專(zhuān)題報(bào)告——球鼻艏 - 副本.doc

實(shí)習(xí)專(zhuān)題報(bào)告船舶球鼻艏和減搖鰭 一、球鼻艏1、球鼻艏介紹設(shè)計(jì)水線(xiàn)平面以下呈球鼻形的艏，球鼻艏又稱(chēng)球型艏，簡(jiǎn)稱(chēng)球艏，是設(shè)計(jì)水線(xiàn)以下首前部近似呈球狀的船首部。球狀部分義稱(chēng)球鼻，其型式有水滴形、撞角形、圓筒形等多種。20世紀(jì)初用于軍艦，在博汝德數(shù)0.3 左右明顯有利，但制造工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，耐波性也差，未能推廣。60年代發(fā)現(xiàn)對(duì)低速油船、貨船有利, 后披廣泛應(yīng)用。一般認(rèn)為、球艏雖使船體濕面積增大，但其阻力可由船首波與球艏波間有利的干擾，或球艏附近水流情況的改善而減小。有的資料統(tǒng)計(jì)，艦船滿(mǎn)載時(shí)球鼻艏可降低船的主機(jī)功率10%-20%。球艏還有利于安裝首部側(cè)向推力器及聲吶。球艏按橫剖面面積曲線(xiàn)的形式可分附加式和隱含式。前者常見(jiàn)于早期的球艏與由常規(guī)船型改裝的球艏，面積曲線(xiàn)除艏端外不加修改。現(xiàn)代球艏都將橫剖面面積曲線(xiàn)自前體肩部削瘦轉(zhuǎn)移到球艏處。球鼻艏按橫剖面的形狀，有型、 型和O型，以配合艏部橫剖面形狀。2、球鼻艏作用船在航行時(shí)候會(huì)產(chǎn)生興波阻力，船舶航行時(shí)使水面產(chǎn)生波浪，在船首和船尾附近各發(fā)生一組波系。每組波系包括橫波和散波。橫波大致垂直于航向，散波同航向斜交，船波起伏的能量由船體供給，消耗了一部分推進(jìn)船舶的功率。對(duì)船來(lái)說(shuō)相當(dāng)于克服一定的阻力，這種阻力叫興波阻力。 減少的是興波阻力，沒(méi)有球鼻艏時(shí)會(huì)在船舷產(chǎn)生波浪形的水波。球鼻艏可以產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)180的波，與之抵消。但球鼻艏只在其設(shè)計(jì)的航速上產(chǎn)生正效應(yīng)，否則阻力更大，所以只用遠(yuǎn)洋海船。 沒(méi)有球鼻艏時(shí)會(huì)在船舷產(chǎn)生波浪形的水波。但球鼻艏只在其設(shè)計(jì)的航速上產(chǎn)生正效應(yīng)，否則阻力更大，所以只有遠(yuǎn)洋海船球鼻艏位于船頭處。 與船首形狀有關(guān)的問(wèn)題就是球鼻首的應(yīng)用。自20世紀(jì)20年代在商船上首次設(shè)置球鼻首以來(lái)，球鼻首已經(jīng)在現(xiàn)代商船上得到廣泛應(yīng)用。模型對(duì)比試驗(yàn)表明，設(shè)置球鼻首的船，比同樣的無(wú)球鼻首船，需要的推進(jìn)功率小得多，阻力性能也好得多。球鼻首對(duì)船型的影響涉及到船舶設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、制造和使用等各個(gè)方面，因此選用球鼻首船型時(shí)，必須綜合考慮船舶的快速性、耐波性(尤其是首底砰擊)、操縱性、縱傾調(diào)整、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、建造成本及工藝性、航行(包括冰區(qū)航行)和錨泊布置等方面的影響。然而，改善船舶的流體動(dòng)力性能仍是目前選用與確定球鼻首船型所考慮的主要因素。3、球鼻首降阻機(jī)理1) 高速船對(duì)于Fn在0.250.35之間的中高速船，安裝球鼻首可以減小興波阻力。泰勒首先提出球鼻首減小阻力的原因是一種興波干擾現(xiàn)象。以后的理論和試驗(yàn)研究表明，球鼻首產(chǎn)生興波由波谷開(kāi)始，而船體首波系由波峰開(kāi)始。如球鼻首產(chǎn)生的球首波系的波谷，恰好與主船體波系的波峰相重合，就可取得消波的效果。從理論上說(shuō)，若兩者波幅相等，相位相反，則可能完全消波。2) 低速肥大型船舶 以前一般認(rèn)為球鼻首僅適用于Cb0.70的尖瘦船。近年來(lái)球鼻首的應(yīng)用已推廣到低速肥大型船舶。這類(lèi)船航速低(Fn0.160.20)，壓載航行時(shí)，首波系產(chǎn)生的興波阻力約占總興波阻力的2/3。而總的興波阻力僅為總阻力的5%15?？