中外船舶科技2 0 0 7年第3期游艇设计(二)朱珉虎(江苏省船舶设计研究所江苏镇江2 1 2 0 0 3)2 . 2 . 2面积系数AP/▽2 / 3按C l e m e n t的试验结果, 面积系数大, 对低速阻力有利, 但在高速时阻力迅速上升, 因此当F r▽>4时, 宜 取较小的面积系数, 见图2 1图2 1面积系数与傅氏数的关系图图2 2典型β角沿艇长变化曲线2 . 2 . 3重心纵向位置L C G对一定的滑行速度而言,有一个最佳的L C G位置这个位置决定艇的航态, 因而也决定艇的阻力一般说来, 重心在舭折角线投影面积的形心后4 %L ～8 %L较合适 (舭折角线投影面积的形心一般在尾封板折角线前4 3 %L ～4 6 %L) 速度愈高, 则重心可再略后移些, 此时航行纵倾角会增加, 对阻力仍有利, 但以不产生纵向颠簸运动为限根据前苏联НИВК设计高速艇的经验重心应位于水线与舭部折角线相切的那一点或自此点向艉约5 %此点到尾板的距离内 (参阅图2 5) 重心太前会发生埋首现象, 太后会发生过大的尾倾引起阻力增加, 喷溅增多, 影响视线2 . 2 . 4斜升角β为减少波浪对艇底的砰击,滑行艇艇首横剖面呈尖劈形, 也即有较大的斜升角β。
由首向尾, 逐渐减小对于海上滑行艇, 舯部β一般为1 5 ° ～2 0 °, 尾部β为2° ～8 °内河滑行艇由于波浪不大,舯部β为9 ° ～1 2 °, 尾部β为0 ° ～2 °典型的β角沿艇长的变化曲线见图2 2对于追求速度的娱乐用艇,β角可较上述酌减以提高流体动力特性:海上小艇,舯部β以1 3 ° ～1 6 °为宜; 内河小艇, 舯部β以8 ° ～1 1 °为宜2 . 2无断级滑行艇2 . 2 . 1主尺度选择高速滑行艇的设计起点:F r▽>3 作为初始数值,无断级滑行艇的总长可按统计图2 0选取用于内河滑行艇的宽度可取:BP=0 . 6 L0 . 7用于海上滑行艇的宽度建议:BP=0 . 6 3 L0 . 6 5一般说来, 过小的L / BP会出现较大的阻力峰, 且对 于适航性不利 通常L / BP>3 . 5L / BP过大尽管对低速区 阻力有利, 但越过阻力峰以后的高速区阻力偏大图2 0无断级滑行艇的长度(接上期)高速艇设计3 4中外船舶科技2 0 0 7年第3期通常以舯部斜升角和尾板斜升角的平均值作为等价棱柱体的斜升角从阻力观点看, 棱柱形艇底的升阻比随β角的升高而降低, 因此, 在滑行艇航行海域波浪不高时, 常常选取平均β角较小的滑行棱柱面。
2 . 2 . 5横剖面形状横剖面形状应为微凹的V形或略带S形(见图2 3 ), 凹入的距离约为其弦线长度的3 %～4 %, 过分的S形不如V形略带S形好各肋骨剖面凹入最大点的位置上下应成为一条平行于纵中剖面的直线(图2 3 ), 这样可得到较好的水动力品质因为若不平行纵中剖面,就有部分平行于水线, 形成附加的涡漩阻力图2 3无断级滑行艇的横剖面形状图2 4无断级滑行艇折角线在平面图上的形状2 . 2 . 6折角线形状滑行艇的艇底与舷侧以折角线连接,以使艇底水流在舷侧处抛出, 减少湿表面积, 并使艇底成为一个滑行面 折角线的形状对艇的性能有重要影响 折角线形状在平面图上如图2 4所示 一般最大宽度在离首4 0 %L处, 在尾板处宽度BT与最大折角线宽度BP的比值约 在0 . 6 5到0 . 8 0之间 过大的BT会增加阻力 为了使艇 有较佳的起滑性能和起滑航态,折角线与水线的交点通常在离首1 / 4 ～1 / 3艇长处折角线在舯以后其侧投影应近于直线或略带微凹 (图2 5) 艏折角线与水线所成之角度应在3 . 5 ° ～6 °的范围内如此角度远大于6 °或一般地将折角线伸到艏柱的顶点, 则在波浪中会引起阻力增长, 舭部的冲击加剧和适航性下降。
