高性能船-小水線面雙體船

高性能船舶水動力學綜述SWATH的快速性SWATH船型與性能的關系SWATH的船型優(yōu)化與改進隱身船型第四章小水線面雙體船2一、綜述3需求中小排水量下大幅提高耐波性4小水線面雙體船Small

Water-Plane-Area

Twin

Hull51880年蘭德堡(C.G.Lundburg)以其首次提出單體半潛船概念獲專利1938年柯立德(FrederickG.Creed)加拿大人向英國海軍部提出小水線面雙體航空母艦的設想，幾年后，被允許轉交給美國海軍，但他們都未注意這一新概念。1946年柯立德，獲得英國專利1959年波瑞克(H.Boericke)建議的流線型鯊魚狀單體船，啟動了美國海軍改進高速半潛船的活動1965年麥克考勤(AlanMcclure)于休斯敦提出海中深鉆平臺設想建議“莫霍”(MOHOLE)，做為可移式鉆井平臺，其構成與布雷爾(Blair)的方案相似。1967年里奧波德博士(Dr.ReuvenLeopold)在利登公司向美國海軍提出改進高速三體船(TRISEC)概念，建造了12噸的半潛雙體載人自航試驗艇，長7.6米，采用8.84千瓦掛機為動力，航速8節(jié)。他為此于1969年6月獲得專利。小水線面雙體船發(fā)展簡史61968年麻雀理工學院學生提出將“莫霍”平臺發(fā)展為流線型的改進型設計方案，并開展了模型試驗，被稱為半潛雙體船(SSC)。1969年美圣迪哥海軍水下中心(NUC)的朗博士(DrTomLang）對一種高速半潛雙體船概念在阻力、穩(wěn)性及動力響應方面開始集中研究開發(fā)，并于1971年獲得美國專利。此概念的關鍵技術是在船的重心以后的雙體內側，設置了可調正的水平鰭，使船的縱傾與高速時縱搖運動得以穩(wěn)定。1969年做了近500次水池船模試驗，而1970年又做了敝水船模試驗。1970年日本三井工程與造船公司，開始半潛雙體船的基礎研究。1971年蘭包耶爾船廠試制的“杜普魯斯”號(Duplus)世界首創(chuàng)低速小水線面雙體船下水，1971年建成。該船長40米，排水量1200噸。其設計師也是荷蘭造船工程師斯坦格爾(J.J.Stenger），他以自航油井探測供應船為母型，又參照潛艇在潛望鏡深度時波浪干擾影響較小的經驗，完成了新設計。該船用于大陸架海區(qū)鉆探和潛水工作。在兩個下潛體之間設有連接翼板，在翼上設有4個直翼推進器以供定位操控。小水線面雙體船發(fā)展簡史71972年美海軍水下中心的工程師們在經過18個月的研究和約30個月的設計和船模驗證試驗，1972年6月開工建造190噸級“卡瑪利諾”號小水線面雙體靶場保障船，終于在1973年3月下水，10月開始試航，隨后經過20個月238個航次的全面科研考核性試驗，既證實了優(yōu)秀的耐波性，又積累了大量實測數據，為今后小水線面雙體船發(fā)展打下技術基礎，并成為世界上首艘實用小水線面海洋工作船，至今仍在出色的營運。1973年SWATH做為小水線面雙體船的縮略語，被美海軍權威技術人士肯定，并認為這一稱謂比“半潛雙體船”(SSC），更利于推廣應用，也從概念上有別于常規(guī)雙體船。1979年三井工程與造船公司在1976年建成18噸、載20客試驗艇“海上能手”號后，1979年建成世界上第一艘商用MESA80型陸島間小水線面雙體客渡船“海鷗”號，載客446位，航速26.5節(jié)。采用左右單支柱，共有4個水平穩(wěn)定鰭。營運海況達到有義波高3.5米，4級海況時失速僅2%。10年后1989年交付的“海鷗-2號”航速提高到30節(jié)以上，仍作陸島間客渡用。小水線面雙體船發(fā)展簡史81980年70年代末日本運輸省考慮新建一艘高性能海上測量船，要求高耐波性、高適居性、高操縱性、寬敞的甲板面積及艙容等。三井工程與造船公司，推薦小水線面雙體船型獲準，并以鋼鋁混合結構方案中選，1980年12月建成“輕騎”號小水線面雙體水文觀測船。1981年三菱造船公司也建造l艘基本同型的“大鳥”號水文觀測船，分別服務于日本沿海。