1600,HP自扶正高速执法艇设计
摘 要：针对高速执法艇应具备良好稳性的需求，进行具有自扶正能力的高速执法艇设计；计算该艇自扶正稳性，评估不同参数对自扶正能力的影响；对自扶正艇的进水口处理方式进行探索。
关键词：自扶正；高速执法艇；船舶设计；进水点
中图分类号：U674.2 文献标识码：A
Abstract： According to the stability requirements， a high-speed response boat with self-righting capability is designed， the self-righting stability is calculated， the effects of different parameters on the self-righting capability are evaluated and the design of flooding points for the self-righting boat is discussed.
Key words： Self-righting； High-speed response boat； Ship design； Flooding point
高速执法艇根据使命不同，一般具备一定防护能力，并配置机枪武器、或海上搜救设备等。
高速执法艇通常需要在恶劣的海洋环境条件下执行任务，为保障人员安全、提高执法能力，高速执法艇应具有良好的完整稳性和抗风能力，甚至需具有倾覆后自动扶正的能力。
1 船舶自扶正原理
船舶静止漂浮于水中时，受到自身重力和水的浮力两个作用力，其大小相等但方向相反，作用在同一铅垂线上，如图1（a）。当船舶受到风浪等外力干扰产生倾斜时，船舶的重量和重心位置并没有发生变化，排水体积大小也没有变化，但由于船舶本身倾斜，其水下的体积形状发生了改变，浮心位置也发生了变化。此时，重量和浮力不再位于同一铅垂线长，形成一个力偶（复原力）促使船舶复原到原来的平衡位置，如图1（b）。自扶正船舶就是在倾斜任何角度的情况下，浮力和重力都形成正的复原力矩，如图1（c）。通常，用复原力臂曲线来表达船舶在不同倾斜角度时的复原力臂的大小，具有自扶正能力的船舶，其复原力臂曲线在0°～180°范围内都是大于零。
由于船舶一般都为左右对称且重心位于中心线上，所以在理论上当船舶倾覆180°静止时，其复原力也是为零的，如图2（a）。此时，只要受到风浪流等外力作用下使船舶产生一定倾斜，如圖2（b），船舶在正的复原力矩作用下会继续倾斜直至回到平衡状态。此过程就是自扶正船舶的自扶正翻转过程。
通过上述分析可知，自扶正能力主要与船舶的重心位置及浮心位置有关。
2 自扶正高速执法艇设计方案
依据船舶自扶正的原理，开展自扶正高速执法艇方案设计。该设计方案综合考虑执法艇的布置风格，设计了较大体积的封闭甲板室，使船舶在倾覆时始终具有正的复原力矩，从而实现自扶正能力。
2.1 用途及船型
本艇主要用于海上缉私、缉毒、反恐等需要高速追击、拦截，以及快速反应的海上搜索、救援任务等。
本艇为单体、单甲板、全棚式、无断级、双折角深V滑行艇船型；双柴油机驱动，双喷水泵推进；船体及甲板室结构采用铝合金材料；具有自扶正能力、良好的适航性和开阔视野的海上执法艇。整体设计风格简洁明快、硬朗大气，突出执法艇的特征，如图3所示。
2.2 线型
本艇长度傅汝德数Fn约为1.5、体积傅汝德数Fn▽约为3.6，为处于高速滑行状态的滑行艇；线型采用中部底斜升角22°，设有双折角线的深V线型，线型综合考虑了快速性、耐波性和总布置。
2.3 主尺度及主要参数
2.4 总布置
（1）主船体
本艇主船体分为五个水密舱室：首尖舱通过舱口盖直接从甲板上出入，主要布置帆缆设备；休息室舱为4人船员舱，设有橱柜和餐桌；设备舱布置有卫生间、配餐区等，两侧布置有燃油舱；机舱布置主机、发电机及相关设备，在每台主机上方设有机舱可拆板用于机舱设备检修；泵舱布置有两套喷水推进装置及其流道等；主船体尾封板在喷水推进器上设置有保护架，两侧布置有主机排气口；主船体四周设置一圈泡沫护舷。
（2）主甲板及甲板室
主甲板首部设有舱盖、缆桩、扶手等；尾部布置有救生筏、缆桩、拖桩、扶手、机舱通风风道等；中部为封闭式甲板室，两侧设外走道。
甲板室为封闭式驾驶室，从后围壁开门进出驾驶室；驾驶室内布置有驾控台、抗冲击座椅等；甲板室后部设有机舱通风风道，前部布置有休息室通风装置。
（3）顶甲板
顶甲板后部布置有桅杆，另布置有天线、搜索灯、舷灯、警灯、光电、高音喊话喇叭等；桅杆上布置有雷达、天线和信号灯等。
2.5 结构设计
主船体及甲板室采用5083铝合金板材及6082铝合金型材；。主船体结构能承受大于35 kn航速时的海浪拍击及6级海浪的作用力。；甲板室结构具备一定的抗压能力，以满足自扶正的要求。
2.6 动力系统
本艇设有二套推进系统，每套推进系统均由船用高速柴油机、高弹性联轴节、船用齿轮箱及喷水推进装置组成。
高速柴油机功率为2×800 HP。
本艇设有由喷水推进装置监控部份和推进柴油机组监测部份组成的动力监控系统。系统按驾控台遥控驾驶设计，在驾控台可实现对喷水推进装置的方向舵和倒航斗进行遥控，以及实现对推进柴油机的起停、调速、齿轮箱的离合及正反转控制等功能。
