双内旋鳍艉节能船型在消防船设计的实船运用

彭必业，王小红，曾庆国，胡　鹏，陈　强，周春峰

(湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430064)

双内旋鳍艉节能船型在消防船设计的实船运用

彭必业，王小红，曾庆国，胡鹏，陈强，周春峰

(湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430064)

摘要：综合分析国内现有主流消防船的主尺度、船型参数，将双内旋鳍艉节能船型运用于青岛公安局消防船的实船项目，通过多方案型线优化设计，并开展快速性试验研究，获得该类艉型的设计要点。双内旋鳍艉节能船型是解决大型化消防船船、机、桨较佳配合难题的有效途径。实船试验表明，该船型在大型消防船上的设计运用是可行的。

关键词：线型；快速性；双内旋鳍艉；消防船

消防船是专用于水上消防作业的船舶通称，按照作业区域可分为内河消防和海上消防两大类，配备有专业的对外消防设备，要求具备高速、机动的船舶性能，从而满足快速抵达失事现场、灵活应变火势变化的使用要求。随着国家经济快速发展，沿海及内河航道船舶交通频繁，沿岸建筑、港口码头、油库气库等重要设施不断建成并投入使用，消防船作为港口、航道消防安全的重要保障工具，越来越受到人们重视[1]。基于青岛公安消防船实船项目，在全面分析国内同类船型特征、发展趋势和设计要求的基础上，运用武船专利船型技术——双内旋鳍艉船型技术，剖析该船型在大型消防船上运用的优势，分析船型优化方向，最终使实船获得优异的快速性能。

1主尺度和船型参数分析

通过对文献[2-4]的收集和分析，获得国内现有主流消防船的主要尺度信息见表1。通过分析可以得出以下设计特点和发展趋势。

1) 船舶尺度较小，船长通常处于40 m左右，从而获得较好的灵活性和机动性。

2) 船舶吃水较浅，通常为3.0 m以下，从而获得较强的航行水深适应性。

3) 船舶航速较高，通常为15 kn左右，弗汝德数约为0.38，属于中高速船范畴。

4) 近些年随着港口条件的改善，消防船朝着大型化方向发展，船长略有增大、吃水略有加深、排水量和装载量明显提高，而最高航速却不能降低，所以船舶所配备的主机具有大功率化趋势。

表1　国内主要现役消防船信息

根据青岛市公安局对该消防船的设计任务书的要求，确定船舶主要尺度如表2。

表2　青岛公安消防船船舶信息

该船长宽比小于4，宽吃水比为3.7，设计吃水下方形系数接近0.6，弗劳德数约为0.4，是典型的船长受限、较为肥大的中高速船舶，其船舶型线设计具备一定难度。

2双内旋鳍艉船型设计

在青岛消防船在船型设计之初，充分查阅了国内同类船舶的型线设计方案，考虑到该类船舶吃水浅、航速高，随着消防能力的不断提高，船舶朝着大型化的方向发展，随之带来主机配备大功率化趋势。国内现有消防船通常采用常规艇的型线设计方式，也有船舶运用对称双艉或双艉鳍的型线设计。但这些设计方法都解决不了螺旋桨尺度受限的问题，径深比仍只能在0.7左右。文献[5]介绍了常规轴支架大直径双导管螺旋桨在海洋工程船上的实船运用，其径深比可达到0.615。

武船专利船型技术——双内旋鳍艉船型为青岛消防船提供了一种合理解决机、桨匹配的船型方案。该船型利用隧道效应和预旋流原理，将螺旋桨上方的船体设计成半导管形状，形成类似导管螺旋桨的效果，从而减少螺旋桨叶稍与船体的间距，达到增大径深比和大螺旋桨直径的目的，通常该类船型径深比可取为0.9～1.2之间。

2.1设计特点

图1为青岛消防船采用双内旋鳍艉设计方案的模型。该船型通过不对称的鳍槽顶线和鳍槽底线设计，在螺旋桨前方形成型线向外预旋的来流，通过将螺旋桨旋向设计为内旋，从而获得较佳的反桨效应，从而提高螺旋桨推进效率；将螺旋桨上方的船体壳设计成与螺旋桨同心的半圆形状，保持桨叶稍与船体的间距为200 mm以内，从而形成半导管效应，同心圆弧范围约占1/4整圆；设计螺旋桨目标直径为2.5 m左右，设计吃水2.7 m，径深比约为0.926。

