CN110615061B

CN110615061B - 一种超空泡高速舰

Info

Publication number: CN110615061B
Application number: CN201910868510.3A
Authority: CN
Inventors: 安海; 任航; 高文杰; 胡震宇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2039-09-16
Also published as: CN110615061A

Abstract

本发明涉及一种超空泡高速舰船，属于高速船舶应用技术领域。包括水下潜体、支架结构和舰体；水下潜体由两个头部装有圆盘空化器、中间圆柱段装有环形空化器的回转体组成；支架结构连接两个水下潜体并搭接在舰体上；舰体横截面设计为小水线面的深V字型，能减小兴波阻力并提高舰的耐波性。当舰体处于静止或低速阶段，旋转转动装置放下平板，通过平板的布置增大水线面积，维持静止时及低速运动时的稳定性。舰体达到一定的速度后，转动装置收紧钢丝绳将平板收回到紧贴舰体表面，减小由平板所引起的兴波阻力及摩擦阻力。同时通过人工通气，圆盘空化器和中间环形空化器及通气装置的辅助作用，产生超空泡包裹潜体，减小潜体摩擦阻力。

Description

一种超空泡高速舰

技术领域

本发明涉及一种超空泡高速舰船，属于高速船舶应用技术领域。

背景技术

由于水的密度远大于空气密度，导致航行体在水中航行时所受到的阻力是空气中的近850倍。致使现代船舶在航行过程中存在速度慢、航程短、精度低的缺陷。为了减小航行体的阻力，通常从两个思路出发，第一是提高发动机提供的动力，第二是减小航行时受到的阻力。由于发动机功率的限制，因此减小航行阻力成为解决船舶速度慢等问题的主要途径。

超空泡技术就是利用空化原理，让物体被空泡包裹，不再与水直接接触，进而减小航行阻力提高水中物体运动速度的一种技术。人工通气生成超空泡是通过空气压缩机通气增加空泡内的压力，使空泡数减小到超空泡生成所需的数值，同时通过控制空泡内压力达到控制空泡尺度的目的。

常规千吨级军舰为了保证其稳定性一般设计具有较大的水线面，大水线面将带来较大的航行阻力，因此限制了航行速度。而速度是衡量军舰性能的一项重要指标，为了实现高速航行，应该将水线面设计得足够小。小水线面船具有耐波性能良好的特点。此外，还具有噪音小、舒适性好以及航向稳定性好的特点。但由于水线面积过小，使船的静稳性及船在运动时的动稳性变差。因此，设计出一种稳定性好的超空泡高速舰是很必要的。

发明内容

本发明的目的是为了实现在水中高速且稳定航行而提供一种超空泡高速舰船。

本发明的目的是这样实现的：一种超空泡高速舰，包括水下潜体、支架结构和舰体；下潜体对称布置在舰体两侧，下潜体由前部圆锥，中部圆柱，尾部倒圆锥的三段式轴对称回转体构成，下潜体前部圆锥头部装有圆盘空化器，圆盘空化器后有通气气道，中间圆柱装有3个环形空化器，空化器的背流面开设环形通气槽；支架结构连接两个水下潜体并搭接在舰体上，支架结构旁布置有空气压缩机，支架结构内部布置通气管路，通过通气管路连接空化器通气装置和支架旁的空气压缩机；舰体横截面设计为小水线面的深“V”字型，舰体上布置有转动装置、转动轴、支撑杆，在水线高度位置处装有可收放的平板，平板上有自锁装置，平板边缘与舰上转动装置通过钢丝绳连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、下潜体前部圆锥半锥角为4°～4.5°。

2、下潜体长度和圆柱段直径的比值在11～21之间；下潜体中体圆柱段长度占航行体长度的45％。

3、支架结构由高强度钢制成，由搭接在舰体上的水平段和两侧对称的圆弧段组成，两个相同的支架结构分别连接在下潜体的中间圆柱。

4、支撑杆由转动轴连接在舰体上，通过转动轴使支撑杆与自锁装置搭配，平板处于张开状态时，由支撑杆支撑固定。

5、舰体上布置有雷达***和操作室。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在超空泡高速舰的水线面高度布置平板增大水线面积。通过支架连接两个下潜体对称布置搭接在舰体上，同时在下潜体上布置空化器，形成超空泡包裹住水下运动的潜体，减小沾湿面积，降低摩擦阻力。在静止时或低速运动时，通过对称布置的平板及下潜体的受浮力产生的力矩来维持舰的稳定性。在高速运动时，通过索吊拉起平板，利用下潜体沾湿部分所受浮力对舰船产生的力矩来维持舰的动稳性。

