专题报告球鼻艏

实习专题报告船舶球鼻艏和减摇鳍一、球鼻艏1、球鼻艏介绍设计水线平面以下呈球鼻形的艏，球鼻艏又称球型艏，简称球艏，是设计水线以下首前部近似呈球状的船首部。球状部分义称球鼻，其型式有水滴形、撞角形、圆筒形等多种。20世纪初用于军舰，在博汝德数0.3左右明显有利，但制造工艺复杂，造价较高，耐波性也差，未能推广。60年代发现对低速油船、货船有利,后披广泛应用。一般认为、球艏虽使船体湿面积增大，但其阻力可由船首波与球艏波间有利的干扰，或球艏附近水流情况的改善而减小。有的资料统计，舰船满载时球鼻艏可降低船的主机功率10%--20%。球艏还有利于安装首部侧向推力器及声呐。球艏按横剖面面积曲线的形式可分附加式和隐含式。前者常见于早期的球艏与由常规船型改装的球艏，面积曲线除艏端外不加修改。现代球艏都将横剖面面积曲线自前体肩部削瘦转移到球艏处。球鼻艏按横剖面的形状，有▽型、△型和O型，以配合艏部横剖面形状。2、球鼻艏作用船在航行时候会产生兴波阻力，船舶航行时使水面产生波浪，在船首和船尾附近各发生一组波系。每组波系包括横波和散波。横波大致垂直于航向，散波同航向斜交，船波起伏的能量由船体供给，消耗了一部分推进船舶的功率。对船来说相当于克服一定的阻力，这种阻力叫兴波阻力。减少的是兴波阻力，没有球鼻艏时会在船舷产生波浪形的水波。球鼻艏可以产生一个翻转180°的波，与之抵消。但球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应，否则阻力更大，所以只用远洋海船。没有球鼻艏时会在船舷产生波浪形的水波。但球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应，否则阻力更大，所以只有远洋海船球鼻艏位于船头处。与船首形状有关的问题就是球鼻首的应用。自20世纪20年代在商船上首次设置球鼻首以来，球鼻首已经在现代商船上得到广泛应用。模型对比试验表明，设置球鼻首的船，比同样的无球鼻首船，需要的推进功率小得多，阻力性能也好得多。球鼻首对船型的影响涉及到船舶设计、结构、制造和使用等各个方面，因此选用球鼻首船型时，必须综合考虑船舶的快速性、耐波性(尤其是首底砰击)、操纵性、纵倾调整、结构强度、建造成本及工艺性、航行(包括冰区航行)和锚泊布置等方面的影响。然而，改善船舶的流体动力性能仍是目前选用与确定球鼻首船型所考虑的主要因素。3、球鼻首降阻机理1)高速船对于Fn在0.25~0.35之间的中高速船，安装球鼻首可以减小兴波阻力。泰勒首先提出球鼻首减小阻力的原因是一种兴波干扰现象。以后的理论和试验研究表明，球鼻首产生兴波由波谷开始，而船体首波系由波峰开始。如球鼻首产生的球首波系的波谷，恰好与主船体波系的波峰相重合，就可取得消波的效果。从理论上说，若两者波幅相等，相位相反，则可能完全消波。2)低速肥大型船舶以前一般认为球鼻首仅适用于Cb＜0.70的尖瘦船。近年来球鼻首的应用已推广到低速肥大型船舶。这类船航速低(Fn＝0.16~0.20)，压载航行时，首波系产生的兴波阻力约占总兴波阻力的2/3。而总的兴波阻力仅为总阻力的5%~15％。可是船模试验表明，球鼻首船型与常规船型相比，总阻力减少达20％~25%，减少的阻力已超过首波系的兴波阻力，因此仅应用球鼻首的消波理论无法对此作出解释。破波阻力成分被揭示后，低速丰满船型球鼻首降阻机理得到明确。肥大船在压载航行时，首部水流冲击，紊流使首波破碎消耗能量，破波阻力相当明显。而球鼻首使船首前伸，该处横剖面面积曲线的陡度和首部水线半进流角减小，改善了船首柱附近的水压力分布，因而缓和了船首破波情况，从而降低了破波阻力。而在满载情况下，普通船型由于舭部半径很小，船底很平坦，首部舷侧水流绕过舭部斜向进入船底，与船底原来向后的水流交叉相混，形成般涡。球鼻首具有整流作用，可将侧流顺导向后，大的首部舭半径也改善了舭部的流动，从而使船首部不发生或少发生舭涡，粘压阻力减小。根据资料，满载时球鼻首可使主机功率降低10％~20%，压载时可降低20％~25％。