專題報告——球鼻艏 - 副本.doc

實習專題報告船舶球鼻艏和減搖鰭 一、球鼻艏1、球鼻艏介紹設計水線平面以下呈球鼻形的艏，球鼻艏又稱球型艏，簡稱球艏，是設計水線以下首前部近似呈球狀的船首部。球狀部分義稱球鼻，其型式有水滴形、撞角形、圓筒形等多種。20世紀初用于軍艦，在博汝德數(shù)0.3 左右明顯有利，但制造工藝復雜，造價較高，耐波性也差，未能推廣。60年代發(fā)現(xiàn)對低速油船、貨船有利, 后披廣泛應用。一般認為、球艏雖使船體濕面積增大，但其阻力可由船首波與球艏波間有利的干擾，或球艏附近水流情況的改善而減小。有的資料統(tǒng)計，艦船滿載時球鼻艏可降低船的主機功率10%-20%。球艏還有利于安裝首部側(cè)向推力器及聲吶。球艏按橫剖面面積曲線的形式可分附加式和隱含式。前者常見于早期的球艏與由常規(guī)船型改裝的球艏，面積曲線除艏端外不加修改?，F(xiàn)代球艏都將橫剖面面積曲線自前體肩部削瘦轉(zhuǎn)移到球艏處。球鼻艏按橫剖面的形狀，有型、 型和O型，以配合艏部橫剖面形狀。2、球鼻艏作用船在航行時候會產(chǎn)生興波阻力，船舶航行時使水面產(chǎn)生波浪，在船首和船尾附近各發(fā)生一組波系。每組波系包括橫波和散波。橫波大致垂直于航向，散波同航向斜交，船波起伏的能量由船體供給，消耗了一部分推進船舶的功率。對船來說相當于克服一定的阻力，這種阻力叫興波阻力。 減少的是興波阻力，沒有球鼻艏時會在船舷產(chǎn)生波浪形的水波。球鼻艏可以產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)180的波，與之抵消。但球鼻艏只在其設計的航速上產(chǎn)生正效應，否則阻力更大，所以只用遠洋海船。 沒有球鼻艏時會在船舷產(chǎn)生波浪形的水波。但球鼻艏只在其設計的航速上產(chǎn)生正效應，否則阻力更大，所以只有遠洋海船球鼻艏位于船頭處。 與船首形狀有關的問題就是球鼻首的應用。自20世紀20年代在商船上首次設置球鼻首以來，球鼻首已經(jīng)在現(xiàn)代商船上得到廣泛應用。模型對比試驗表明，設置球鼻首的船，比同樣的無球鼻首船，需要的推進功率小得多，阻力性能也好得多。球鼻首對船型的影響涉及到船舶設計、結(jié)構(gòu)、制造和使用等各個方面，因此選用球鼻首船型時，必須綜合考慮船舶的快速性、耐波性(尤其是首底砰擊)、操縱性、縱傾調(diào)整、結(jié)構(gòu)強度、建造成本及工藝性、航行(包括冰區(qū)航行)和錨泊布置等方面的影響。然而，改善船舶的流體動力性能仍是目前選用與確定球鼻首船型所考慮的主要因素。3、球鼻首降阻機理1) 高速船對于Fn在0.250.35之間的中高速船，安裝球鼻首可以減小興波阻力。泰勒首先提出球鼻首減小阻力的原因是一種興波干擾現(xiàn)象。以后的理論和試驗研究表明，球鼻首產(chǎn)生興波由波谷開始，而船體首波系由波峰開始。如球鼻首產(chǎn)生的球首波系的波谷，恰好與主船體波系的波峰相重合，就可取得消波的效果。從理論上說，若兩者波幅相等，相位相反，則可能完全消波。2) 低速肥大型船舶 以前一般認為球鼻首僅適用于Cb0.70的尖瘦船。近年來球鼻首的應用已推廣到低速肥大型船舶。這類船航速低(Fn0.160.20)，壓載航行時，首波系產(chǎn)生的興波阻力約占總興波阻力的2/3。