25 m疏航艇船型分析

王群蕾，王 奇，祝 林

（1.金华市港航管理局，浙江金华 321013；2.嘉兴市金航船舶设计有限公司，浙江嘉兴314001）

0 引言

为适应航道等级提升后的船舶疏航及抢险工作，浙江金华地区近来成功地研制开发出一种小型的多功能工作艇。该艇不仅可以承担维护水上安全巡航及人命救助指挥，而且具备可在夜间或雾天等恶劣海况下实施疏航及抢险作业的能力。

按照设计任务书的要求，该艇兼顾航道疏通执法和拖离搁浅货船之双重功能，具体要求是：

1）自由航速≥20 km/h。

2）系柱拉力≥100 kN。

3）在3 m/s的水流速度下，能上水拖带800 t散货船或50 m货船等遇险船舶脱离急流险滩。

同时，本船总费用（设计和建造）应控制在300万元以内。

实船建成后，历经几年来的营运实践表明，该艇全面满足了上述的任务要求，实是一种集疏航与拖带等多种功能于一体的实用经济的小艇。其成功的关键在于，该船的船型尺度要素、航速及推进动力设备的选定及其配套的推进装置的选取等均为合理。作为经验总结，本文对以上几方面作系列分析，为希望研发此类小艇的有关内河运管部门提供借鉴和参考。

1 船型尺度要素及自由航速的合理选定

按照前述要求，确定了25 m疏航艇的主要尺度系数于表1。

表1 25 m 疏航艇的主要尺度系数

在尺度系数确定后，确定疏航艇的自由航速成为关键。船舶航速连同船舶的水线长度决定了船舶按既定航速航行时所相应的长度傅氏数FNL，进而决定了船舶的航行状态。

根据《船舶原理》[1]和《高速艇动力学》[2]所阐明的基本概念，当船舶的长度傅氏数FNL＜0.4时，船舶的航行状态基本上为排水量型，船舶的重量全部由船体的浮力所承担；随著航速的增高，当其长度傅氏数FNL≥0.4时，船舶则处于过渡型高速排水量艇的航行状态。此时，要求船舶在航行时能在艇底产生一部分流体动升力，与浮力一起共同支撑艇体重量。表2在既定的金华25 m疏航艇的船舶尺度系数条件下，系列航速所对应的傅氏数及所对应的船舶航行状态的变化。

表2 25 m 疏航艇在系列航速下的航行状态

若按过渡型高速排水量型进行小艇设计，为了在艇底产生流体动升力，对其艇体线型，特别是艉部线型有着一定的特殊要求，即需要采用平底和方尾，不宜采用隧道式的尾部线型型，限制了螺旋桨的直径，进而影响到螺旋桨的推进效率及其系柱与拖带特性。

自由航速的提高会引起航行阻力的激增。若按普通的排水量型船舶进行设计，一般可按爱尔氏法进行船舶阻力和船体有效功率的估算；若按

过渡型的高速排水量型船舶进行设计，一般采用通过回归分析所建立的的计算方法[2]进行船舶阻力和船体有效功率的估算。表3和表4是针对前述的船型尺度系数要素分别按这2种计算方法求得的相应于2种航行状态的船舶阻力。计算中，均考虑增加15%的附体阻力。

此外，内河航道一般存在有流速并伴随有“水面比降”的急流险滩。当船舶逆水上行时，船舶会遭受“比降阻力”，见表3。

表3 普通排水量型航行状态阻力计算结果

比降阻力即为船体重量在其运动方向上的分量。假定水面比降为3‰，计算求得其比降阻力，进而计算得其逆流航行时的“上滩”总阻力。

相应于20 km/h自由航速下的船舶上滩总阻力为2 996 kgf（1 kgf＝9.806 65 N）。过渡型高速艇航行状态阻力计算结果见4。

表4 过渡型高速艇航行状态阻力计算结果

相应于24 km/h自由航速下的船舶上滩总阻力为6 372 kgf。

由此可见，对金华25 m疏航艇的尺度系数而言，若将其自由航速由原定的20 km/h提高至24 km/h，船舶的航行状态必然由排水量型改变成过渡型的高速排水量型，致使其上滩时的总阻力增大至原先的2.13倍，此时须大幅增加所需匹配的主机功率，经济性不强。对该艇而言，原定约20 km/h的自由航速，使其按排水量型的状态航行，是合理的，也是经济实用的。