我国在载重量24000t油船、载重量25000t及35000t散装货船、载重量50000t油船的船型研究中也都证明了这一点。4、球鼻首型式几种典型的球鼻首型式如图所示。撞角型球鼻首前伸较长，前端较尖，其横剖面呈圆形或椭圆形、浸深较大，通常用于低速丰满船型。满载和压载时降阻效果均较好。水滴型球鼻首出现最早，其特征是体积较小且集中于中下部，此种球鼻首有利于减小设计水线的进流角，多用于中、高速船上。SV型球鼻首于60年代提出并被广泛使用。其特征是首柱呈S型，球首下部横剖面呈V型。适用于首部剖面呈V型的船，在较宽广的速度范围内(Fn=0.15~0.35)均能降低船体阻力和提高推进效率，且能显著改善船首底部的砰击。此外，SV型球鼻首还有较好的破冰性能。5、球鼻首标志球鼻首标志用以表明在船舶设计水线以下首部前端有球鼻型突出体，并勘划于船首左右两舷重载水线以上的首部处。6、可变性球鼻艏的设计与安装方案研究将球鼻艏设计成长度可调节的，通过调节球鼻艏的长度来控制球鼻艏在船舶航行时产生的水波。使得在任何航速下由球鼻艏产生的水波和船体艏部产生的水波叠加后的水波波幅最小，即使得有船体激起的水波能量最小，从而达到减少兴波阻力，提高船速。详细介绍：2010年美国国家地理杂志播出一期《玛丽皇后2号》的纪录片，其中讲到船模做航速测试时原来设计航速只能达到26节，而船东卡纳德公司要求是最大航速30节以上。设计人员为了解决这个问题，将球鼻艏长度从10英尺提高到12英尺。经改进后邮轮的航速提高到31节。而该改进的理论基础是球鼻艏的减阻原理。船舶在航行时，会在船首处激起波纹，在于航线垂直和水平方向上都有不同的波纹。但波的性质大部分为横波。根据物理学知识只波本身具有能量，其能量和波的波幅、频率成正比。同时又知在同一介质中波长、频率相同，则波的能量与波幅成正比。而这些波的能量来源于船体本身，反映在力的方面就是船收到了阻力。这就是兴波阻力。为了减少这种阻力，人们就必然设法将波幅减低，从而达到减少波的能量的目的。而根据波的叠加原理，如果有一列波，此波的相位和原来波相位相差180°则两列波叠加为零，也就是波消失。当然这是理想状态。于是人们再船首处设计出一个突出物，使其产生和船体产生的波相差180°，达到减少兴波阻力的目的，这就是球鼻艏减阻的理论基础。船舶在航行时不可能一直以某航速航行，航速的改变势必会引起有船体本身激起的水波，而这样肯定会导致两列水波叠加后的水波的波幅不是最低。若将球鼻艏设计成长度可调节的，根据船舶的航速来随时调节球鼻艏的长度。使得由球鼻艏和船体产生的两列波叠加后的波的波幅最低，从而达到减少兴波阻力。二、减摇鳍1、减摇鳍介绍减摇鳍是目前效果最好的减摇装置．装于船中两舷舭部，剖面为机翼形，又称侧舵．通过操纵机构转动减摇鳍，使水流在上产生作用力，从而形成减摇力矩，减小摇摆，以便减少船体横摇。该设备结构复杂，造价较高，且效果取决于航速，航速越高，效果越好，故多用于高速船舶·它有收放式减摇鳍和非收放式减摇鳍两大系列。配备减摇鳍装置的船只。能够提高船舶的安全性，改善船舶的适航性；改善船上工作条件，提高船员工作效率；避免货物碰撞及损伤；提高船舶在风浪中的航速，节省燃料，助长其他船舶设备的使用寿命；保证特殊作业，如：直升飞机起降，观测仪器准确使用等。不可收放式减摇鳍由于结构简单、体积小、重量轻、可靠性高及成本低等优点，被广泛地应用于各类船舶，特别是军用船舶。通常，对于排水量在1000t以下的船舶，一对不可收放式减摇鳍就能满足船舶横摇减摇要求。由于鳍安装时其外展不能超出船截面的框线，因此鳍的面积不能无限扩张，这样单鳍所能提供的升力有限，对于1000t以上的船舶来说，船对抗风浪横摇力矩的扶正力矩往往大于单对鳍所能产生的最大力矩。因此，为了满足这类船舶的减摇要求，我们往往在船上装两对不可收放式减摇鳍。双鳍减摇中存在的问题对于安装了两对鳍的系统来说，后鳍受到前鳍严重的水动力干扰，船体边界层以及船的运动对后鳍等的影响，使后鳍的升力下降。