图2 5无断级滑行艇折角线的侧面形状和重心位置2 . 2 . 7舭板为了改善滑行艇的喷溅性能, 增加艇底举力滑行艇舭部一般都装有防溅板条-舭板舭板的宽度通常为折角线宽BP的2 %～3 %在舯及舯后的安装角度与 水线成零度,在近艇首处与水线成8 °左右的俯角, 由舯至首逐渐过渡, 见图2 6图2 6舭板安装示意图图2 7 6 2系列滑行艇颠簸限界图2 . 2 . 8滑行艇的纵向稳定性滑行艇设计中最重要的是力求无颠簸运动 (又称海豚式运动) 下的低阻性能颠簸运动是一种纵摇和垂荡的综合运动, 在较高的速度和较大的纵倾角时发生产生这种不稳定运动的起始速度一般通过船模试验来获得图2 7是6 2系列滑行艇的颠簸限界图, 在这条曲线的下方是稳定区, 即是说, 不会发生颠簸运动; 曲线上方则是不稳定区, 设计时应予避免该图也可作为校核其它艇颠簸运动是否发生的参考曲线的拟合公式为:若已知负载系数CΔ,则对每一F r▽可确定最小的 λm i n值把这个数值与阻力计算中得出的λ值相比较 如果阻力计算得出的λ大于λm i n, 则可保证不产生颠簸 运动2 . 3断级滑行艇断级滑行艇通常指艇底中部有一个断级的滑行艇。
与无断级滑行艇相比, 差别在于它是由两个滑行面CΔ λ=1 . 8 0 F r▽2 . 5高速艇设计3 5中外船舶科技2 0 0 7年第3期支持, 每个滑行面的展弦比都较高, 同时前断级使艇底浸湿表面积减少, 因而流体动力性好, 升阻比大, 适用于更高的速度范围 (图2 8) 断级艇由于λ较小容易产生不稳定的艇底三角形运动(指前断级浸湿面积呈三角形, 而不是斜梯形) 此时还伴随有阻力的增大, 因此它的耐波性不如无断级的滑行艇图2 8断级艇的滑行面2 . 3 . 1断级由于前断级的流体动力性能较高,因此通常前断级承担6 0 %以上的载荷前断级的长度l p = 0 . 4 5 L ～0 . 5 0 L, 断级高H =0 . 0 3 Bp～0 . 0 4 Bp建议lP/ lT=0 . 9 ～ 1 . 02 . 3 . 2折角线和尾龙骨线侧面形状断级前的折角线,其与水线的交角在浸湿部分应为4 ° ～5 °(图2 9 ), 且为直线艇艉浸湿部份应为平面,而其离基线的高度h应使断级后龙骨线与基线的夹角在4 ° ～5 °之间;h≈( 1 . 6 ～2 ) H (图2 9 )2 . 3 . 3重心纵向位置L C G重心位置建议放在断级后面1 0 %～1 5 %lT处。
2 . 3 . 4横向斜升角β底横向斜升角β的范围与无断级艇相同,由艇的用途及适航性要求来决定由于断级艇适用的速度范围比无断级艇高, 且适航性 (指耐波能力) 要求比无断级艇低, 因此斜升角β往往参照无断级艇取下限值2 . 3 . 5宽度B断级宽度与尾板宽度之比:BP/ BT= 1 . 5 ～1 . 6; 由此可 使得尾部的浸湿滑行面在前部浸湿滑行面所造成的水槽内运动而不碰到前面断级所造成的波浪为了使B能保证足够的升力, 取载荷系数:CΔ=Δ 1 2ρ ν2B2=0 . 0 3 4所以如果Δ不变, 影响B的因素将是v随着设计速度增加则B下降, 反之则上升当然在许多情况下,还得考虑结构和总布置的要求图2 9断级艇的侧面形状2 . 3 . 6准断级艇在已建造的无断级滑行艇上,为了进一步提高快速性能, 可以在中部及尾部艇底加上一定斜度的楔块这不但能改变艇的航态, 而且能减少底部浸湿面积, 从而降低阻力对航行纵倾角过分小的滑行艇, 前部艇底加装楔块能显著地降低高速阻力这种加楔块的无断级艇可称为 “准断级艇” 3玻璃钢小游艇设计玻璃钢小游艇的特点如下:●艇长一般都在1 0 m以下;●傅氏数均属滑行快艇范围;●动力以舷外挂机为主,舷内装机舷外驱动方式次之;●以载客观光旅游为主, 使用经济性要求较高,造价低廉。
