小水线面双体型远洋调查作业船设计

葛兴国

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

小水线面双体型远洋调查作业船设计

葛兴国

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

小水线面双体型科学调查作业船因其优良性能而深受人们青睐，又因其设计难度大且前期研究工作投入多而使船舶设计人员望而却步。该文以某型小水线面双体远洋调查作业船的设计为例，简述了设计中应重点并注的要点（即线型设计、质量控制、电力推进、低噪声螺旋桨设计等），可供同类型船舶设计参考应用。

小水线面双体船；远洋调查作业船；设计要点

引 言

小水线面双体船是一种高性能、高科技船舶，与单体船相比具有独特的性能和优点：

（1）在一定航速范围内阻力性能较好。因为有小的水线面面积，而使大部分体积深潜水下，从而使兴波阻力大大降低。

（2）耐波性能特别优良。垂荡、纵摇、横摇的固有摇摆周期长，在风浪中失速小；能适应横浪的干扰。

（3）具有宽大、方整的甲板面积，有利于总体舱室布置和甲板操作布置。

因此小水线面双体船型特别适用于需要宽敞甲板面积和良好耐波性的海洋调查、勘察、作业船舶，但其技术复杂，设计难度大，则必须充分考虑研究设计的工作投入和工作周期。

1 国内外相关技术研究和开发现状

本文所述的是一艘小水线面双体型科学调查作业船，主要用于远洋航行及从事海洋科学调查和作业。

1.1 国外情况

1.1.1 日 本

日本小水线面双体型船开发较早，但均为小型船舶，如交通船、小客船、工作船、水文测量船、渔业调查船等。具代表性的船舶为1979年建造的“海鸥”号客渡船，该船排水量340 t，能载客446人。

1.1.2 德 国

德国也使用一些小型水线面船舶，较大型的船舶为WFES751型小水线面双体水下武器电子系统研究试验船。该船总长73m、主甲板宽度25m、吃水6.8m、排水量3500 t、航速15 kn、续航力5000 nmile。该船可搭载船员25人，科研人员20人，属军民两用船舶。

1.1.3 美 国

美国是拥有小水线面双体型船舶最多的国家，且大部分为军用船舶。早在20世纪60年代，为了配合航天飞行计划，美国提出小水线面船的设计，并于1973年建成由美国海军海洋研究中心开发设计并使用的“凯梅里诺”（“Kaima Lino”）号。该船总长27m、宽13.72m、吃水4.65m、排水量217 t，主机为功率2×1545 kW的燃气轮机，航速25 kn。由于反响良好，从此小水线面船型便引起人们的兴趣和并注。

二战后，美国迅速发展航母编队。当时，苏联并没有步美国后尘，其发展号称“深海蛟龙”的导弹核潜艇与之进行对抗。为了遏制苏联核潜艇的崛起，美国大量开发远程被动探测声纳系统，进行音响测定和监视，建造大批音响测定舰，计有：“坚定”级舰18艘（单体型），“胜利”级舰6艘（小水线面双体型）和“无瑕”级舰1艘（小水线面双体型）。20世纪90年代苏联解体，冷战结束，“坚定”级舰都拨作其他用途，而“胜利”级舰和“无瑕”级舰仍作为军用。“无暇”级舰长85.8m、宽29.2m、吃水7.9m、排水量5370 t、舰速12 kn。该舰由美国哈尔特船厂建造，造价1亿美元，设舰员45人。

1.2 国内情况

20世纪70年代，我国为了国防需要，上级下拨经费在七〇八所和七〇二所进行小水线面船型的开发研究，但进展较为缓慢。改革开放以后，由于计算机技术的推广以及应用软件开发，采用CAD和CFD等软件不仅提高了计算精度和设计速度，并配以船模试验的校核，使小水线面船型研发获得成功。采用小水线面船型建造的船舶有海并领港船、油田交通艇、水声试验船、近海测量船（军用）、“实验1”号综合科学科考船等。这些船属于中小型和专业化类船舶，技术先进，并可与同时代国外船舶相媲美。

2 小水线面双体型调查作业船概述

小水线面双体型远洋调查作业船可在无限航区航行并从事各种调查和作业，主要可以进行：

（1）各种海洋调查仪器设备，尤其是水声设备的海试平台；

（2）深远海海洋科学调查研究；

（3）浮标、潜标的投放和回收；

（4）进行遥控潜水器（ROV）、自主遥控潜水器（ARV）、载人潜水器（HOV）的投放和作业；

（5）各种无人潜水器（UUV）的海上试验；

（6）深海水深测量。

由于该型船具有海洋工程装备的功能，可以为海洋油气勘察、海底敷管工程、石油钻井平台等服务和作业。此船能对各种无人潜水器进行试验和投放，可以进行南海岛礁航道的水深测量等准军事用途，其功能足以满足军民融合发展的需要。

