一种高能效的高速艇线型的制作方法

本发明属于高速艇线型，具体涉及一种高能效的高速艇线型。

背景技术：

1、高速艇(high speed boat)是一类数量庞大的小型船艇，高速艇的定义比较宽泛，通常认为航速高于46km/h(25节)的船艇就可归属于高速艇范畴。高速艇中数量最多的船型是滑行艇(planning boat)，其工作原理是利用高速航行时水对船体的动升力在水面滑行。在滑行时船体与水面的摩擦阻力小，较小的动力就可以达到很高的速度。滑行艇具有重量轻、速度高、吃水浅、结构简单和使用方便等特点。其用途广泛，常见的游艇、运动艇、交通艇、公务艇以及军警用的执法艇、巡逻艇、截击艇等多种用途的船艇采用这种船型，在抗洪抢险中赫赫有名的冲锋舟也是一种滑行艇。

2、早期的滑行艇，为得到更高的航速，采用上翘的宽平艏、大进水角和平底的线型设计。这种平底船型起滑快，阻力小，功耗低，可在静水中达到很高的航速。但这种艇型对风浪很敏感，在很小的细碎波浪下，就会与水面发生强烈的拍击现象，其适航性和抗风浪能力明显不足。

3、第一次世界大战中的英国的cmb 55鱼雷快艇采用的就是这种平底线型，虽然在平静水面的航速很高，但在风浪中却航行困难，天气恶劣就不能出航。随着技术的改进，上世纪30年代出现的折角线型(hard chine)采用了尖舭和斜升底，提高了滑行艇的适航性；由于这种艇的底板自龙骨线向上升起，就被形象地称为“v型”艇。上世纪60年代在国际长距离比赛中的深v型(deep-v)艇，采用了较大的艇底斜升角，舯部折角线在静止水线以上，无断级，可在波涛中高速航行，这种艇首次参赛即夺魁。

4、由此可见，v型艇的适航性比平底艇得到了很大的提升，但这种改进也是有代价的。从v型艇底板受力分析图看，其底升角为β，所受的水动升力fn垂直于艇底板，fn可分解为垂直分力fz和水平分力fy。在滑行时船体的重量由水动升力提供，即2fz＝△，△排水量；fy是在水平方向水对船体的动压力，这个分力与船体的航行和对船体托举无关。由于fy＝fztgβ，当β在0°～90°区间，tgβ是升函数，即β越大，fy越大。以深v型船为例，当β＝22.5°，fy＝0.41fz即水平分力为垂直升力的41％。这表明随着滑行艇底升角β的增大，其适航性在提高，总阻力也在不断加大，航行时所需动力也随之增大。由此可见v型艇适航能力的提高是从消耗发动机的功率中得到的。

5、近年来，为了满足军事上对高航速和高海况条件下执行任务的需求，国内外的军用高速滑行艇在船体线型、发动机配置以及建造材料等方面作了很多研究工作，推出了很多性能优秀的滑行艇型，其中具有代表性的有：英国xsr军用拦截艇，采用复合材料艇体，艇长14.6m，排水量8.75t，乘员14人，配备2台603kw发动机，最高航速可达157km/h，每艘艇的基本价格为150万英镑(约合人民币1245万元)，xsr艇是目前世界上航速最高的巡逻快艇。美国海军的markⅵ特战艇，艇长25.9m，排水量54t，乘员20人，配用2台1680kw发动机，航速74km/h，续航力1110km，造价890万美元/艘(约合人民币5607万元)。我国的某型高速巡逻艇的艇长15m，排水量10.2t，配备2台323.5kw发动机，乘员6人，航速93km/h。分析对比上述船艇的技术数据可看出：采用深v艇型、配备大功率发动机，增加附属装置，不断提高航速和适航性是滑行艇的发展趋势。从统计数据分析，目前高速艇的动力排水量比一般为55～75kw/t。上述xsr艇则比较夸张，达到137.8kw/t，显然这是为了追求超高速度的特例。这种高性能的滑行艇也存在着：配用大功率发动机重量大、油耗大、造价过高等不足，由于采用高耗能换取的高性能的模式与当今节能环保的理念相悖，而过高的价格也限制了应用范围和销量。因此，在保持小型高速艇现有技术性能的基础上，提高其能效比是目前亟待解决的一个技术问题。

6、研究表明，滑行艇的航行状态是随着航速的变化而改变的。工程上采用无量纲的体积傅汝德数fn▽表征滑行艇的航行状态，fn▽＝v/(g▽1/3)1/2，式中：v航速，g重力加速度，▽排水体积。当fn▽＜1为排水艇航行状态，船体漂浮在水中；fn▽＞3为滑行状态，此时船体重量几乎完全由水动升力支持；fn▽在1～3之间为混合航行状态，船体重量由排水浮力和水动升力共同提供。

7、从上述某型高速巡逻艇使用实际情况的统计数据看，在日常巡逻执勤中的总航程中，中低速(35km/h)的航程占50％，高速(≥75km/h)的航程占40～45％，全速的航程仅占5～10％。而排水量10～20t的滑行艇，在中低航速时的fn▽为2左右，正处于混合航态区间，其航行阻力位于阻力峰值的区间。由于滑行艇的线型特征，在排水航态下的阻力远大于排水艇，实测其发动机的输出功率比同等吨位、相同工况下排水艇的功率要高出70％以上。由于这种巡逻艇在实际使用中低速的航程的占比又较高，因此，降低滑行艇在排水航态的阻力，就是提高能效比的一个技术重点。