2.7 船舶装置
驾驶室后围壁设有铝合金水密门，门的上部设有玻璃观察窗可从驾驶室观察船尾的情况。
泵舱与机舱及机舱与设备舱设有水密舱壁；设备舱与休息室舱设有水密舱壁，其上设置水密门并满足CCS防火等级要求。
外部的门、窗、盖具备一定的抗压能力，满足自扶正的要求。
2.8 船舶系统
本艇机舱、休息室舱等均采用机械通风形式。
本艇还配置舱底水系统、空调系统、注入透气及测量系统、疏排水系统等，以保证船舶正常工作。
2.9 船舶电气
本艇配电系统采用交流220 V单相双线绝缘系统及直流24 V双线绝缘系统，并配有交流220 V岸电系统。
本艇配置13 kW船用柴油发电机组一套；配置免维护24 V蓄电池提供主机启动及配置免维护12 V蓄电池提供发电机启动。主机或发电机启动后，通过其轴带发电机自动对启动蓄电池充电。
本艇配置照明、灯具、助航、报警、通信、航行等系统及设备，满足规范规则要求。
2.10 重量及重心位置
本艇满载排水量18.2 t，重心位置为X=5.22 m、Z=1.59 m、Y=0 m（坐标原点在尾封板、基线与中心线交汇处）。
3 自扶正能力计算及评估
由于船体线型及甲板室的首尾不对称，在大角度横向倾斜过程中将引起船长方向的倾斜，即船舶在横倾时伴随有纵倾发生。因此自扶正计算需要模拟船舶在横倾0°～180°范围内的各种状态，本计算应用软件MAXSURF进行。
3.1 MAXSURF简介
Maxsurf是用于船舶设计的三维曲面建模、计算的综合性软件，主要包括建模、稳性计算、阻力计算和结构设计等模块。Stability模块是其中稳性计算模块，用于浮态计算、大倾角稳性计算、破损稳性计算、液体舱柜容积计算、极限重心高计算、可浸长度计算、总纵强度校核等。
3.2 建模及计算结果
利用软件Maxsurf，完成本艇的三维建模，包括船壳、甲板、甲板室和机舱风道等。通过Stability模块的大倾角稳性计算功能，计算横倾角从0°～180°范围的复原力臂。根据计算结果可知，本艇在0°～180°范围内复原力臂都为正值，且没有出现严重的首尾倾情况，因此设计方案具有自扶正能力，可以在不同的横倾角下复原到横倾角为0°的状态。
3.3 不同设计参数计算结果对比
为了进一步探索不同设计方案和不同参数对自扶正能力的影响，开展了三方面参数变化计算结果对比：
（1）在同一设計方案中，假定重心高度分别为1.48 m、1.7 m，与设计重心高1.59 m的计算结果对比，见图4；
（2）假定重心位置及甲板室长度不变，分别取甲板室宽度为2.4 m、2.8 m，与设计甲板室宽度3.2m的计算结果对比，见图5；
（3）在同一设计方案中，假定重心纵向位置分别为4.7 m、5.5 m、5.9 m，与设计重心纵向位置5.22m的计算结果对比，见图6。
通过计算结果分析，主要结论如下：
（1）降低重心高度可有效提高艇的自扶正能力；
（2）甲板室宽度加大有利于改善自扶正能力；
（3）纵倾角大则减小了甲板室的浸水体积，进而减少了复原力臂值，所以甲板室体积中心与艇重心在长度方向的距离越小，对自扶正能力越有利。
4 自扶正高速执法艇进水口处理
在一般船舶稳性计算中，应计及进水角开口的影响，所以复原力臂曲线在相应的进水角处切断，并且认为船舶完全丧失稳性。自扶正船舶要求复原力臂曲线在0°～180°范围内都为正值，即要求艇在横倾0°～180°范围内水不能通过进水口进入船内，因此需对进水口进行特别处理。
本高速执法艇设计方案，除机舱外其它舱室均设置在行驶中保持关闭状态的关闭装置；但机舱中的柴油机等设备的运行需要持续通风，机舱通风口在行驶过程中不能关闭，因此本自扶正高速执法艇主要对机舱的通风风道进行特殊设计。有两种设计方案：
（1）机舱通风口设计为可自动启闭式
机舱通风设计为结构风道，在其内设置带液压控制开关的舱口盖，当船舶倾斜到一定角度时可自动关闭，船舶翻转复原后可自动打开。该方式需要设置监测船舶航态及控制舱口盖开关的液压泵站，通过蓄电池进行供电。
（2）采取特殊的通风风道设计
根据艇在倾斜不同角度时其浮态的特点，将机舱通风风道设计为Z型，风道的两端分别在艇的左右舷，且机舱内的风道口离甲板一定距离。这样即使艇在0°～180°范围内翻转，该Z型风道口至少有一端高出水面较多，水不能进入机舱内，如图7。该方式需要将风道的侧壁设计为水密，当机舱外风道口浸水后水会进入浸水部分风道内，但不会通过风道侧壁进入到机舱。
对比两种方案：方案一形式简单，但增加了一套液压控制系统，存在液压控制设备可靠性风险；方案二风道较为复杂，且每个风道均需设置风机，但防止进水的效果可靠性高。
5 结论
本文针对高速执法艇的稳性需求，设计方案在整体外观造型、总布置、结构设计、机舱通风等方面充分考虑了自扶正需求，复原力臂曲线在0°～180°范围内都为正值，具备自扶正能力。经计算分析可知，降低船舶重心、选取合适的甲板室宽度、减小甲板室体积中心与艇重心在长度方向的距离等方面，是提高自扶正能力的主要措施。
参考文献
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