本文所述小水线面双体型调查作业船的主要参数为：总长64m、型宽22.5m、片体中心距16.8m、设计吃水5.7m、设计排水量约2000 t、推进电机功率2×1000 kW、设计航速12 kn，船上有船员和科研人员60人。该船总布置侧视图见下页图1。

3 设计要点

3.1 线 型

现今所说的小水线面双体船（SWATH）也可称为半潜式小水线面艇（SSC）或半潜式小水线面平台（SSP）［1］。整个船型可以分为三个部分：下面部分似鱼雷状筒体为主潜体；中间部分扁长条状为支柱体；上面部分平长方形状为箱体和上层建筑。

3.1.1 主潜体

这种船型是将左右两个主要潜体完全潜入水中航行，只有箱体露于水面之上。因此，两个主潜体不产生兴波阻力，只产生摩擦阻力。主潜体横剖面形状可以为圆形、椭圆形、瓶形，中间部分一般可采用方形等。这种船在航行时的主要阻力成分是摩擦阻力，约占总阻力的70%～80%，因此水下部分在选择剖面形状时，应尽可能减少湿表面积，以减少总阻力。

若以纵向剖面为基础，采用横剖面直径、前体长度和后体长度三个变数，使用舰船设计软件（Navcad）进行计算，得出首尾较细、中间部分较粗的形状较优结果。在阻力和所需功率上，采用A、B形状优于C、D两种形状（见图2）［2］。此外，较粗的主潜体中间部分也有利于主机舱的布置。

3.1.2 支柱体

支柱体是指与水面接触的一段扁长体。水线面狭而长，因而称为小水线面，由此产生的波浪是很小的，而且左右片体间距较大，无首波干扰，因此航行时兴波阻力较小。就阻力而言，尤需注意支柱体的长宽比应＞6.0。稳性方面，支柱体的长与宽必须使其水线面积满足规范要求初稳性高GM≥0.03m。在结构上，支柱体的骨架不可影响人员出入，其横向宽度应不小于1.2m，尤其在首尾端要考虑人孔盖的设置。同时，支柱体内的横舱壁位置应与上部箱体和下部潜体横舱壁对齐。

3.1.3 箱体和上层建筑

所谓箱体，在结构设计时，称为连接桥箱体结构和上层建筑。对小水线面而言，连接桥箱体结构影响整船的抗扭强度和刚度以及船体的结构质量。至于线型方面，在支柱体向上延伸到连接桥箱体的横剖面线型，一般设计成一定程度的“外飘”，船的内侧“外飘”程度较大，而船的外侧“外飘”程度较小。其目的是在内侧可减小连接桥的有效跨距，以增加结构抗弯刚度。在外侧不会引起压浪航行，减小波浪阻力，横剖面线型见图3。

3.2 船体质量及重心控制

小水线面双体船设计的最大风险是对船体质量与重心的控制，一旦失控，将影响整船的性能和经济性。因此在设计过程中，应把控制质量和重心作为首要任务，随时注意调整。

小水线面双体船的水线面积小，在静水力计算中每公分吃水排水量值和每公分纵倾力矩值远小于一般单体船。当船上质量和重心略有改变时，会对船的吃水和纵倾产生明显影响。作为调查作业船，其露天甲板作业面积占整个主甲板面积达到43%，考虑船的正常作业，换装作业或改装作业时，船的浮态有明显改变，因此在船的首部像潜艇设计一样设平衡水舱，随时调整船的作业状态或航行姿态。

船在建造过程中，要严格控制质量，按图施工。尤其是当船在下水，停靠在舾装码头继续施工时，对设备、材料、成品上船时一定要派人设岗监控和称重。

3.3 柴电螺旋桨推进系统

3.3.1 船舶适应性

小水线面双体型船与传统的单体船差别很大。由于其水下潜体体积小，柴油机装置和附件很难容纳在狭窄的潜体机舱空间内，务必要放置在水上部分的露天甲板间舱内。因此，船的推进系统要分开设置，将柴油发动机放置于甲板间舱的机舱内，而推进电机则置于水下潜体的主推进电机舱内，并与轴系和螺旋桨相连。

