新型高速海事巡邏艇的設(shè)計(jì)開發(fā)

陳海軍

(無錫市地方海事局，江蘇無錫214043)

0 引言

在國內(nèi)港口迅猛發(fā)展的同時(shí)，海上交通事故頻頻發(fā)生，對(duì)海上搜巡救助能力提出了更高要求，而國內(nèi)很多港口現(xiàn)有搜巡救助力量僅能維持初級(jí)水平。在良好天氣、適宜的海上溫度情況下，依靠現(xiàn)有的有生搜救資源，對(duì)于搜救半徑小于50 n mile的近距離海域，海上人命搜救供給是十分有效的。但遇到遠(yuǎn)距離、惡劣天氣的海況下，搜救資源已明顯不足。因此，有必要建造一批反應(yīng)靈活、操縱方便、性能較好的抗風(fēng)能力強(qiáng)的小型巡邏船，配置于事故多發(fā)水域。新型巡邏艇能在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，從而減少事故損失;確保巡航水域水上交通安全，營造良好通航環(huán)境;以最短時(shí)間實(shí)現(xiàn)在海面監(jiān)管并向遇險(xiǎn)人員、遇險(xiǎn)船舶和財(cái)物實(shí)施救助的需要，能夠大大提高工作效率和搜救成功率。

1 設(shè)計(jì)開發(fā)概況

1．1 主要用途

本船主要用于海事巡邏及綜合執(zhí)法。

1．2 船型選擇

目前小型高速海事巡邏艇多為單體船型，其抗風(fēng)浪能力差、波浪中失速高、有效利用面積低，已不太滿足綜合執(zhí)法需求。

槽道滑行艇是20世紀(jì)70年代由英國cougar公司研制出的一型高性能船，它將底部滑行面分成左右片體，中間為凹型槽道。采用槽道滑行艇可以解決單體船抗風(fēng)浪能力差、失速高、有效利用面積低的缺點(diǎn)。

槽道式滑行艇兩側(cè)細(xì)長片體滑行時(shí)不易引起不穩(wěn)定的海豚運(yùn)動(dòng)，具有良好的橫穩(wěn)性。同時(shí)寬大的艇體加大了兩推進(jìn)器的間距，因此具有良好的操縱性。

槽道式滑行艇最大的優(yōu)點(diǎn)是良好的耐波性。單體常規(guī)滑行艇波浪中沖擊大，人員和裝備難以承受。槽道式滑行艇由于滑行面細(xì)長，鍥型片體及槽道緩沖作用，其波浪中的縱向運(yùn)動(dòng)和沖擊力明顯降低，失速也小于常規(guī)艇，因此其耐波性有較大改善。

本項(xiàng)目針對(duì)用戶的特殊需求，采用了槽道艇型，以滿足耐波和有效面積的需求，同時(shí)兼顧快速性。該艇型具有以下特點(diǎn):

(1)穩(wěn)性好、抗風(fēng)能力強(qiáng)，橫搖角顯著小于單體滑行艇，約為單體船的35%。同時(shí)橫搖周期較單體船長，也即橫搖加速度較單體船小。

(2)航向穩(wěn)定性好，駕駛員不用頻繁操舵。

(3)能高速回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)時(shí)橫傾角和回轉(zhuǎn)半徑小，且在波浪中不易翻傾。

(4)波浪中艇體加速度小，乘員不易暈船，同時(shí)甲板很少上浪。

(5)波浪中失速小，相同靜水航速，雙體船實(shí)際航速高。

(6)甲板面積大，較易滿足多種用途需求。

(7)超載能力強(qiáng)，航速下降較單體船小。

以上特點(diǎn)均在模型試驗(yàn)及母船上得到驗(yàn)證。母船在3級(jí)海況下失速僅15%，無一人暈船、無甲板淹濕情況，全速回航時(shí)最大動(dòng)橫傾角為7°，回轉(zhuǎn)直徑為船長的3倍。

雙體滑行艇與單體船相比存在結(jié)構(gòu)重量和排水量稍大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度較大，靜水中阻力性能稍差、但好于深V型艇等不足之處。

在型線設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)用戶的任務(wù)書，對(duì)母型進(jìn)行了局部調(diào)整，一是加大長寬比，二是增加船首斜升角。模型線形圖如圖1所示。

1．3 試驗(yàn)情況

本船模在702所01水池進(jìn)行了阻力試驗(yàn)，共9個(gè)狀態(tài)。

設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)1～狀態(tài)3試驗(yàn)情況見表1，其中V為速度，m/s;R為阻力，kg(模型試驗(yàn)中默認(rèn)單位)。

表1 設(shè)計(jì)狀態(tài)1～狀態(tài)3試驗(yàn)情況

加大長寬比后，從低速到高速整個(gè)航行段不同重心位置時(shí)縱傾均較小，約為母船的1/2。高速時(shí)維持在2．5°左右，且航行穩(wěn)定，無海豚運(yùn)動(dòng);同時(shí)低速段阻力下降明顯。

為了得到高速時(shí)的阻力特性，本船在船底加裝ARA-D翼型水翼進(jìn)行了阻力試驗(yàn)，并就負(fù)荷比、重心相對(duì)位置、折角線長寬比均相等的情況對(duì)62系列進(jìn)行了比較。低速段時(shí)，62系列最大約低24%;高速段時(shí)，復(fù)合型阻力約低11%。此外加水翼后，高速段槽道船自身阻力平均降低約25%。阻力比較圖見圖2。圖中，Δ為排水量，F(xiàn)▽為體積傅汝德數(shù)。

