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艏喷管在全垫升气垫船上的设计与应用
艏喷管在全垫升气垫船上的设计与应用
第24卷第5期(总第143期)船舶Vol.24No.5
2013年10月SHIP&BOATOctober,2013
[船舶动力装置]
艏喷管在全垫升气垫船上的设计与应用
张宗科滕森
中国船舶及海洋工程设计研究院上海
(200011)
[摘要]全垫升气垫船垫态航行时,船体下部围裙形成的高压气垫将船几乎托离于运行表面,依靠空气螺旋桨向前推进。
此
时,阻尼小且低速时舵效差,抗侧风能力差且低速操纵性不佳。
这是全垫升气垫船的不足之处,尤其在狭窄多湾河道和多风环
境下使用时,该缺点尤为明显。
为此,文中从气动力设计、装置实现及操控性等方面,系统研究了独立风机供气的艏喷管在气垫
船上的设计与应用,后期的样艇航行试验也证实了装备的艏喷管已达到设计目标。
[关键词]全垫升气垫船;艏喷管;气动力设计
中图分类号文献标志码文章编号
[]U664.1[]A[]1001-9855(2013)05-0046-04
Designandapplicationofbowjetpipeonair-cushionvehicle
ZHANGZong-keTENGSen
(MarineDensig&ResearchIeutnitstofChina,Shanhaig200011,China)
:
AbtractsWhenanair-cushionvehicelissailingthehhig-pressureair-cushionproducedbyhetboottmskirt
almostsiftlhetcraftoutofhetoperationsurface,andpropesllforwardbyairpropeellr.Andhetnhetsmalldamp
olwrudderefficiencyataolwspeedweakanit-windcapabilyitandpoormaneuverabilyitataolwspeedarehet
,
disadvanagtesofair-cushionvehicelespecialylinhetnarrowwanderingriverandwindyenvironmen.tTherefore
thispaperresearcheshetdensigandapplicationofbowjetpipe,wheresitairisiesuppldbyindependentfan,on
,
air-cushionvehicelinaspecstofaerodynamicdensigequipmentrealizationandmanatipulionabilyitect.The
sailingetstofprootypetcraftalsoproveshatthetequippedbowjetpipesmeethetdensigrequiremen.t
sordKeyw:
air-cushionvehicel;bowjetpipe;aerodynamicdensig
操纵性不佳。
当垫态航行时,全垫升气垫船悬浮在
运行表面上摩擦系数较小并且由于空气螺旋桨一
引言,,
0
般位于艇尾若以舵来抵抗侧风则艇易侧滑甩尾
,,
全垫升气垫船不同于常规排水型船,垫态航行故抗侧风能力差。
时依靠围裙垫升系统悬浮在运行表面上因此其推
,为解决此问题,英美与俄罗斯采用截然不同
进方式一般采用位于艇体浮箱上方的空气螺旋桨的技术措施俄罗斯气垫船采用侧风门设计日本
。
。
(
为减小桨的直径及降低运转噪声,大多使用导管桨采用艏部风门英国的美国
MVPP-10);AP.1-88、
来提供推力。
一般在导管后缘设置空气舵作为主要的JEFFB、LCAC及其衍生的T-2000、LSF-Ⅱ(快速
操纵手段空气舵舵叶在螺旋桨的尾流中依靠舵叶登陆艇型气垫登陆艇以及未来的升级
,Ⅱ)、LCAC()
[1-4]
偏转提供操纵力但是当低速航行时因螺旋桨推换代者舰岸连接器均采用艏喷管设计见
。
,SSC(),
力小、尾流速度低,从而导致空气舵效能较差,低速下页图。
1
[收稿日期]2012-08-02;[修回日期]2012-10-05