墒谴Ｔ囼?yàn)表明，球鼻首船型與常規(guī)船型相比，總阻力減少達(dá)2025%，減少的阻力已超過(guò)首波系的興波阻力，因此僅應(yīng)用球鼻首的消波理論無(wú)法對(duì)此作出解釋。破波阻力成分被揭示后，低速豐滿(mǎn)船型球鼻首降阻機(jī)理得到明確。肥大船在壓載航行時(shí)，首部水流沖擊，紊流使首波破碎消耗能量，破波阻力相當(dāng)明顯。而球鼻首使船首前伸，該處橫剖面面積曲線(xiàn)的陡度和首部水線(xiàn)半進(jìn)流角減小，改善了船首柱附近的水壓力分布，因而緩和了船首破波情況，從而降低了破波阻力。而在滿(mǎn)載情況下，普通船型由于舭部半徑很小，船底很平坦，首部舷側(cè)水流繞過(guò)舭部斜向進(jìn)入船底，與船底原來(lái)向后的水流交叉相混，形成般渦。球鼻首具有整流作用，可將側(cè)流順導(dǎo)向后，大的首部舭半徑也改善了舭部的流動(dòng)，從而使船首部不發(fā)生或少發(fā)生舭渦，粘壓阻力減小。根據(jù)資料，滿(mǎn)載時(shí)球鼻首可使主機(jī)功率降低1020%，壓載時(shí)可降低2025。我國(guó)在載重量24000t油船、載重量25000t及35000t散裝貨船、載重量50000t油船的船型研究中也都證明了這一點(diǎn)。4、球鼻首型式 幾種典型的球鼻首型式如圖所示。 撞角型球鼻首前伸較長(zhǎng)，前端較尖，其橫剖面呈圓形或橢圓形、浸深較大，通常用于低速豐滿(mǎn)船型。滿(mǎn)載和壓載時(shí)降阻效果均較好。 水滴型球鼻首出現(xiàn)最早，其特征是體積較小且集中于中下部，此種球鼻首有利于減小設(shè)計(jì)水線(xiàn)的進(jìn)流角，多用于中、高速船上。 SV型球鼻首于60年代提出并被廣泛使用。其特征是首柱呈S型，球首下部橫剖面呈V型。適用于首部剖面呈V型的船，在較寬廣的速度范圍內(nèi)(Fn=0.150.35)均能降低船體阻力和提高推進(jìn)效率，且能顯著改善船首底部的砰擊。此外，SV型球鼻首還有較好的破冰性能。5、球鼻首標(biāo)志球鼻首標(biāo)志用以表明在船舶設(shè)計(jì)水線(xiàn)以下首部前端有球鼻型突出體，并勘劃于船首左右兩舷重載水線(xiàn)以上的首部處。6、可變性球鼻艏的設(shè)計(jì)與安裝方案研究 將球鼻艏設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的，通過(guò)調(diào)節(jié)球鼻艏的長(zhǎng)度來(lái)控制球鼻艏在船舶航行時(shí)產(chǎn)生的水波。使得在任何航速下由球鼻艏產(chǎn)生的水波和船體艏部產(chǎn)生的水波疊加后的水波波幅最小，即使得有船體激起的水波能量最小，從而達(dá)到減少興波阻力，提高船速。 詳細(xì)介紹： 2010年美國(guó)國(guó)家地理雜志播出一期瑪麗皇后2號(hào)的紀(jì)錄片，其中講到船模做航速測(cè)試時(shí)原來(lái)設(shè)計(jì)航速只能達(dá)到26節(jié)，而船東卡納德公司要求是最大航速30節(jié)以上。設(shè)計(jì)人員為了解決這個(gè)問(wèn)題，將球鼻艏長(zhǎng)度從10英尺提高到12英尺。經(jīng)改進(jìn)后郵輪的航速提高到31節(jié)。而該改進(jìn)的理論基礎(chǔ)是球鼻艏的減阻原理。 船舶在航行時(shí)，會(huì)在船首處激起波紋，在于航線(xiàn)垂直和水平方向上都有不同的波紋。但波的性質(zhì)大部分為橫波。根據(jù)物理學(xué)知識(shí)只波本身具有能量，其能量和波的波幅、頻率成正比。同時(shí)又知在同一介質(zhì)中波長(zhǎng)、頻率相同，則波的能量與波幅成正比。而這些波的能量來(lái)源于船體本身，反映在力的方面就是船收到了阻力。這就是興波阻力。為了減少這種阻力，人們就必然設(shè)法將波幅減低，從而達(dá)到減少波的能量的目的。而根據(jù)波的疊加原理，如果有一列波，此波的相位和原來(lái)波相位相差180則兩列波疊加為零，也就是波消失。當(dāng)然這是理想狀態(tài)。于是人們?cè)俅滋幵O(shè)計(jì)出一個(gè)突出物，使其產(chǎn)生和船體產(chǎn)生的波相差180，達(dá)到減少興波阻力的目的，這就是球鼻艏減阻的理論基礎(chǔ)。 船舶在航行時(shí)不可能一直以某航速航行，航速的改變勢(shì)必會(huì)引起有船體本身激起的水波，而這樣肯定會(huì)導(dǎo)致兩列水波疊加后的水波的波幅不是最低。