图1　双内旋鳍艉船型模型实物

2.2优势分析

为获得双内旋鳍艉船型的节能收益大小，采用理论计算与模型试验相结合的方法，对双内旋鳍艉船型与人支架双桨船型的有效功率和收到功率进行比较分析，论证思路见图2。

图2　两种船型计算论证思路对比

主尺度确定后，首先假定两种船型，即双内旋鳍艉和人支架双桨船型。通过对本船主尺度及航速范围分析，决定采用汉斯克小型船舶有效功率估算图谱[6]对两种船型的有效功率进行计算。

对双内旋鳍艉船型进行型线设计并完成水池快速性试验，将阻力试验结果[7]与该船型图谱计算结果进行对比，得出两者之间在不同航速下存在4%～6%的误差，误差在可接受的范围。因此，使用汉斯克图谱计算船舶阻力并结合相应弗劳德数下误差修正方法所获得的船舶有效功率数据可靠，该计算方法同样可适用于人支架双桨船型的有效功率预报。

得到两种船型的有效功率预报之后，分别开展螺旋桨设计与计算。双内旋鳍艉船型选用的螺旋桨直径为2.48 m。结合水池试验获得的自航因子[7]和图谱桨设计，从而对螺旋桨收到功率和船舶航速进行预报；人支架双桨船型为常规船型，按照径深比0.7确定螺旋桨直径，即螺旋桨直径为1.9 m。结合人支架双桨船经验公式算法获得的自航因子和螺旋桨理论设计，对螺旋桨收到功率和船舶航速进行预报。

最终，对两种船型的受到马力曲线进行对比分析可知(见图3)，双内旋鳍艉船型在航速15 kn左右的节能效果高达10%以上，其显著的节能优势主要得益于船、机、桨的优化匹配。

图3　螺旋桨收到功率对比

2.3本船难点

本船为船长受限、较为肥大的中高速船舶。由于浮态调整的需要，船舶设计状态的浮心位于船舯偏后约1.6%Lpp左右，所以最大横剖面设计于船舯偏后约3.8%Lpp左右，船舶去流段长度为18.4 m，螺旋桨直径2.5 m左右。综合本船去流段的几何要素，去流段长度与宽度的比值不足2，螺旋桨直径相对较大。

去留段的尺度限制和高航速要求不利于内旋鳍槽道的几何构形，所以在型线设计过程中出现了较大困难。归纳起来，本船尾部型线设计的难点在于需协调以下两点矛盾。

1) 如图4，较肥的艉体排水量要求艉部横剖面设计更加丰满，而高达0.926的径深比使得艉体纵剖面曲度变化较大，如何设计出丰满且尽量能平缓过渡的槽道是本船型线设计需解决的一个难点。

图4　艉体设计难点分析一

2) 如图5，过短的去留段结合较高的方形系数、较大的曲度变化，很容易引起尾流分离，从而增加粘压阻力、降低推进效率、增加螺旋桨激振风险。然而本船设计弗劳德数为0.4，如何在高航速下避免尾流分离，这是本船型线设计需解决的另一个难点。

图5　艉体设计难点分析二

2.4优化分析

本船在型线设计和水动力试验研究中，共进行了3个方案的优化比较。在最初方案一的试验中发现鳍槽道内存在严重水流分离现象，流线试验中出现的油漆滞留现象及自航试验中出现的推力减额、伴流分数过大(均超过0.4)现象说明尾流分离的存在。

为避免出现鳍槽内的水流分离，即需要对船舶艉部纵剖线和水线的形态和去流角进行控制，而双内旋鳍艉船型尾部纵剖、水线的形态是由鳍槽的主要控制线所决定的，最典型的鳍槽控制线即为鳍槽顶线和鳍槽底线。所以，在3个方案优化设计过程中通过以下技术路径开展了研究。

1) 偏移鳍底线，为鳍槽提供充足的来流。鳍槽的供水情况主要是由鳍底线所决定的。如图6，方案一的鳍底线处于螺旋桨桨轴中心线所在的纵剖线内，使得鳍槽内部横剖形态较为拥挤，从而在鳍槽来流方向形成严重的瓶颈作用，使鳍槽内供水不足；方案二开始通过使鳍底线向船舶舷侧方向形成10°左右的角度旋转偏移，使鳍漕内部横剖线均向舷侧偏移，从而在来流方向扩宽了鳍槽的瓶颈，为鳍槽提供了充足的供水，解决流线分离的源头问题。

图6　鳍槽底线优化过程

2) 控制鳍顶线形态和去流角，缓解船体曲度变化。鳍槽内部的船体曲度主要是由鳍槽顶线所决定的。如图7所示，从纵向视图上看方案一、二的鳍槽顶线最大倾斜角分别为20°、17°，而从水平视图上看最大倾斜角分别为28°、15°。通过试验发现方案一出现严重的水流分离，而方案二的推力减额和伴流分数较方案一均有减少，这说明鳍槽顶线在纵向和水平方面的去流角控制是改善尾流分离的有效途径。