而總的興波阻力僅為總阻力的5%15?？墒谴Ｔ囼灡砻鳎虮鞘状团c常規(guī)船型相比，總阻力減少達2025%，減少的阻力已超過首波系的興波阻力，因此僅應用球鼻首的消波理論無法對此作出解釋。破波阻力成分被揭示后，低速豐滿船型球鼻首降阻機理得到明確。肥大船在壓載航行時，首部水流沖擊，紊流使首波破碎消耗能量，破波阻力相當明顯。而球鼻首使船首前伸，該處橫剖面面積曲線的陡度和首部水線半進流角減小，改善了船首柱附近的水壓力分布，因而緩和了船首破波情況，從而降低了破波阻力。而在滿載情況下，普通船型由于舭部半徑很小，船底很平坦，首部舷側(cè)水流繞過舭部斜向進入船底，與船底原來向后的水流交叉相混，形成般渦。球鼻首具有整流作用，可將側(cè)流順導向后，大的首部舭半徑也改善了舭部的流動，從而使船首部不發(fā)生或少發(fā)生舭渦，粘壓阻力減小。根據(jù)資料，滿載時球鼻首可使主機功率降低1020%，壓載時可降低2025。我國在載重量24000t油船、載重量25000t及35000t散裝貨船、載重量50000t油船的船型研究中也都證明了這一點。4、球鼻首型式 幾種典型的球鼻首型式如圖所示。 撞角型球鼻首前伸較長，前端較尖，其橫剖面呈圓形或橢圓形、浸深較大，通常用于低速豐滿船型。滿載和壓載時降阻效果均較好。 水滴型球鼻首出現(xiàn)最早，其特征是體積較小且集中于中下部，此種球鼻首有利于減小設計水線的進流角，多用于中、高速船上。 SV型球鼻首于60年代提出并被廣泛使用。其特征是首柱呈S型，球首下部橫剖面呈V型。適用于首部剖面呈V型的船，在較寬廣的速度范圍內(nèi)(Fn=0.150.35)均能降低船體阻力和提高推進效率，且能顯著改善船首底部的砰擊。此外，SV型球鼻首還有較好的破冰性能。5、球鼻首標志球鼻首標志用以表明在船舶設計水線以下首部前端有球鼻型突出體，并勘劃于船首左右兩舷重載水線以上的首部處。6、可變性球鼻艏的設計與安裝方案研究 將球鼻艏設計成長度可調(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)球鼻艏的長度來控制球鼻艏在船舶航行時產(chǎn)生的水波。使得在任何航速下由球鼻艏產(chǎn)生的水波和船體艏部產(chǎn)生的水波疊加后的水波波幅最小，即使得有船體激起的水波能量最小，從而達到減少興波阻力，提高船速。 詳細介紹： 2010年美國國家地理雜志播出一期瑪麗皇后2號的紀錄片，其中講到船模做航速測試時原來設計航速只能達到26節(jié)，而船東卡納德公司要求是最大航速30節(jié)以上。設計人員為了解決這個問題，將球鼻艏長度從10英尺提高到12英尺。經(jīng)改進后郵輪的航速提高到31節(jié)。而該改進的理論基礎是球鼻艏的減阻原理。 船舶在航行時，會在船首處激起波紋，在于航線垂直和水平方向上都有不同的波紋。但波的性質(zhì)大部分為橫波。根據(jù)物理學知識只波本身具有能量，其能量和波的波幅、頻率成正比。同時又知在同一介質(zhì)中波長、頻率相同，則波的能量與波幅成正比。而這些波的能量來源于船體本身，反映在力的方面就是船收到了阻力。這就是興波阻力。為了減少這種阻力，人們就必然設法將波幅減低，從而達到減少波的能量的目的。而根據(jù)波的疊加原理，如果有一列波，此波的相位和原來波相位相差180則兩列波疊加為零，也就是波消失。