若將球鼻艏設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的，根據(jù)船舶的航速來(lái)隨時(shí)調(diào)節(jié)球鼻艏的長(zhǎng)度。使得由球鼻艏和船體產(chǎn)生的兩列波疊加后的波的波幅最低，從而達(dá)到減少興波阻力。二、減搖鰭1、減搖鰭介紹減搖鰭是目前效果最好的減搖裝置裝于船中兩舷舭部，剖面為機(jī)翼形，又稱(chēng)側(cè)舵通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)減搖鰭，使水流在上產(chǎn)生作用力，從而形成減搖力矩，減小搖擺，以便減少船體橫搖。該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，且效果取決于航速，航速越高，效果越好，故多用于高速船舶它有收放式減搖鰭和非收放式減搖鰭兩大系列。配備減搖鰭裝置的船只。能夠提高船舶的安全性，改善船舶的適航性；改善船上工作條件，提高船員工作效率；避免貨物碰撞及損傷；提高船舶在風(fēng)浪中的航速，節(jié)省燃料，助長(zhǎng)其他船舶設(shè)備的使用壽命；保證特殊作業(yè)，如：直升飛機(jī)起降，觀測(cè)儀器準(zhǔn)確使用等。不可收放式減搖鰭由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高及成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)船舶，特別是軍用船舶。通常，對(duì)于排水量在1000t以下的船舶，一對(duì)不可收放式減搖鰭就能滿(mǎn)足船舶橫搖減搖要求。由于鰭安裝時(shí)其外展不能超出船截面的框線(xiàn)，因此鰭的面積不能無(wú)限擴(kuò)張，這樣單鰭所能提供的升力有限，對(duì)于1000t以上的船舶來(lái)說(shuō)，船對(duì)抗風(fēng)浪橫搖力矩的扶正力矩往往大于單對(duì)鰭所能產(chǎn)生的最大力矩。因此，為了滿(mǎn)足這類(lèi)船舶的減搖要求，我們往往在船上裝兩對(duì)不可收放式減搖鰭。雙鰭減搖中存在的問(wèn)題對(duì)于安裝了兩對(duì)鰭的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，后鰭受到前鰭嚴(yán)重的水動(dòng)力干擾，船體邊界層以及船的運(yùn)動(dòng)對(duì)后鰭等的影響，使后鰭的升力下降。為了提高兩對(duì)鰭系統(tǒng)的減搖效果，采用了增加前后鰭間距的方法來(lái)減小前鰭與后鰭間的相互干擾；采用增加鰭的展向尺寸(鰭面積)的方法來(lái)減小船體邊界層影響，但由于鰭的安裝位置盡量 *近船體縱向的中間部位，故前后鰭間距受到限制。另外，不可收放式鰭的展長(zhǎng)必須限制在船體框線(xiàn)之內(nèi)，故鰭的展向尺寸亦受到限制，所以通過(guò)增大鰭面積和增加前后鰭間距來(lái)提高減搖鰭的減搖效果有一定局限性。3、中國(guó)減搖鰭發(fā)展現(xiàn)狀中船重工704所“減搖鰭”研制技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平“減搖鰭”是一對(duì)幫助船舶在狂風(fēng)巨浪中保持平衡的人造“魚(yú)翅”。最近，我國(guó)最大和最小的兩種減搖鰭裝置，在中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七四研究所接連誕生，不僅研制技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，而且至今為止訂單金額已超過(guò)2000萬(wàn)元。 這對(duì)新生“兄弟”恰好為七四所今年的50歲生日獻(xiàn)上了一份厚禮，積累多年的核心技術(shù)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 七四所造“魚(yú)翅”堪稱(chēng)歷史悠久。自上世紀(jì)六十年代初開(kāi)始從事減搖鰭研究，其技術(shù)力量在國(guó)內(nèi)的翹楚地位已毋庸置疑。自1978年起，減搖鰭共為七四所捧回了包括全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)在內(nèi)的八項(xiàng)大獎(jiǎng)。2005年評(píng)選出的我國(guó)十大名船中，共有四艘裝備了減搖鰭，這些減搖鰭無(wú)一例外均由七四所研制。 就在年近半百之際，七四所吹響了進(jìn)軍市場(chǎng)的號(hào)角。