1985年日本三井建成3500噸級“海洋”號潛水作業(yè)兼海洋考察船，隸屬曰本海洋科學技術中心，成為世界上第一艘大型小水線面船。1989-1990年從1977年起美塞德博士(Dr.LudwigSeidi)開始與太平洋海事服務公司合作開發(fā)小水線面雙體船商用方案，1980-87年做研究試驗和設計，1987年籌資開工建造“納瓦臺克I”號(NAVATEK-I)觀光游覽船，1989年2月下水，1989年4月起試航。隨后經常在平均波高3.65米條件下航行和試營運。1990年獲美國海岸井備隊頒發(fā)的可跨洋運載400名旅客的證書，成為美國和世界上首艘獲準商業(yè)性海洋客運的小水線面雙體船。小水線面雙體船發(fā)展簡史91991年“勝利”級小水線面雙體水聲監(jiān)聽井戒船，從1986年起設計建造，1991年建成，由美海軍組織開發(fā)。該船長71.5米，排水量約3396噸，是共建4艘中的首制船，交付給美軍事海上運輸司令部。在1991-92年冬季北大西洋和北太平洋試航中證明在有義波高5.4米時可100%正常作業(yè)而同級單體船只能10%。6級海況時最大橫搖角(單幅)小于5.8°，最大縱搖角(單幅)小于3°。1992年芬蘭造船廠向鉆石旅游公司交付世界上第一艘“雷迪遜鉆石”號小水線面雙體豪華旅游客船，船長131米，達到18000總噸，是至今為止世界上最大的小水線面船。1993年世界上第l艘所謂隱身船“海幽靈”號，是美海軍一艘A形框架、50米長的小水線面雙體船，由洛克希德導彈與宇航公司在80年代中期開發(fā)建成。它在“大眾機械”月刊1993年7月號的封面上出現，才算部分解密，并向公眾透露。小水線面雙體船發(fā)展簡史101994年美國海軍委托海事應用物理公司開始研制單支柱單下體帶可控水翼的小水線面試驗艇"搜尋"(QUEST)號，1995年進入海上試驗，1996-1997年在大西洋做擴大鑒定試驗，該艇為鋁質，實測浮航排水量12.2噸，最大航速35節(jié)，在4級海況下有很好適航性，5級海況(浪高2.44米)時，仍能保持30節(jié)以上航速。美國海軍旨在探索小水線面船高速化的新途徑。為此，該公司已于1999年末推出800噸級45節(jié)和300噸級36節(jié)兩種軍、民用艇的設計方案。1995年日本三井公司開工建造“宇宙”(cosMos)號小水線面雙體油田交通船，載客100位，排水量近155噸，航速20節(jié)，當年10月交船。由日本汽船公司組織營運，開創(chuàng)出在太平洋為近海石油產業(yè)服務的小水線面倒班交通專用船的先例。美國隨后也為大西洋美國與巴西之間的近海石油產業(yè)開發(fā)了“靜水河”(STILLWATERRIVER)號小水線面雙體油田交通船，載客250位，排水量約200噸，用燃氣輪機為主機，航速達29節(jié)，已于1999年交付美國路易斯安那州坎可海事服務公司組織營運。以上兩艇均為鋁質，營運中證實可全海侯保證穩(wěn)定航班，保障近海油田生產。1997年丹麥與澳大利亞合作開發(fā)了MaiMols號半小水線面高速車客渡船，適應于中低海況下使用，把中型小水線面船航速提高到40節(jié)以上。小水線面雙體船發(fā)展簡史111998年美國洛克希德·馬丁公司在美海軍投資領導下，開發(fā)出“斯菜司”號（SLICE)小水線面四體多功能試驗艇，確保艇速在5級海況下，任意航向仍達到30節(jié)，比設計最高航速31節(jié)，最多降低l節(jié)，開創(chuàng)了高速高適航小水線面船的新路。1999-2000年德國A&R造船公司1993年開始研究開發(fā)小水線面雙體船并把應用目標投向港監(jiān)引水，1996年被德國交通港務部門認可，開始設計建造被稱為“2000年引水系統(tǒng)”，包括50米長的引水母船和25米長的引水交通艇，均采用小水線面雙體船型，并要求確保在北海3.5米有義波高條件下正常作業(yè)，現“多塞”號、“易北”號兩型都已成功地在營運中。小水線面雙體船發(fā)展簡史12幾種SWATH的主要尺度與性能13Silver