图7　鳍槽顶线优化过程

出于减小鳍槽顶线最大倾斜角、避免水流分离和螺旋桨振动的目的，需进一步对本船螺旋桨直径进行了调整，螺旋桨直径从方案二的2.68 m减少至方案三的2.48 m，从而使桨轴高度可以降低200 mm；同时考虑到本船吃水浅，航行港口的水深裕度较高，故使螺旋桨叶稍最下缘低于基线200 mm，于是桨轴高度又可以降低200 mm，轴线总共下降400 mm，鳍槽顶线最高点高度相应下降400 mm左右。以此，方案三鳍槽顶线的纵向最大去流角减小至17°，同时调整鳍槽顶线的水平视图形态，使水平最大去流角减小至9°。最终使船体曲度变化趋于缓和，达到优化设计目标。

3船舶快速性能

青岛消防船在型线设计过程中完成了多次水动力试验研究，图8、9为最终方案的流线试验结果，通过多方案优化设计基本控制住了尾流分离问题。实船在建造过程中逐一攻克了艉体复杂曲面加工难题和狭小空间施工难题，圆满完成了实船建造任务，图10、11为该船实船艉体照片。通过本文对该船艉体型线设计的难点分析和优化研究，获得了实船较好的性能，主要体现在优秀的快速快速性能指标。

图8　艏部流线试验照片

图9　艉部流线试验照片

图10　实船单艉鳍现场图

图11　实船双艉鳍带螺旋桨现场图

通过系列水动力试验和船、机、桨优化匹配设计后，获得本船单桨收到马力曲线如图12所示。通过航速预报得知，该船在设计吃水2.7 m下，主机功率推进为2×2 240 kW时，无风无浪且考虑15%功率储备、经减速器和轴系后，双桨收到马力Pd=3 808 kW，单桨收到功率Pd=1 904 kW，此时航速可预报为15.43 kn。

图12　航速预报曲线

该船实船试航时吃水达2.9 m，主机功率发出85%时航速达15.2 kn。若是运用海军系数法对试航吃水及排水量进行修正，可换算出实船吃水2.7 m时航速可达15.53 kn。

4结论

1) 鳍槽底线需向螺旋桨外侧有效偏移，以便扩开鳍槽的进流瓶颈，使鳍槽内得到充分供流。

2) 需严格控制鳍槽顶线的走势，使鳍顶线的纵向去流角需尽可能小，控制在15°以内为宜；鳍顶线的水平去流角需尽可能小，控制在10°以内为宜。

3) 需通过鳍槽内各水线、纵剖线的形态及去流角来有效控制和优化鳍槽形态，不允许出现较大的曲率特变及不光顺区域。

参考文献

[1] 周振应.论消防船的设计[J].广东造船,2009(2):33-37.

[2] 叶蔚忠.厦门消防船设计方案探讨[J].船海工程,2012,41(4):29-32.

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[4] 植家敏，徐俊红.“深消一号”和“深消二号”消防船的设计特点和性能分析[J].船舶，2000(2)：23-26.

[5] 彭必业.深远海多功能工程船艉体型线设计[J].船海工程，2015，44(4)：14-17.

[6] 朱珉虎.内河船舶设计手册[M].北京：中国标准出版社，1996.

[7] 吕续舰，朱建华，张耀诚.某消防船快速性模型试验报告[R].武汉：华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室，2013.

Application of Double Cochlea-channeled Stem Lines Energy Saving Design in Fire-fighting Boats

PENG Bi-ye, WANG Xiao-hong, ZENG Qing-guo, HU Peng, CHEN Qiang, ZHOU Chun-feng

(Hubei Institute of Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

Abstract:The principal dimensions and coefficients of domestic fire-fighting boats are considered comprehensively, taking double cochlea-channeled stern into use of the practical ship design of Qingdao fire-fighting boat project. By lines design analysis and towing basin test of multi-plan to find the controlling points of stern lines design, it is shown that the double cochlea-channeled stem lines is an effective method to solve the problem of good matching of hull, machine and propeller for large fire-fighting boats. The built vessel's performance shows the success of use of double cochlea-channeled stem in large fire-fighting boats.

Key words:lines; speed and powering of ship; double cochlea-channeled stern; fire-fighting boats

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.012

收稿日期：2015-09-01

基金项目：湖北省科技支撑计划项目(2014BAA034)

第一作者简介：彭必业(1983—)，男，学士，工程师 E-mail:pengbiye@sina.com

中图分类号：U662

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0050-05

修回日期：2015-09-29

研究方向:海洋工程船舶及特种船舶总体设计