本发明超空泡高速舰的水下潜体通过支架搭接在高速舰之上，军舰低速航行时，下潜体产生浮力，通过支架为军舰提供稳定力矩；高速航行时，通过人工通气，下潜体被产生的空泡大部分包裹，极大减小了潜体摩擦阻力，同时潜体沾湿部分受到的浮力通过支架为军舰提供稳定力矩。

舰体设计为小水线面积的深“V”字形截面形状，能减小兴波阻力并提高舰的耐波性，使舰可以再相同动力下达到更高的速度。

舰体上布置了由钢丝绳连接的平板。在静止或低速时通过控制转动装置来控制钢丝绳放下平板，并利用支撑杆与平板上的凹槽自锁装置来支撑平板，增大水线面积进而提高稳定性。

附图说明

图1是超空泡高速舰外型直观图；

图2是超空泡高速舰侧视图；

图3是超空泡高速舰主视图；

图4是超空泡高速舰俯视图；

图5是超空泡高速舰底部视图；

图6是超空泡高速舰下潜体外观图；

图7-1是超空泡高速舰头部空化器侧视图；

图7-2是超空泡高速舰通气管路直观图；

图7-3是超空泡高速舰环形空化器底部图；

图8是超空泡高速舰转动装置及自锁装置示意图。

图中：1为水下潜体，2为支架结构，3为舰体，4为圆盘空化器，5为环形空化器，6为转动装置，7为平板，8为支撑杆，9为雷达***，10为操作室，11为空气压缩机，12为转动轴，13为自锁装置。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图8，本发明旨在提供一种利用超空泡技术、排水量在2000吨量级、能够实现在水中高速(大约50节左右)且稳定航行的一种超空泡高速舰。为了使下潜体自身引起的外形阻力最小，其长细比一般设计为11～21之间。下潜体由前部圆锥，中部圆柱，尾部倒圆锥的三段式轴对称回转体构成。通过下潜体各部分长度之间的关系、下潜体设计的一般规律以及下潜体的长细比，确定下潜体具体尺寸。

下潜体头部布置圆盘空化器，并在圆盘空化器后设置了通气气道。圆盘空化器的尺寸根据下潜体的长度及截面尺寸进行设计。在下潜体中间加装3个环形空化器，并在空化器的背流面开设环形通气槽。通气气道管路布置在支架内部，并在支架附近布置空气压缩机。采用空化器人工通气技术，使4个空化器分别形成空泡，尽可能多的包裹下潜体，达到减小航行沾湿面积并减小阻力的目的。同时设计环形空化器时，通气孔设置如附图7-2、7-3，通气时满足下潜体底部不产生空泡。这样，在军舰高速航行时，空泡能够包裹潜体大部分，而底部仍处于沾湿状态，从而产生一定的浮力来维持军舰的动稳性。

舰身设计为小水线面外形。根据排水量一定时，水线面积越大，该船的惯性矩越大，对船舶稳性越好的原理。在水线高度位置处设置可收放的平板装置。增大舰体静止状态时及低速运动状态时的水线面积，从而提高稳定性。为了避免水压影响平板的收放，将板设计为由水线面之上张开至与水面平齐。平板边缘与舰上转动装置通过钢丝绳连接。

本发明的超空泡高速舰包括水下潜体1、支架结构2及舰体3；水下潜体1由浸入水中的两个头部装有圆盘空化器4中间圆柱装有环形空化器5的回转体组成，圆盘空化器在舰体达到一定速度后产生空泡，加之中间环形空化器5及通气装置的辅助作用使空泡发展为超空泡包裹住下潜体1；支架结构2连接两个水下潜体1，并搭接在舰体3上，支架内部布置通气管路，连接空化器通气装置及支架旁边布置的空气压缩机11；舰体3横截面设计为小水线面的深“V”字型。同时在舰体3上布置了转动装置6控制钢丝绳来控制舰体两侧平板7的收放，当舰体处于静止或低速阶段，通过旋转转动装置6放下平板7，并旋转舰体3上布置的支撑杆8支撑平板7来提高舰的稳定性。舰体3上同时布置有雷达***9、操作室10。支撑杆8由转动轴12连接在舰体上，通过转动轴使支撑杆与自锁装置13搭配。