2 对船舶的系柱及拖曳特性的合理要求

本船的系柱推力要求达到100 kN以上，可以满足在夜间或雾天等恶劣海况对遇险船舶下实施疏航及抢险作业的要求。

另外，该艇尚需具备在急流险滩的情况下，拖曳遇险的50 m货船或800 t货船上水脱离急流险滩航段，金华港航部门建议克服3 m/s的水流速度上行过滩。考虑到，存在有流速的急流险滩，必然伴随水面比降，在假定其水面比降为0.3‰的条件下，其上滩时的阻力增加。

3 推进动力设备和导管推进装置的优选

3.1 推进动力设备

按照前述的综合需求，选定本艇所使用的推进主机及配套减速齿轮箱为：主机2台，持续功率317 kW，持续转速1 800 r/min，减速比5.05。

3.2 推进装置

为兼顾船舶的系柱拉力、上水拖曳50 m或800 t货船冲过急流险滩以及单艇自由航速等综合要求，该艇采用了在拖船上普遍使用的导管螺

根据兰溪水文监测点的水温监测数据，钱塘江航道的兰江大桥下游800 m处，存在较大流速的急流险滩，并且，水流速度随着水位的提高而有显著增大。表5为兰溪水文监测点兰江大桥下游800 m测得的此段航段在各种水位季节下的平均流速表。旋桨推进装置。利用文献[3]给出的导管螺旋桨的设计方法，进行了该艇导管桨的设计计算。

表5 兰溪水文监测点兰江大桥下游800 m 平均流速表

为配合采用此种推进装置，尽可能增大导管螺旋桨直径，该艇采用了作为大径深比技术的隧道式尾型。同时，考虑到本船的尾部空间有限，该艇采用了长度直径比为0.5的19a型短导管，配合以盘面比为0.7的ka4-70型的宽叶梢螺旋桨。取螺旋桨的限制直径为1.65 m。

为了兼顾自由航速、系柱拉力及在急流险滩中脱离货船的综合要求，经探索计算，决定按14.5 km/h的设计航速进行该艇的导管螺旋桨设计，选取的导管螺旋桨的螺距比为为P/D＝0.888 3。

4 船舶的自由航速及系柱和拖带特性

按前述的导管螺旋桨要素进行了在系列航速下的导管桨的推力计算，计算结果汇总列于表6。

表6 系列航速下的导管螺旋桨总推力

由此可见，导管桨发出的总系柱拉力为128.8 kN，达到了对系柱拉力的预期要求。

由螺旋桨发出的总推力曲线与25 m疏航艇总阻力曲线的交点可得25 m艇的自由航速为：Vmax＝20.7 km/h，达到了对自由航速的预期要求。

由牵引力曲线与2型被拖船总阻力曲线的交点，可得2型被拖船舶上滩时的对水航速，减去10.8 km/h的水流速度，即可获得被拖船上滩时的对岸航速，见表7。

表7 配置导管螺旋桨的25 m 疏航艇的航速预报

由此可见，该艇具备有足够的拖带能力脱离2型货船上水驶离急流险滩。

5 结论

通过上述论证比较研究，得出下述结论性意见：

1）所设立的25 m疏航艇主要尺度要素是合理的，既可满足总体布置要求，又具有良好的阻力和推进性能。

2）该艇采用双机推进动力装置是合理的。

3）该艇采用19a型导管匹配以Ka4-70型螺旋桨的推进装置，其自由航速可达20.7 km/h，系住拉力达128 kN；同时，在考虑3 m/s的水流速度和3‰的水面比降的急流滩险条件下，2型被拖货船的上滩对岸航速均可达5～6 km/h，完全满足预期的拖带需求。

4）金华25 m疏航艇集疏航执法和拖带等多种功能于一体，一船多用，是实用经济的多功能小艇，值得相关航管部门在研发时借鉴参考。