业提出所有可能的初步方案构成一个大的设计空间；经研讨评估先筛选出即能满足产品性能需求，又能满足专业要求的方案；在保留下来的方案中，再提高选择标准，最终仅剩下1～2个备选方案。SSC由123个可能的影响因素排列组合后生成多达1047个初始方案，在经过子群设计阶段和设计平衡圈评估阶段，最终筛选出铝合金船体结构的建议设计方案与复合材料船体结构的备用方案。

图21 SSC采用的子群式集成设计技术（SBD）

5 结 语

美国气垫登陆艇推进垫升系统在30余年使用过程中遇到许多问题，但经过努力均得到解决，从而保障LCAC高效可用。SSC则在装载量、耐波性、全寿命周期维护等方面提出了更高要求，随着现代技术发展及LCAC国外比较试验项目的开展，从设计到实船使用考验都积累了相关技术，单台主机功率日益增大、复合材料广泛应用以及推进垫升系统改进优化，使得SSC艇的载重量大幅增加且耐波性有所提高。

［1］ 马涛，邬成杰.气垫船总体性能与围裙气垫系统流体动力设计［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［2］ 张宗科.美国气垫登陆艇的技术发展及分析［J］.船舶，2012（1）：11-20.

［3］ 张宗科.美国气垫登陆艇主动力装置的发展及其对总布置的影响［J］.船舶，2012（6）：1-7.

［4］ Lavis D R.Fifty years &more of hovercraft developmen［tR］.SNAME and IHS Dinner Meeting，2011.5.11.

［5］ Allison.J.A.，G.Forstell.B.，Lavis.D.R，etal.The Influence of New Technology on the Design and Manufacture of High Speed Craft with Special Reference to Recent Monohulls，Multihulls，Air Cushion Vehicles and Surface Effect Ships［C］.High Speed Craft：Design &Operation，RINA，UK，2004：1-19.

［6］ Zorya-Mashproekt.State Enterprise gas Turbine Research&Production Complex［M］.www.zmturbines.com.

［7］ 顾雄，彭宏良.美国两栖攻击登陆艇（AALC）计划发展综述［C］.国外军用气垫船和地效翼船译文集，1994.

［8］ Rivers T.U.S.Navy Air Cushion Vehicle（ ACV）Update.ASNE HPMV Symposium，2009.11.

［9］ Walter L.M，Craig M.C，Chris D，David J.S，and Michael E.B.Set-Based Design and the Ship to Shore Connector，ASNE 2011.