为了提高两对鳍系统的减摇效果，采用了增加前后鳍间距的方法来减小前鳍与后鳍间的相互干扰；采用增加鳍的展向尺寸(鳍面积)的方法来减小船体边界层影响，但由于鳍的安装位置尽量*近船体纵向的中间部位，故前后鳍间距受到限制。另外，不可收放式鳍的展长必须限制在船体框线之内，故鳍的展向尺寸亦受到限制，所以通过增大鳍面积和增加前后鳍间距来提高减摇鳍的减摇效果有一定局限性。3、中国减摇鳍发展现状中船重工704所“减摇鳍”研制技术达到国际先进水平“减摇鳍”是一对帮助船舶在狂风巨浪中保持平衡的人造“鱼翅”。最近，我国最大和最小的两种减摇鳍装置，在中国船舶重工集团公司第七〇四研究所接连诞生，不仅研制技术达到国际先进水平，而且至今为止订单金额已超过2000万元。这对新生“兄弟”恰好为七〇四所今年的50岁生日献上了一份厚礼，积累多年的核心技术转化为强劲的市场竞争力。七〇四所造“鱼翅”堪称历史悠久。自上世纪六十年代初开始从事减摇鳍研究，其技术力量在国内的翘楚地位已毋庸置疑。自1978年起，减摇鳍共为七〇四所捧回了包括全国科学大会奖在内的八项大奖。2005年评选出的我国十大名船中，共有四艘装备了减摇鳍，这些减摇鳍无一例外均由七〇四所研制。就在年近半百之际，七〇四所吹响了进军市场的号角。减摇鳍担起了辅佐七〇四所游向市场海洋的重任。以前在国内，装减摇鳍似乎是军船的专利，但随着人们对船舶安全性、舒适性要求的提高，民用船舶的减摇鳍市场显出了光明的前景。于是，1999年七〇四所将减摇装置科独立出来，成立减摇装置工程部，负责民船减摇鳍装置的开发。创新体制，使减摇鳍在市场大海中灵活游弋。原先的课题组长制不能适应市场运作的需要，工程部将其改为设计研发、销售、售后服务等部门，实行公司化运作。由于民船减摇鳍多为度身定制，为保证装置大型关键部件的生产质量，前年年底七〇四所在松江专门成立了“减摇装置制造部”。如今，民品减摇鳍已形成两大系列、50多个品种，不仅诞生了国内最大、最小的减摇鳍，还研制出了国内首台比例控制减摇鳍等一系列创新产品，去年产值超过3000万元。减摇装置工程部主任韦彬心里的算盘却早已打到了2010年，他预计，届时这“鱼翅”的产值将达上亿元。紧随减摇鳍的成功“下海”，七〇四所更多的核心技术项目也在跃跃欲试：环保技术船用序批式膜法黑灰水处理装置、各类纺织机械、伺服阀系列产品等，均开始酝酿“下海”大计。其实，近年七〇四所的产业化不乏大手笔的成功之作。常年游弋三峡的世界最大清漂装置，托举船只“龙门一跃”的三峡永久船闸液压启闭系统……七〇四所自主创新的产品在近千项船舶和非船产品中占2/3以上，具有国际先进水平的约占一半，获得国家专利53项，国家、部委级奖515项。他们的目标是，“十一五”期间，培育两个年产值过亿的系统成套产业化项目，四个年产值超5000万元的产品产业化项目，力争年度总收入达到6亿元、利税达到4000万元。4、智能减摇”系统在上海研制成功船舶减摇领域，减摇鳍和减摇水舱是目前最常用、装船最多的两种减摇装置。减摇鳍的减摇效果与航速密切相关，在航速较高时减摇效果显著，但在低航速和零航速时却不能有效减摇；减摇水舱在各种航速下均能有效减摇，但在较高航速下减摇效果要低于减摇鳍。为了满足船舶在全航速下的减摇要求，很多船舶都同时安装了减摇鳍和减摇水舱，但是在海上船舶运行中，驾驶员要根据海况人工操作这两种装置的切换，使用比较麻烦且低效。此次研发成功的联合控制器集成了两种装置驾驶室操作面板的功能，设计了全新的人机交互界面，不仅能够实时显示减摇鳍、减摇水舱的工作状态、报警信息、鳍角及水位等信息，驾驶员还可以方便的进行模式选择、参数设置、设备启停等操作，提高了整个控制器的运算性能和智能水平。在功能设计方面，联合控制器充分考虑了减摇鳍、减摇水舱使用过程中的协调性与独立性，设计了“联合”、“独立”两种工作模式。“联合”模式可同时对两种装置进行启停操作；“独立”模式释放控制权，两种减摇装置独立工作。针对新船设计和老船改造问题，联合控制器在外观设计上推出了嵌入式和壁挂式两种安装方式。前者针对新船设计，可安装在驾驶室操纵台；后者针对