減搖鰭擔(dān)起了輔佐七四所游向市場(chǎng)海洋的重任。 以前在國(guó)內(nèi)，裝減搖鰭似乎是軍船的專(zhuān)利，但隨著人們對(duì)船舶安全性、舒適性要求的提高，民用船舶的減搖鰭市場(chǎng)顯出了光明的前景。于是，1999年七四所將減搖裝置科獨(dú)立出來(lái)，成立減搖裝置工程部，負(fù)責(zé)民船減搖鰭裝置的開(kāi)發(fā)。 創(chuàng)新體制，使減搖鰭在市場(chǎng)大海中靈活游弋。原先的課題組長(zhǎng)制不能適應(yīng)市場(chǎng)運(yùn)作的需要，工程部將其改為設(shè)計(jì)研發(fā)、銷(xiāo)售、售后服務(wù)等部門(mén)，實(shí)行公司化運(yùn)作。由于民船減搖鰭多為度身定制，為保證裝置大型關(guān)鍵部件的生產(chǎn)質(zhì)量，前年年底七四所在松江專(zhuān)門(mén)成立了“減搖裝置制造部”。 如今，民品減搖鰭已形成兩大系列、50多個(gè)品種，不僅誕生了國(guó)內(nèi)最大、最小的減搖鰭，還研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)比例控制減搖鰭等一系列創(chuàng)新產(chǎn)品，去年產(chǎn)值超過(guò)3000萬(wàn)元。減搖裝置工程部主任韋彬心里的算盤(pán)卻早已打到了2010年，他預(yù)計(jì)，屆時(shí)這“魚(yú)翅”的產(chǎn)值將達(dá)上億元。 緊隨減搖鰭的成功“下?！?，七四所更多的核心技術(shù)項(xiàng)目也在躍躍欲試：環(huán)保技術(shù)船用序批式膜法黑灰水處理裝置、各類(lèi)紡織機(jī)械、伺服閥系列產(chǎn)品等，均開(kāi)始醞釀“下?！贝笥?jì)。 其實(shí)，近年七四所的產(chǎn)業(yè)化不乏大手筆的成功之作。常年游弋三峽的世界最大清漂裝置，托舉船只“龍門(mén)一躍”的三峽永久船閘液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)七四所自主創(chuàng)新的產(chǎn)品在近千項(xiàng)船舶和非船產(chǎn)品中占2/3以上，具有國(guó)際先進(jìn)水平的約占一半，獲得國(guó)家專(zhuān)利53項(xiàng)，國(guó)家、部委級(jí)獎(jiǎng)515項(xiàng)。他們的目標(biāo)是，“十一五”期間，培育兩個(gè)年產(chǎn)值過(guò)億的系統(tǒng)成套產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，四個(gè)年產(chǎn)值超5000萬(wàn)元的產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，力爭(zhēng)年度總收入達(dá)到6億元、利稅達(dá)到4000萬(wàn)元。4、智能減搖”系統(tǒng)在上海研制成功船舶減搖領(lǐng)域，減搖鰭和減搖水艙是目前最常用、裝船最多的兩種減搖裝置。減搖鰭的減搖效果與航速密切相關(guān)，在航速較高時(shí)減搖效果顯著，但在低航速和零航速時(shí)卻不能有效減搖；減搖水艙在各種航速下均能有效減搖，但在較高航速下減搖效果要低于減搖鰭。為了滿(mǎn)足船舶在全航速下的減搖要求，很多船舶都同時(shí)安裝了減搖鰭和減搖水艙，但是在海上船舶運(yùn)行中，駕駛員要根據(jù)海況人工操作這兩種裝置的切換，使用比較麻煩且低效。此次研發(fā)成功的聯(lián)合控制器集成了兩種裝置駕駛室操作面板的功能，設(shè)計(jì)了全新的人機(jī)交互界面，不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示減搖鰭、減搖水艙的工作狀態(tài)、報(bào)警信息、鰭角及水位等信息，駕駛員還可以方便的進(jìn)行模式選擇、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備啟停等操作，提高了整個(gè)控制器的運(yùn)算性能和智能水平。在功能設(shè)計(jì)方面，聯(lián)合控制器充分考慮了減搖鰭、減搖水艙使用過(guò)程中的協(xié)調(diào)性與獨(dú)立性，設(shè)計(jì)了“聯(lián)合”、“獨(dú)立”兩種工作模式?！奥?lián)合”模式可同時(shí)對(duì)兩種裝置進(jìn)行啟停操作；“獨(dú)立”模