當然這是理想狀態(tài)。于是人們再船首處設計出一個突出物，使其產(chǎn)生和船體產(chǎn)生的波相差180，達到減少興波阻力的目的，這就是球鼻艏減阻的理論基礎。 船舶在航行時不可能一直以某航速航行，航速的改變勢必會引起有船體本身激起的水波，而這樣肯定會導致兩列水波疊加后的水波的波幅不是最低。若將球鼻艏設計成長度可調(diào)節(jié)的，根據(jù)船舶的航速來隨時調(diào)節(jié)球鼻艏的長度。使得由球鼻艏和船體產(chǎn)生的兩列波疊加后的波的波幅最低，從而達到減少興波阻力。二、減搖鰭1、減搖鰭介紹減搖鰭是目前效果最好的減搖裝置裝于船中兩舷舭部，剖面為機翼形，又稱側(cè)舵通過操縱機構(gòu)轉(zhuǎn)動減搖鰭，使水流在上產(chǎn)生作用力，從而形成減搖力矩，減小搖擺，以便減少船體橫搖。該設備結(jié)構(gòu)復雜，造價較高，且效果取決于航速，航速越高，效果越好，故多用于高速船舶它有收放式減搖鰭和非收放式減搖鰭兩大系列。配備減搖鰭裝置的船只。能夠提高船舶的安全性，改善船舶的適航性；改善船上工作條件，提高船員工作效率；避免貨物碰撞及損傷；提高船舶在風浪中的航速，節(jié)省燃料，助長其他船舶設備的使用壽命；保證特殊作業(yè)，如：直升飛機起降，觀測儀器準確使用等。不可收放式減搖鰭由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高及成本低等優(yōu)點，被廣泛地應用于各類船舶，特別是軍用船舶。通常，對于排水量在1000t以下的船舶，一對不可收放式減搖鰭就能滿足船舶橫搖減搖要求。由于鰭安裝時其外展不能超出船截面的框線，因此鰭的面積不能無限擴張，這樣單鰭所能提供的升力有限，對于1000t以上的船舶來說，船對抗風浪橫搖力矩的扶正力矩往往大于單對鰭所能產(chǎn)生的最大力矩。因此，為了滿足這類船舶的減搖要求，我們往往在船上裝兩對不可收放式減搖鰭。雙鰭減搖中存在的問題對于安裝了兩對鰭的系統(tǒng)來說，后鰭受到前鰭嚴重的水動力干擾，船體邊界層以及船的運動對后鰭等的影響，使后鰭的升力下降。為了提高兩對鰭系統(tǒng)的減搖效果，采用了增加前后鰭間距的方法來減小前鰭與后鰭間的相互干擾；采用增加鰭的展向尺寸(鰭面積)的方法來減小船體邊界層影響，但由于鰭的安裝位置盡量 *近船體縱向的中間部位，故前后鰭間距受到限制。另外，不可收放式鰭的展長必須限制在船體框線之內(nèi)，故鰭的展向尺寸亦受到限制，所以通過增大鰭面積和增加前后鰭間距來提高減搖鰭的減搖效果有一定局限性。3、中國減搖鰭發(fā)展現(xiàn)狀中船重工704所“減搖鰭”研制技術達到國際先進水平“減搖鰭”是一對幫助船舶在狂風巨浪中保持平衡的人造“魚翅”。最近，我國最大和最小的兩種減搖鰭裝置，在中國船舶重工集團公司第七四研究所接連誕生，不僅研制技術達到國際先進水平，而且至今為止訂單金額已超過2000萬元。 這對新生“兄弟”恰好為七四所今年的50歲生日獻上了一份厚禮，積累多年的核心技術轉(zhuǎn)化為強勁的市場競爭力。 七四所造“魚翅”堪稱歷史悠久。自上世紀六十年代初開始從事減搖鰭研究，其技術力量在國內(nèi)的翹楚地位已毋庸置疑。自1978年起，減搖鰭共為七四所捧回了包括全國科學大會獎在內(nèi)的八項大獎。