作者简介张宗科男工程师研究方向气垫船设计研究
[](1973-),,,:
。
滕森(1980-),男,工程师,研究方向:
气垫船设计研究。
46张宗科等艏喷管在全垫升气垫船上的设计与应用
:
图1美国气垫登陆艇采用的艏喷管(依次为JEFFB、LCAC、T-2000、LSF-II、SSC)
艏喷管气动力设计
1
气垫船操纵及运行比较复杂,自由度耦合与非
线性强、稳定性差,若在风浪作用下操控不当,容易
辅推制动右旋左旋横倾
发生航行安全事故气垫船在机动过程中为了保证
。
图2艏喷管的功能
航向稳定性、横倾稳定性与安全性,必须对航速进行
艏喷管
T
控制,以免回转时因速降过大而掉入航向稳定性与
舵
横倾稳性都较差的低速范围为了使气垫船不甩尾
。
F舵
必须对回转时的漂角与回转角速度进行限制为便
。
F风
L舵X
t
于气垫船在高航速能以高回转率稳定回转,必须要
求在稳定的漂角范围内提供更大的向心侧向力,而
图3气垫船在侧风中的受力示意图
这仅依靠艉舵是无法做到的这是由于艉舵力产生
。
的外倾力矩会使气垫产生的动量力减小向心侧向
式中:
为空气型阻力系数;为空气密度;为
CρV风
ma
力;而艏喷管则相反,它可提供更大的向心侧向力。
风速;S为船侧投影面积。
侧
气垫船舷侧安装侧风门方式主要用于改善低
因风压中心垂向位置在船质心附近暂不计横
速航行时的操纵性由于其为气垫被动供气在高
。
倾力矩当两个艏喷管转向与艇体中心线成角
。
90°
速航行时为防止围裙缩进而使用侧风门,因此侧风
时,其侧推力最大,两个喷管的合力作用点距船质心
门对高速抗侧风能力作用不大。
如俄罗斯的“欧洲
X,对艇产生的回转力矩由舵力(打反舵)平衡,舵将
t
野牛号气垫船明确规定侧风门仅在低速航行
”:
“
提供与横风反向的横向力若忽略
F2T×X/L。
舵t舵
情形下使用高速航行时自锁严禁使用日本的
,”;
船在以上两力作用下产生横倾所引起的气垫横向
()
气垫船的艏侧风门是为了改善、低速航行
MVPP-10
推力,则上述两力之和()应能平衡横风的侧
2T+F舵
时的操纵性,高速航行时禁用。
美国LCAC装备的艏
向力
。
由此便可得到单个艏喷管所需产生的推力T。
喷管通过双头蜗壳与气垫分享风机供气且能自由切
换,既可改善低速进出母舰坞舱时以及登陆冲滩后
d
准
的操纵性,又可提高在高速段(越出阻力峰之后)的
R
L
3
准d2
抗侧漂与转弯等能力由于艏喷管位于艇的艏部
。
回转时力臂大且与位于艉部的空气舵配合形成平衡
力偶,两者合成更大且与侧风方向相反的横向力,以
L
抵抗侧漂,效果较好。
因此,独立供气的艏喷管既能
改善低速时的操纵性又能解决高速段越出阻力峰
(
矩形开口a×b
之后侧风作用下的抗侧漂能力艏喷管在气垫船
)。
D
准
操作操作中的功能参见图。
2
以抗侧风对艏喷管推力需求为基本考虑(如图
所示横风作用于气垫船的侧向力估算为
3)。
:
2
ρV
a风
FCS
(1)
风侧
m
2图独立风机供气的艏喷管示意图
4
47
3
1第24卷第5期(总第143期)船舶Vol.24No.5
2013年10月SHIP&BOATOctober,2013
艏喷管的风道阻力由沿程的摩擦阻力和局部阻
2艏喷管装置设计
[5-7]
力组成由于喷管的金属内壁比较光滑摩擦阻力
,
仅占总阻力的很小部分。
阻力损失以阻力损失系数
艏喷管装置适用于铝合金垫升气垫船一般设
和出口动压头乘积的形式表示粗略计算摩擦阻力
。
置在船首两侧甲板上在船首甲板的上层建筑两舷
。
损失系数,从工程设计的角度可忽略不计。
喷
λ≈0.03
侧处左右各设置一组可控制喷口转向的艏喷管装
管的局部阻力由渐缩管阻力损失系数弯折管阻
ξ、
1
置,喷口可进行360°全回转,参考国外该装置的结
力损失系数、导流管阻力损失系数三部分组成。
ξξ
23
构形式并结合我国实际加工能力,研究一组结构形
以上阻力系数与该段喷管出口动压头的乘积,
式简单制造方便采用玻璃钢转动与固定筒体及不
、、
即为该段管的局部阻力动压头损失按流量连续条
。
锈钢套筒结合部混合结构形式,其转动部分(喷口)
件,上述三段管在喷口无收缩时动压相同,则总阻力
与固定部分接口采用滚动轴承。
旋转时装置的转动
损失略去沿程摩擦阻力系数为资料表
()ξξ+ξ+ξ。
123
力矩仅需对配置的转向驱动装置采用
20.2N?