如附图6、7所示，图6是超空泡高速舰下潜体外观图；图7-1是超空泡高速舰头部空化器侧视图；图7-2是超空泡高速舰通气管路直观图；图7-3是超空泡高速舰环形空化器底部图；对水下潜体1进行设计，根据超空泡自身特性及航行体减阻要求，将下潜体设置成细长回转体，航行体长度L₁+L₂+L₃+L₄和圆柱段直径R的比值取λ在11～21之间。航行体的前锥段半锥角兼顾结构和空泡生成的需要，设计成4°～4.5°。根据前锥段长度与圆柱段直径R关系，确定前锥段长度L₁。航行体的中体圆柱段长度占航行体长度的45％，即得到L₂+L₃的长度。最后得到尾部倒圆锥段的长度L₄。下潜体头部布置圆盘空化器4。其旋转轴线与潜体轴线呈角β。圆盘空化器4的尺寸根据下潜体的长度及截面尺寸进行设计。下潜体对称布置在舰体3两侧，由支架结构2连接并搭接在舰体之上。在下潜体的中间圆柱布置三个环形空化器4。三个环形空化器采用相同设置方法，在环形空化器的背流面设置排气孔和引气槽，为形成的超空泡内部通气，使超空泡稳定。同时应保证下潜体底部在整个运动过程都处于沾湿状态。采用空化器人工通气技术，使4个空化器分别形成空泡，尽可能多的包裹下潜体，达到减小航行沾湿面积并减小阻力的目的。同时设计环形空化器时，通气孔设置如附图7-2、7-3，通气时满足下潜体底部不产生空泡。这样，在军舰高速航行时，空泡能够包裹潜体大部分，而底部仍处于沾湿状态，从而产生一定的浮力来维持军舰的动稳性。

如附图3所示，是超空泡高速舰主视图；对支架结构进行设计，支架由高强度钢制成。由搭接在舰体上的水平段和两侧对称的圆弧段组成。两个相同的支架结构分别连接在下潜体的中间圆柱。在保证结构强度满足条件的同时将下潜体与舰体之间预留出足够的距离，避免舰体在运动过程中兴波对下潜体空泡造成影响。支架附近布置空气压缩机，同时将连接空气压缩机及空化器通气装置的通气管布置在支架内部。

如附图2、3所示，附图2是超空泡高速舰侧视图；附图3是超空泡高速舰主视图；对舰体进行设计，根据船舶稳定性及耐波性因素的考虑，将舰体横截面设计成小水线面的深“V”字型，减小舰在行驶时产生的兴波阻力及摩擦阻力。同时将支架结构布置在舰上，替代小水线面船中常规的支柱结构，可以减少船的总重量。同时将潜体布置在距离舰体足够远的距离位置，减小连接部分对潜体产生的空泡的气动方面的影响。

如附图3、5、8所示，图3是超空泡高速舰主视图；图5是超空泡高速舰底部视图；图8是超空泡高速舰转动装置及自锁装置示意图。对平板、转动装置及支撑杆进行设计，平板与舰体外表面利用转动副连接，利用排水体积法计算出水线面高度H，将转动副轴线设置在该高度位置；长度根据舰体外表面水平部分长度进行布置。平板边缘与转动装置通过钢丝绳连接。当舰体静止或以低速行驶时，通过转动装置释放钢丝绳使平板张开至与水面水平，然后释放支撑杆至与平板上自锁装置配合，防止平板受浪干扰。张开后的水线面积如附图4、5所示。与常规的大水线面积舰相比，减少了相当大的重量且保证了足够的水线面积，可以保证高速舰在静止时或低速运动时的稳定性。同时在舰达到一定的速度后，通过转动装置收紧钢丝绳将平板收回到紧贴舰体表面，以减小高速运动时，由平板所引起的兴波阻力及摩擦阻力。钢丝绳时刻处于拉紧状态，承受钢质平板的重力。