2005年評選出的我國十大名船中，共有四艘裝備了減搖鰭，這些減搖鰭無一例外均由七四所研制。 就在年近半百之際，七四所吹響了進軍市場的號角。減搖鰭擔起了輔佐七四所游向市場海洋的重任。 以前在國內(nèi)，裝減搖鰭似乎是軍船的專利，但隨著人們對船舶安全性、舒適性要求的提高，民用船舶的減搖鰭市場顯出了光明的前景。于是，1999年七四所將減搖裝置科獨立出來，成立減搖裝置工程部，負責民船減搖鰭裝置的開發(fā)。 創(chuàng)新體制，使減搖鰭在市場大海中靈活游弋。原先的課題組長制不能適應市場運作的需要，工程部將其改為設計研發(fā)、銷售、售后服務等部門，實行公司化運作。由于民船減搖鰭多為度身定制，為保證裝置大型關鍵部件的生產(chǎn)質(zhì)量，前年年底七四所在松江專門成立了“減搖裝置制造部”。 如今，民品減搖鰭已形成兩大系列、50多個品種，不僅誕生了國內(nèi)最大、最小的減搖鰭，還研制出了國內(nèi)首臺比例控制減搖鰭等一系列創(chuàng)新產(chǎn)品，去年產(chǎn)值超過3000萬元。減搖裝置工程部主任韋彬心里的算盤卻早已打到了2010年，他預計，屆時這“魚翅”的產(chǎn)值將達上億元。 緊隨減搖鰭的成功“下?！?，七四所更多的核心技術項目也在躍躍欲試：環(huán)保技術船用序批式膜法黑灰水處理裝置、各類紡織機械、伺服閥系列產(chǎn)品等，均開始醞釀“下?！贝笥?。 其實，近年七四所的產(chǎn)業(yè)化不乏大手筆的成功之作。常年游弋三峽的世界最大清漂裝置，托舉船只“龍門一躍”的三峽永久船閘液壓啟閉系統(tǒng)七四所自主創(chuàng)新的產(chǎn)品在近千項船舶和非船產(chǎn)品中占2/3以上，具有國際先進水平的約占一半，獲得國家專利53項，國家、部委級獎515項。他們的目標是，“十一五”期間，培育兩個年產(chǎn)值過億的系統(tǒng)成套產(chǎn)業(yè)化項目，四個年產(chǎn)值超5000萬元的產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化項目，力爭年度總收入達到6億元、利稅達到4000萬元。4、智能減搖”系統(tǒng)在上海研制成功船舶減搖領域，減搖鰭和減搖水艙是目前最常用、裝船最多的兩種減搖裝置。減搖鰭的減搖效果與航速密切相關，在航速較高時減搖效果顯著，但在低航速和零航速時卻不能有效減搖；減搖水艙在各種航速下均能有效減搖，但在較高航速下減搖效果要低于減搖鰭。為了滿足船舶在全航速下的減搖要求，很多船舶都同時安裝了減搖鰭和減搖水艙，但是在海上船舶運行中，駕駛員要根據(jù)海況人工操作這兩種裝置的切換，使用比較麻煩且低效。此次研發(fā)成功的聯(lián)合控制器集成了兩種裝置駕駛室操作面板的功能，設計了全新的人機交互界面，不僅能夠?qū)崟r顯示減搖鰭、減搖水艙的工作狀態(tài)、報警信息、鰭角及水位等信息，駕駛員還可以方便的進行模式選擇、參數(shù)設置、設備啟停等操作，提高了整個控制器的運算性能和智能水平。在功能設計方面，聯(lián)合控制器充分考慮了減搖鰭、減搖水艙使用過程中的協(xié)調(diào)性與獨立性，設計了“聯(lián)合”、“獨立”兩種工作模式。“聯(lián)合”模式可同時對兩種裝置進行啟停操作；“獨立”模