m,(
明,上述局部阻力系数选取数值稍偏大,因此略去沿
齿圈齿轮传动机构的规格和转矩要求可降低且整
),
程摩擦阻力损失可满足工程计算的要求
。
个装置耐腐蚀性能较好。
艏喷管的入口处总压为P,沿程阻力损失的动
f
该装置的上述布置形式使艏喷管装置的运动状
压为出口处动压为如以表示艏喷管的
ξq,q。
η
态不能很好地处于驾驶员的视线范围内因而通过
效率(即出口动压和进口总压之比),便可以得到:
调研分析选用比较先进的步进电机作为艏喷管的
ηq/P1/(1+ξ)。
f
转向驱动电机。
该电机具有自动控制功能,可按操
衡量气垫船推进装置的主要性能参数为:
比推
作要求设定各种状态的信号反馈控制系统,并在驾
力推力功率艏喷管喷口水平动量推力与风机输
(/)。
控台上通过手柄或旋钮和具有刻度的显示屏上显
入功率之比的单位为。
由于目前工程设计中()
N/kW
仍习惯用则比推力可表示为示和操作驱动装置由个步进电机主动齿轮轮
kgf/hp,:
。
1、、
1
过渡齿轮、2个不同节径的过桥齿轮及1套自动控
2
T104ρη
f
()
2
11
N
制器和外壳组成。
自动控制器的一部分安装在驱动
f
22
()
1+ξP
f
装置内另一部分安装在旋转喷管固定筒体上通过
,
或表示为无量纲形式
电讯号直接输入到驾控台上的显示屏该装置驱动
。
T104η
f
(3)
11
N
f22
艏喷管并结合其他装置(如方向舵等)联合使用,可
(1+ξ)uP
f
比推力是有量纲的与风机工作点的效率压力以提高船的航向稳定性和抗侧漂性能或控制船首运
、
系数和切线速度以及艏喷管的阻力损失系数有关。
动状态随时可改变船的回转状态和航行状态
。
独立供气风机的选型应注意使风机工作点落
设计要求艏喷管装置体积小质量轻且防腐蚀
、
在风机特性曲线上的稳定工作区域。
考虑风机无因
性能好。
经过多种形式的比较,最终选用玻璃钢和
次流量压头曲线上选取的工作点以及制造工艺与驱
不锈钢混合结构该结构合理且便于加工成形为
。
动齿轮的选型等因素,经综合权衡,可确定艏喷管喷
了提高喷管出口气动力效果艏喷管上的出口设计
口直径见图
d(5)。
2
成78°角稍向上的形状。
本装置由艏喷管、上下转动
ηf
1.8
4500
座、固定喷管和驱动装置等组成,结构形式见图。
6
P(Pa)220
n
()
PnPa250
4000P(Pa)2801.6
n
P(Pa)300
n
P(Pa)
f
35001.4
η
f
DesoigintnP
30001.2
Pa
25001.0
步进电机总成
n
P
′′
f20000.8
P
15000.6
步进电机机支架
10000.4
5000.2
甲板
00.0
风机出口
2.02.53.03.54.0
甲板矩形
3及折边
Q/(m/s)开口
f
图风机设计工作点的选取图样艇的艏喷管设计图
56
48
/
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