3.3.2 推进系统的选择

因小水线双体型船不同于单体型船，在电力推进系统选择上也有所不同。

随着大功率交流电和变频调速技术日臻完善，出现各种吊舱式和全回转舵桨合一的推进方式。但是由于国内成套化和设计能力不足，几乎都是采用西门子、ABB等公司的成套产品，其产品价格高，构造上也很难适应本船型需要。因此，从实际出发，本船型采用柴电螺旋桨推进方式，其最大特点是成本低、推进效率高、经济性好。

3.3.3 直流组网电力推进技术

以发电机、变频器和电动机带动螺旋桨旋转的推进系统，以往都采用交流组网技术，这是因为交流发电机没有碳刷和滑环，相比于直流发电机可靠性更高，但是交流组网技术较为复杂且机体较大。从2010年开始，整个行业逐渐从交流组网技术向更为先进的直流组网技术过渡。直流组网技术仍然采用成熟可靠的交流发电机组，但是采用电力电子设备可将发电机组通过整流组成一个直流船用电网。

由于此船上采用了与国内某公司合作研发的“直流组网电力推进技术”，不仅便于大小功率发电机组的并车与调速，并且免除了移相变压器和配电板的配置，从而使整个柴电推进装置的质量和空间都可减少约30%，不仅优化了系统布置，而且降低了投资成本。此外，为了提高推进装置的效率，部署研制大功率低转速（120 r/min）、小尺寸的永磁变频推进电机与之相匹配。

3.3.4 螺旋桨设计

螺旋桨设计时可考虑采用以下措施：

（1）考虑到调查作业船的水声设备的使用和试验，螺旋桨必须是低噪声的，因此采用多叶片、带侧斜的螺旋桨使其在运转时水流更为均匀。考虑到制作时的难易程度，一般采用5叶片和25°侧斜度为宜。

（2）由于尾框裕度较大，因此采用大直径螺旋桨，以提高敞水效率。

（3）用MAU5图谱［3］初步确定螺旋桨等诸要素。

（4）为了防止出现较多叶梢背空泡，适当加大盘面比［4］，以免因水流扰动而产生环境噪声。

（5）按环流理论，用CFD工具作进一步分析提高。

（6）选择毂帽整流鳍作为节能措施以提高推进效率［5-6］。

（7）选用高强度材质，如高锰铝青铜（Cu4），以减轻质量，降低螺旋桨转动惯量，以实现进一步减振降噪。

采取上述措施后，螺旋桨效率可比常规设计提高约6%，由此获得本船的大直径、低噪声、无空泡带毂帽整流鳍节能的高推进效率的螺旋桨。图4为带毂帽整流鳍节能装置的螺旋桨。

4 结 论

小水线面双体型船是高科技高性能船舶，在设计中除运用CFD手段外，还要通过船模试验进行校核，以防出现差错。

小水线面双体型船作为调查、勘探、作业船型时，必然会遇到一些问题，本文所述的一些情况，仅供参考应用。

小水线面双体型船具有单体船无法相比的优点（尤其具有良好的耐波性），在海上俨然是一个稳定平台，因此可广泛适用于各类客船、大洋钻探船、载直升机母舰、导弹发射母舰等。

［1］ EDWARD N. Predicting Hydrodynamic Behavior of small water plane Area Twin Hull ships［J］.marine Technology, 1981（1）：69-75.

［2］ RDSO by Coupling Caeses and Navcad［J］. The Naval Architect, 2015（10）：62-66.

［3］ 葛兴国，刘旭岚（编译）.船用螺旋桨设计参考资料［M］. 1971.

［4］ 葛兴国. K.C.推进器组系及其他［M］.船舶及海洋工程设计研究文集，2015.

［5］ 葛兴国.江海直达船型与节能装置设计［J］.上海造船，1991（4）：14-22.

［6］sCHNEEKLUTH H.ship Design for Efficiency and Economy［M］. 1987.

On design of ocean research SWATH

GE Xing-guo
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The ocean research small Water plane Area Twin-hull (SWATH) is popular because of its excellent performance. However, the difficulties in the design and the massive preliminary research work impose hindrance for the ship designers. It briefly introduces the design points of an ocean research SWATH,such as the line design, weight control, electric propulsion and low-noise propeller design. It can provide reference for the design of the similar ships.

small water plane area twin-hull (SWATH); ocean research ship; design point

U674.951

A

1001-9855（2017）05-0023-05

2017-07-10；

2017-08-05

葛兴国（1933-），男，研究员。研究方向：船舶总体研究设计。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.023