当超空泡高速舰通过发动机加速到足够高的速度时，两侧下潜体布置的空化器分别形成空泡包裹下潜体，达到减小阻力的目的。此时两侧下潜体沾湿部分受到的浮力为舰体提供一对平衡力矩，维持舰航行的横向稳定性。

对该超空泡高速舰进行CFD仿真计算。利用三维建模软件对该模型进行实体建模，利用CFD计算工具分别计算该高速舰在静止平板张开、低速平板张开、高速平板闭合三种状态下的动稳定性。并计算三种状态下的阻力大小。同时根据得到的计算阻力大小可以通过拓扑优化，以该阻力大小作为目标函数优化平板部分的尺寸及形状，以得到最轻的重量。

在水池和湖泊中进行缩比模型试验：

根据该船型试验的需求完善阻力、耐波和操纵性试验设备，将设定的一种超空泡高速舰的外形按相似原理和相似准则设计缩比模型，并在模型中安装动力、控制***、传感***及相应配件。给出试验方案，首先在水池中进行试验，查看超空泡高速舰的运动规律、水动力外形及操纵性是否满足设计要求。根据多次试验情况，对模型的进行修改和完善，最终给出较满意的缩比模型。然后在湖泊中进行长距离的试验，进一步考核缩比模型的各项性能指标，根据试验中出现的问题，不断的改进和完善，最终给出满足设计要求的缩比模型。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

综上，一种超空泡小水线面高速舰包括水下潜体、支架结构及舰体；水下潜体由浸入水中的两个头部装有圆盘空化器中间圆柱装有环形空化器的回转体组成。舰体横截面设计为小水线面深“V”字型，支架结构连接两个水下潜体，并搭接在舰体上，支架内部布置通气管路，连接空化器通气装置及支架旁边布置的空气压缩机；同时在舰体上布置了转动装置控制钢丝绳来控制舰体两侧平板的收放，支撑杆由转动轴连接在舰体上，通过转动轴使支撑杆与自锁装置搭配。当舰体处于静止或低速阶段，通过旋转转动装置放下平板，通过平板的布置增大水线面积，维持静止时及低速运动时的稳定性。在舰体达到一定的速度后，通过转动装置收紧钢丝绳将平板收回到紧贴舰体表面，以减小高速运动时，由平板所引起的兴波阻力及摩擦阻力。同时通过人工通气，圆盘空化器和中间环形空化器及通气装置的辅助作用，产生超空泡包裹潜体，减小潜体摩擦阻力。

Claims

1.一种超空泡高速舰，包括水下潜体、支架连接结构和舰体；其特征在于：下潜体对称布置在舰体两侧，下潜体由前部圆锥、中部圆柱、尾部倒圆锥的三段式轴对称回转体构成，下潜体前部圆锥头部装有圆盘空化器，圆盘空化器后有通气气道，中间圆柱装有3个环形空化器，空化器的背流面开设环形通气槽；支架结构连接两个水下潜体并搭接在舰体上，支架结构旁布置有空气压缩机，支架结构内部布置通气管路，通过通气管路连接空化器通气装置和支架旁的空气压缩机；舰体横截面设计为小水线面的深“V”字型，舰体上布置有转动装置、转动轴、支撑杆，在水线高度位置处装有可收放的平板，平板上有自锁装置，平板边缘与舰上转动装置通过钢丝绳连接；所述支撑杆由转动轴连接在舰体上，通过转动轴使支撑杆与自锁装置搭配，平板处于张开状态时，由支撑杆支撑固定；所述支架结构由高强度钢制成，由搭接在舰体上的水平段和两侧对称的圆弧段组成，两个相同的支架结构分别连接在下潜体的中间圆柱。

2.根据权利要求1所述一种超空泡高速舰，其特征在于：所述下潜体前部圆锥半锥角为4°～4.5°。

3.根据权利要求2所述一种超空泡高速舰，其特征在于：所述下潜体长度和中部圆柱直径的比值在11～21之间；下潜体中部圆柱长度占航行体长度的45％。

4.根据权利要求1或2所述一种超空泡高速舰，其特征在于：所述舰体上布置有雷达***和操作室。