一种适用于中小型远洋货轮的收放式水翼装置

一种适用于中小型远洋货轮的收放式水翼装置

陈禹汐,赵尚飞,龙红炼,李玲

重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆市  400700

摘  要：1891年，具有俄国血统的法国人德朗贝尔首先发明了水翼艇。由于水翼船一般不超过1000吨，所以也常被称为“水翼艇”。它是一种高速高性能的水上运输工具，是航空机翼理论在船舶上的推广应用。几乎在飞机发展的同时，就有人研究水翼船。其原理为：水和空气都是流体，飞机靠机翼在空气中高速前进而获得升力，使巨大的机身凌空飞翔。将类似于机翼的水翼装在船身底下，在高速航行时水翼在水中前进也获得升力，把沉重的船身托出水面，只有水翼、螺旋桨和方向舵等在水下。其中，水翼船的水翼结构可分为割划式水翼和全浸式水翼两大类型。割划式水翼的主要特点是指水翼艇采用的水翼结构是V型水翼，采用这种结构的多是一些早期的水翼艇。而全浸式水翼的主要特点是指水翼艇采用的水翼结构是T型水翼，采用这种水翼结构的大部分是些现代的水翼船，T 型结构的水翼始终是全部沉浸在水中的。

关键词：水翼装置；中小型远洋货轮；船舶结构

我国水翼船研制经过六十余年的实践，在研究、设计、制造、甚至使用方面均积累了一定的经验，现今试验研究条件已初步具备，正进入设计研究高性能指标水翼船及提供水翼船设计资料阶段。

1、水翼减阻原理

在流体中，流速越大的位置，压强越小。当船在水中高速航行时，水翼船的水翼上表面凸起，他与船体间的水流速度大，压强小。下表面的水流速度小，压强大。因此在水翼的上、下表面存在向上的压力（压强）差，上方压强小于下方压强，产生一个合压强，使其产生一个向上的合力，使得船体上升甚至脱离水面。水翼船的特点是行驶在空气跟海水的界面上，以尽量克服水的阻力。

2、水翼的设计

考虑到水翼各项性能与中小型远洋货船的适配性再根据流体经过机翼表面的速度我们选择了T型水翼作为多翼船的水翼使用，T型水翼包括立柱，水平主翼和襟翼三部分，立柱上端固定于船底，下部与水平襟翼垂直相连，襟翼有液压油缸驱动，绕固定轴旋转。水翼装在船身底下，在高速航行时水翼在水中前进也获得升力，把沉重的部分船身托出水面，减少了船体的水阻力。因此与同样吨位、同样航速的远洋货轮等比较，加装水翼装置的船舶的阻力仅2/3左右，即能用较小的功率获得更高的航速，提高了其经济性。

船体的尺寸大小以及考虑到水翼的数目可能会造成敏感度的变化，经过查阅资料以及相应实验测试后我们选择在模型上安装6个水翼。

3、船体结构设计

考虑到船的装载能力、造价与停泊时的费用等问题，我们采用了传统的单体船结构。单体船拥有较重的龙骨和重量，结构方面更加结实，所以在负载中能够有较大的优势。由于本身船就较重而且设计也是如此，所以在高负载的情况下，对于速度的影响不如双体船那么大；同时单体船的造价较便宜，更易被船东接受；同时整个船舶下方提供浮力采用流线型的船体结构，可以进一步减小水流阻力，使得船舶行驶更加方便。

4、对照实验

4.1速度对照实验

保持其他环境不发生改变，只改变水流大小研究升力变化：

（1）攻角为3°时，控制流速为10m/s。

（2）攻角为3°时，控制流速为15m/s。

4.2攻角对照实验

保持其他环境不发生改变，只改变攻角大小研究升力变化：

(1)流速为10m/s时，控制攻角为3°。

(2)流速为10m/s时，控制攻角为5°。

4.3攻角和速度对照实验

①流速为10m/s时，控制攻角为5°。

②流速为15m/s时，控制攻角为3°。

结果如下：

通过以上实验我们可以看出流速和攻角对于水翼升力均有一定影响，特别要注意的一点是同时改变流速和攻角对于升力的影响较大，在船舶航行在流速较高的水域可以适当增大其攻角有利于船舶的航行。

5、模型实验

模型实验过程如下图所示：贴平衡配重使船体平衡。观察并记录船体的吃水量位置，将船体放入水中进行实验。通过遥控器控制船体行走固定的距离，通过使用的时间计算出船体航行的速度，应当指出由于人工控制遥控器控制船体会存在一定误差，但在同等情况下进行实验对于实验结果的准确性不会产生较大偏差，同时我们采取多次实验采取平均值的方法尽可能减小了实验误差以确保实验的准确性。转向敏感性也是通过转向时间来确定，同样通过在同一地点对不同水翼的情况进行多次实验减小实验的人为误差，增加整个实验的准确性。

实验结论：通过实验我们可知多翼船可以在水面上平稳的运行，同时通过对船舶加装水翼，可以提高多翼船的航行速度，对于本模型当水翼加到6个后再加装更多的水翼对于航行速度的提升没有明显的效果，同时水翼的加装对于转向的敏感性有一定影响，特别是多翼数目较多时会造成转向敏感度较低的现象。

6、参考文献

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[2]孟毅,刘亚东,刘晨飞.水翼参数对水翼复合小水线面双体船纵向运动性能的影响[J].船舶工程,2018,40(07):5-9+38.

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