新型穿浪船艏在单体高速艇上的应用研究

刘自浩，马晓东，冷学华，刘 川

(江门市海星游艇制造有限公司，广东 江门 529847)

0 引言

穿浪船作为一种高性能船型，因其在波浪中航行时具有良好的快速性与耐波性得到重现。目前，穿浪船型被越来越广泛地应用于高速游艇、高速交通艇、高速商务艇、高速客船、军用快艇等高速船领域。穿浪船型主要包括单体穿浪船型、双体穿浪船型与多体穿浪船型。

常见的单体穿浪船型有如下几种：以美国DDG 1000与ONR-TH船型为代表的内倾式船艏单体穿浪船型；美国开发的细长型高速单体穿浪船(Very Slender Vessel，VSV)；Transonic Hull Company (THC)开发的超临界船型(Transonic Hull，TH)；Van diepen 设计的一种平面穿浪船艏以及Ulstein 开发的X-Bow船艏等。各种不同的单体穿浪船型均可不同程度地降低波浪中航行的砰击，获得波浪中优异的快速性与适航性。

在新型高速艇及穿浪船研究方面，魏成柱等通过融合穿浪船型、深V船型、滑行(半滑行)船型的船型特征，开发了新概念高速穿梭艇系列船型，取得良好的快速性、耐波性和良好的航行姿态，并兼顾船体的隐身特性。蔡新功等在深V和圆舭船型艇底艏部加装一个流线型半潜体和一对倒三角翼组成的组合附体，形成一种新型单体复合船型，模型试验和实船测试表明该新型复合船型明显减小了高海情下航行时的纵向运动。

本文以某100吨级海上高速客船为研究对象，将普通倾斜船艏船型与加装穿浪船艏船型进行静水阻力模型试验对比优选，并将新型穿浪船型应用于实船，测试加装穿浪船艏船型的快速性能。

1 型线设计

1.1 设计要求

100吨级海上高速客船为接待高端客户的豪华商务客船，要求具有良好的快速性、耐波性、稳性及舒适性能。该船主要参数如下：总长33.80 m，型宽6.00 m，型深2.55 m，吃水1.38 m，满载排水量约110 t，主机功率≤735 kW×2，设计航速≥20 kn，抗风等级8级。

1.2 船型分析

(1)整个船体比较瘦长，船长船宽较大。为了减少高速状态下的剩余阻力，其方形系数一般较小。

(2)艇体剖面形状一般取圆舭或V型剖面，或为兼顾快速性与耐波性的要求，取艏部V型，中后部逐渐过渡为U型的船体型线。

(3)艉部形状均采用方艉。

1.3 新船型应用

设计目标船型需要满足20 kn设计航速、8级风抗风和远海航行的稳性要求。在设计船体型线时，在不改变总长与船宽的情况下，同时在保证航速、稳性和抗风能力的情况下，还应选择尽量小的主机功率，以降低油耗及提高船舶营运的经济性能。

通过多种船型的对比研究发现，近几年出现了一种新型单体穿浪船型，其特点是吸收了双体穿浪船单个片体穿浪船艏的优点，在普通单体高速船艏部加装一个穿浪船艏。目前该船型已在意大利AZIMUT 35 m游艇上成熟应用。

为了研究该新型单体穿浪船型与普通倾斜船型之间的性能差异，本文对比2种船型进行研究。普通船型A采用常用的倾斜船艏、圆舭、方艉船型，穿浪船型B在船型A的基础上，保持其他特性不变，在艏部加装一个新型穿浪船艏，该穿浪船艏形状从双体穿浪船穿浪艏演变而来，是一种类似于球鼻艏，水线以下为深V型结构，整体为菱形船体首部撞角式凸出结构。

普通船型A与穿浪船型B型线对比见图1。

图1 穿浪船艏与普通船艏型线对比(数字为型线站号)

2 模型试验与预报

为研究新型穿浪船艏对阻力性能的影响并进行船型优选，对普通船型A与穿浪船型B进行静水模型阻力试验对比。试验模型均采用尺度比=11的玻璃钢模，船模试验均在不加装任何附体的情况下进行。普通船型A与穿浪船型B模型主要参数见表1，形状见图2。

表1 试验模型参数表

本次模型阻力试验航速为12～25 kn，对应船模速度为1.861～3.877 m/s。

图2 普通船型A与穿浪船型B船艏形状对比图

普通船型A与穿浪船型B模型在设计状态(满载，20 kn)时船艏波形见图3。从图中发现，穿浪船型B相对普通船型A产生的艏部飞溅浪花较小。

图3 模型艏部波形对比图

模型阻力试验结果采用二因次法进行换算，得到实船有效功率预报与剩余阻力系数对比分别见图4和图5。从图4中可以看出，穿浪船型B的实船有效功率相比普通船型A在低速阶段没有明显改善，但在高速阶段明显降低，降幅达到6%～9%。由于两船湿表面积相差不大，摩擦阻力影响较小，从图5可以看出穿浪船型B剩余阻力系数比普通船型A有明显降低，说明兴波阻力降低较大。从模型试验艏部波形图也可看出穿浪船型B艏部飞溅与兴波均比普通船型A较小。

3 实船应用与试航结果

根据模型试验结果，在光体20 kn状态下，普通船型A的预报有效功率为837 kW，穿浪船型B的预报有效功率为756 kW。实船设计采用穿浪船型B，并采用KT38-M主机2台：单台主机额定功率为671 kW，额定转速为1 800 r/min。

图4 实船有效功率预报对比

图5 剩余阻力系数对比

实船建造完毕后，在满载状态(110 t)下进行航速测试，得到实船航速测试曲线，见图6。

图6 实船航速测试曲线

实船航速测试结果表明：在满载状态及主机额定转速(1 800 r/min)情况下，实船顺水最大航速为22.1 kn，逆水最大航速为18.7 kn，平均最大航速达到20.4 kn，高于设计要求，取得良好的设计结果，说明该穿浪船艏船型的应用是成功的。

4 结论

(1)该穿浪船艏在总长、型宽、排水量确定的情况下，有效增加设计水线长度，并大大减小了进流角，使得其在中小浪中航行时可以顺利穿浪而过。

(2)由于中间船体斜升角较大，两者互相配合，可减小艏部砰击。

(3)在大浪中航行时，穿浪船艏增加的艏部浮力可防止船艏过于陷入波涛中，减轻埋艏、甲板上浪和钻浪前行等现象。

(4)新型穿浪船艏使得船舶在高速阶段的兴波阻力降低，取得了明显的减阻效果。经实船测试后其航速达到并高于设计要求。

(5)该船型可应用于高速客船、高速交通艇、高速执法艇、高速游艇等航速较高的过渡型快艇。