圖2 阻力比較

1．4 推進(jìn)器選型

目前高速船常用的推進(jìn)裝置有斜軸系、噴水推進(jìn)、半浸槳、舷內(nèi)外機(jī)、掛機(jī)和推進(jìn)器等。其中舷內(nèi)外機(jī)、掛機(jī)和推進(jìn)器由于其功率較小，無法滿足本船要求。

斜軸系主要由主機(jī)、高彈、齒輪箱、軸系及螺旋槳組成，中低速船使用較普遍，技術(shù)成熟，其成本較低，但振動(dòng)、噪音及吃水較大。此外附件阻力大，安裝工藝要求嚴(yán)格。

半浸槳效率高，一般多用于高速滑行艇，航速35 kn以上才推薦使用。此外由于其懸掛在尾封板上，不利于救助落水人員。

噴水推進(jìn)裝置主要用于高速船，其重量輕、效率比半浸槳稍差，但振動(dòng)、噪音小，尤其操縱靈活，雙機(jī)使用在較高速情況下基本可以實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)。

考慮到本船具有執(zhí)法及救助功能，要頻繁靠離大小船只，必要時(shí)還得救助落水人員，因此特別要求其操縱靈活，同時(shí)在救助時(shí)不能對(duì)落水人員造成二次傷害。

綜合考慮，最終確定選用Hamilton HJ364噴射推進(jìn)裝置，最大功率為670 kW，最大轉(zhuǎn)速為2 300～2 500 r/min，配電子控制系統(tǒng)，通過操縱手柄系統(tǒng)操縱，具有自動(dòng)控制功能，可實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)。

此外考慮使用安全性及維護(hù)方便性，在主機(jī)和噴水推進(jìn)器之間加配離合器。

1．5

設(shè)計(jì)主要量度

總長 19．80 m

型寬 5．800 m

型深 1．800 m

設(shè)計(jì)吃水 0．830 m

載員 12人

船員 6人

航區(qū) 沿海

航速 ～25 kn

新型高速海事巡邏艇總布置圖如圖3所示。

圖3 新型高速海事巡邏艇總布置圖

2 審圖及檢驗(yàn)難點(diǎn)

2．1 連接橋強(qiáng)度校核

由于本船船型特殊，采用的是槽道雙體船型，與常規(guī)雙體船型相比，有明顯不同。槽道雙體船型相比常規(guī)雙體船有以下不同點(diǎn):

(1)片體較寬，海船占船寬的約40%，內(nèi)河型的片體更寬，而常規(guī)雙體船約為船寬的30%。

(2)尾部內(nèi)側(cè)壁距主甲板距離較大，尤其是內(nèi)河船型，其距離大于50%型深。

槽道船型型線圖、常規(guī)雙體船型線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 槽道船型(海船)型線圖

圖5 常規(guī)雙體船型線圖

目前該類船舶海船類接觸較少，故對(duì)其連接橋強(qiáng)度校核，就現(xiàn)有規(guī)范而言涉及不多，因此給審圖工作提出了較高要求。大型常規(guī)雙體船主要通過上層建筑首尾抗扭箱結(jié)構(gòu)來承受橫向彎矩和扭矩，小型雙體船則通過甲板來承載。最后經(jīng)與設(shè)計(jì)部門商討，其載荷按《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》(2005)計(jì)算，連接橋強(qiáng)度直接按照史葛特法校核，同時(shí)按照DNV規(guī)范復(fù)核。另外要求設(shè)計(jì)方對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，使本船在首尾端槽道頂板與主甲板或內(nèi)底板形成封閉箱型結(jié)構(gòu)。

2．2 甲板室橫梁強(qiáng)度校核

由于該船型寬達(dá)5．8 m，內(nèi)部艙室不設(shè)計(jì)支柱，故相對(duì)于該船主尺度而言，駕駛甲板梁跨度較大。經(jīng)復(fù)核其跨度達(dá)到5．2 m寬，就玻璃鋼結(jié)構(gòu)而言，要求其甲板梁尺寸較大，影響內(nèi)部空間。在審圖階段，根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的有限元板架計(jì)算，復(fù)核其變形量及應(yīng)力情況，其載荷按規(guī)范計(jì)算。同時(shí)在施工過程中要求對(duì)試樣力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)試，以復(fù)核其強(qiáng)度。

2．3 尾部噴泵底座及主機(jī)基座加強(qiáng)問題

由于該型船推進(jìn)系統(tǒng)采用噴水推進(jìn)，在尾部船底板及尾封板上開設(shè)大開口，在國內(nèi)采用噴水推進(jìn)該尺度的玻璃鋼船型較少，規(guī)范未明確該設(shè)備安裝如何加強(qiáng)，因此在審圖過程中，經(jīng)過和設(shè)計(jì)方溝通及供應(yīng)商溝通交流，明確在尾部開孔處船板內(nèi)部預(yù)埋8 mm鋁合金板加強(qiáng)，同時(shí)便于施工連接。此外要求甲板、舷側(cè)縱骨和尾部扶強(qiáng)材及底板縱骨形成有效框架。

主機(jī)基座同意按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)有關(guān)要求設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

該型船圖紙2009年由我局審查完畢，現(xiàn)已生產(chǎn)2艘實(shí)船，其中首制艇上海海事局世博號(hào)在世博期間發(fā)揮了重要作用。后續(xù)艇寧波海事海巡1116號(hào)已于2012年1月底順利交付，并受到一致好評(píng)。

［1］ 李百齊．二十一世紀(jì)海洋高性能船［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2001．