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SWATH14PRINSESMAXIMA渡船船型37米旅客/腳踏車小水線面雙體渡船37mPassenger/BicycleSwathFerry設計單位NGA公司NigelGeeandAssociatesLtd建造單位荷蘭達曼船廠DamenShipyards船級法國船級社BureauVeritas總長37.40米水線長33.92米型寬17.00米吃水

4.20米最高航速16.5節(jié)服務航速14.5節(jié)船體材料高密度鋼上層建筑材料鋁合金主機系統(tǒng)2xMTU12V4000M40B,2xAVRgeneratorDSG74L2-4,2x1440KW(950Vdc)輔機

2xGrevekMotorenBV3306,2x150kW推進器2xINDARACP-500-M/6EPM裝載量181名旅客、75輛自行車和20輛機動腳踏兩用車15Sea_SLICE16SWATH主要優(yōu)點在高航速時，靜水阻力性能和波浪中阻力性能好推進效率高耐波性能好，能在惡劣的海況下平穩(wěn)的航行具有寬廣的甲板面積和充裕而規(guī)整的使用空間，有利于總體布置航向穩(wěn)定性好，低速時，船的回轉性較好建造成本低，建造周期短靜穩(wěn)性好，具有較強的生存能17SWATH主要缺點濕面積大，摩擦阻力較大船體結構重量比相同排水量的單體船要大SWATH的吃水和船寬要大于相當排水量的單體船保證在較高航速時的縱向運動的穩(wěn)定性比較困難高速回轉半徑較大對小型SWAIH主機布置比較困難舾裝、輔機設備數量較多，要求高，重量大18船型的優(yōu)勢在于其優(yōu)異的耐波性、寬闊的甲板面積和充裕的使用空間；其不足之處也許是它的船體結構強度、設備復雜而重量較大，以及由此而導致的一系列問題。191、雙體問題阻力->興波干擾、阻塞效應耐波性->螺旋運動（橫搖與縱搖的耦合）2、片體的細長(或窄長)性所引起的問題容易利用線性興波理論計算粘性阻尼與興波阻尼相當3、縱向運動穩(wěn)定性問題4、橫向波浪誘導載荷問題SWATH性能特點20二、SWATH的快速性211．中、高速時阻力性能較優(yōu)22在波浪中的失速較單體小得多23SWATH片體的下部主體是比較規(guī)則的細長體，在其尾部槳盤處的伴流既均勻又比較豐滿，有助于船身效率的提高；與單體船相比，SWATH的螺旋槳直徑選取時所受的限制較少，在設計時可選用敞水效率較高的大直徑低轉速螺旋槳方案。推進效率高SWATH在快速性方面的另一個優(yōu)點是其推進效率要比單體船高出10％一45％o其原因有二：24三、SWATH的船型與性能的關系25RT=RW+RV+RAPP+RAW式中：RW—興波阻力RV—粘壓阻力

RAPP—附體阻力RAW—波浪中航行時的波浪曾阻1、SWATH的阻力性能26RW=RWB+RWS+2RWBS式中: RWB——主體自身興波阻力；

RWS——支柱自身興波阻力；

RWBS——主體與支柱之間的干擾阻力興波阻力理論公式27采用薄船理論支柱興波阻力28采用細長體理論主體興波阻力式中，Ax(x)代表下部主體部分的橫剖面面積曲線縱向坡度

hB為主體軸線的浸沉。29主體與支柱間興波干擾阻力30船型對興波阻力影響3132長徑比LB／D對興波阻力的影響33兩種SWATH興波阻力分解單支柱SWATH的興波阻力曲線單支柱SWATH的興波阻力曲線34單體與SWATH耐波性的比較橫搖角(度)橫搖角(度)垂向加速度(g)35三艘SWATH縱向運動之比較SWATH—IV與SWATH—6A相比，首斜浪時升沉峰值減少11.8％，縱搖峰值減少14.7％；正橫浪時，升沉峰值減少34.4%,縱搖峰值減少35.5%。船型LS／LBLS／tSWATH-6A