3 . 1主尺度选择艇长的选择主要取决于乘员舱的布置小艇用于载人, 总布置比较简洁, 乘员舱长度一般占艇长的5 5 %以上 考虑乘坐舒适及视野, 坐椅宜向前顺向排列 坐椅间距不应小于0 . 7 5 m 根据乘员定额要求, 合理布置其舱室后就不难选定合适的艇长以一艘4 . 5 m玻璃钢小游艇典型的总布置为例尾部为机器安装空间, 为了保护机器并增强造型美观, 可增设一定长度的假尾艇宽的选择主要是满足总体布置及稳性要求高速游艇的安全性十分重要, 稳性要求较高, 一般初稳性高度不宜小于0 . 5 m应根据不同航区的要求来决定艇宽型深的选取主要取决于稳性、主机的安装空间以及造型的需要国内小游艇主尺度比大致如下:长宽比:L / B ≈3, 略大于国外艇 (国外艇L / B 2 0 %, 如此值过小, 飞溅波浪可能上甲板 艇尾板后倾角α ≈1 2 °可谓标准倾角,它与舷外挂机的安装要求相适应最大折角线宽与型宽之比BP/ B ≈1 . 1 总长与折角线长度之比LO A/ LC≈1 . 0 5 重量重心与浮心之间距与艇总长之比x / LO A< 5 % 如此值过大, 初始纵倾角会大于2 °当重心在浮心后时, 艇显尾重。
艇起滑时间长, 所需动力将增大, 滑行前进时昂首过高, 艇速将受影响当重心在浮心前时, 艇将产生埋首现象, 特别是停车时沉首幅度很大, 航速也将受影响一般滑行艇在进入滑行状态前有一个沉尾→抬起的过程, 正常情况历时2 ～3 s, 然后保持一定的尾倾攻角滑行前进,比较理想的尾倾角为2 ° ～3 °,此角过大, 航速将受影响敞篷艇挡风玻璃倾角不宜大于4 5 °倾角小, 迎风阻力小 国外艇最小采用3 0 °, 国内艇一般采用3 5 °和4 0 °两种倾角图3 1船型特征参数高速艇设计3 7中外船舶科技2 0 0 7年第3期对于玻璃钢小艇, 主机均采用舷外挂机,少数采用舷内外机对于标准轴长的这两种机型, 其安装的最小空间尺寸和要求如图3 2、3 3所示 图3 3中z值为开孔中心 (轴中心) 至艇底板的距离, 根据尾封板后倾角α值选取如表2表2舷内机舷外驱动装置安装尺寸图3 2舷外挂机安装空间尺寸图3 3舷内机舷外驱动装置安装尺寸3 . 3结构玻璃钢游艇的结构由于艇在波浪中滑行前进, 艇底板受力非常大 一般受力最大区域为尾封板前1 m左右以及舯前1 m左右前者为滑行水动力作用区, 后者为波浪中拍击最严重区域。
艇的破坏也大都发生在这两个区域因此这两部分艇底板需特别加强尾封板是全艇受力最严重的板,它承受主机作用的推力和弯矩, 并需以绝对刚性保证动力的传递, 一般应采用厚防水胶合板作芯材包覆于尾封板玻璃钢中,此胶合板必须有效地与玻璃钢粘合,绝不能产生分层现象玻璃钢小艇一般有内底板 (地舱板) , 此板可以采用玻璃钢预制, 也可直接在艇内糊制其高度值应根据总布置要求决定, 艇底骨架也应与之相适应, 因此产生高实肋板的艇底骨架特点为了解决骨架高厚比过大易产生失稳的问题,实肋板也应用胶合板或木板为芯材包覆玻璃钢玻璃钢艇由于滑行时产生纵摇,对艇纵向刚性要求较高, 艇体构架宜采用纵骨架式3 . 4使用经济性衡准关于如何去衡量一艘高速游艇的使用经济性以及不同尺度不同功率主机的艇如何进行比较,目前还找不到一个完全合理的标准文献[ 3 ]建议用Δ·V / PB来衡 量根据国内小游艇的统计值 (表3) , 可以认为Δ·V / PB 值达到0 . 5以上即为良好; 超过0 . 7可认为优秀 从表3中可以看出国内艇的Δ·V / PB值均大于国外进口艇当 然对于一定排水量的艇选择功率大小合适的主机十分重要选择主机功率不同,Δ·V / PB值也将不同。
一般在 选择主机功率时应确保艇能达到滑行状态,并留有一定储备功率初估时以每吨排水量配备2 9 k W功率较为合宜不能片面地追求过高航速而随意增大主机功率, 导致使用经济性下降高速艇设计α单机z / m m双机z / m m1 0o3 5 13 3 91 1o3 5 43 4 21 2o3 5 73 4 51 3o3 6 03 4 81 4o。