8、由于v型艇的较高适航能力是以消耗发动机功率为代价的，其底升角β越大，则水平分力fy越大，其表现为舷侧飞溅的水流更大，这种飞溅现象的实质是发动机所做的无用功。为了减少飞溅水流，以往将折角线的下部设计成纵向连续的水平面，用以改变水流的方向，这个水平面被称为“压浪带”。为了进一步改善“压浪”的效果，也出现过下折平面及曲面的压浪带，但压浪效果提高不多。仅从“压浪带”的名称看，其设计的目的是解决深v型艇在高速滑行时飞溅的巨大水流。但这种压浪带只是改变了水流的方向，对提高船艇的能效作用不大。由于v型艇底板向外的水流是一个流场，在接近底板的一定区域内的水流可以视为一个运动的质点系，依据质点系的动量定理σfiδt＝σmivi-σmivi0，当其冲向一个物体时会产生一个冲力。如果在艇底板与水平压浪带之间接入一个椭圆弧面，使得水流从一个焦点f2冲向椭圆弧面，这将给船底板一个冲力，这个冲力的垂直分力的方向向上，对船体有一个升举作用；而依据椭圆的性质作为质点系的水流将反射至另一个焦点f1，被反射至水中，这样不仅将无用的飞溅能量的一部分转变为有用的升力，也减少了飞溅的发生。

9、综上所述，滑行艇经过百余年的发展，已在高速性、适航性和操纵性等技术性能上达到了很高的水平，但在节能环保，提高能效等方面还需要做进一步的改进。针对滑行艇目前存在的低速度航行阻力大、深v艇型飞溅水流大能耗高现状，如果采用：1)将低阻力排水艇的艏部线型与深v滑行艇线型结合起来，就能实现船体在排水航行时具有较低阻力，在水面滑行时仍能达到很高的速度；2)在艇底板与水平压浪带之间加入椭圆弧面，利用椭圆双焦点的反射特性，将飞溅水流的部分能量转换为有用的升力；3)采用渐变底升角β，由舯部深v型过渡到艉部浅v型，使艇底趋于平缓，减小航行阻力；4)将浮心设计在舯后，并使船艇的重心置于浮心之后，以利于快速起滑。若这些改进的技术措施进行组合并予实现，小型高速滑行艇的能效水平，将在现有技术性能上得到较大提高。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供一种高能效的高速艇线型。

2、本发明是这样实现的：一种高能效的高速艇线型，其特征在于：所述高速艇为小阻力排水艇与高速滑行艇的复合船型，其线型在艏部采用长尖艏经平滑曲线向后过渡至舯前，逐渐转变为深v滑行艇线型延续至艉部。其船体横剖面的底部型线与舷侧线交于舭部折角线，在艇底型线与折角线相接部位，设置了由椭圆弧线及水平压浪线构成的复合压浪结构。所述高速艇浮心的纵向坐标位于舯后，其重心位于浮心后0.01～0.05船长l的范围内。

3、所述长尖艏是将常规排水艇的艏部线型加长，增加一个站位，使艏龙骨呈尖劈状；设计水线的半进水角α≤12°。

4、所述深v滑行艇型的艇底型线由复合底升线、渐变深v型艇底组成，其舯部底升角β≥16°，艇底型线左右对称向上外展呈深v型；所述复合底升线是由斜升线、椭圆弧线和水平压浪线连接而成的复合曲线；底升角β自舯部向后逐渐减小，渐变至艉部；艉封板处β为10°～16°。

5、所述复合压浪结构的椭圆弧线内侧端与斜升线相切，外侧端与水平压浪线相交。所述椭圆弧线为水平长轴椭圆的一部分，其焦点f1和f2位于艇底的下部；随着艇底型线由艏部至艉部渐变过渡，所述椭圆弧线形成了左右两条纵向贯通的椭圆弧面压浪带。

6、所述椭圆弧线为标准椭圆的部分曲线，在船舯部位椭圆的长轴2a为船宽b的0.04～0.08，离心率e为0.80～0.85。其短半轴b、焦距2c由标准椭圆方程解出。

7、本发明的显著效果是：混合线型阻力低适航性好本方案将低阻力排水艇艏部线型与深v滑行艇线型结合起来，采用尖劈状长尖艏、复合底升线、舯部渐变深v滑行艇线型，实现了排水航行低阻力，水面滑行速度高。同时，尖劈艏的入水阻力小，大大减轻了水对船体拍击现象，提高了在波浪中的航行能力。与普通高速滑行艇相比，其快速性、适航能力等综合技术性能有了明显优势。

8、复合压浪结构能效比高飞溅小艇底型线是由斜升线、椭圆弧线和水平压浪线连接而成的复合曲线，由此构成复合压浪结构。该结构利用椭圆曲线双焦点的反射特性，使得水流从一个焦点f2冲向椭圆弧面，并反射至另一个焦点f1，将飞溅水流的部分能量转换为有用的升力，不仅节约了能量也减小了飞溅水流。采用渐变底升角β，由舯部深v型过渡到艉部浅v型，艇底由前至后趋于平缓，从而减小滑行阻力；将浮心设计在舯后，并使船艇的重心置于浮心之后，以利于快速起滑，进入高速滑行状态。

9、综合能效比大幅提升采用本发明的技术验证艇与原型巡逻艇的对比实验表明，在相同的航程、航速和航行时间的对比测试中，采用不同的航速与航程的组合，对比测试各自的燃油用量。其结果表明，验证艇的燃油用量比原型艇减少6.9％～23.6％，其能效比得到了较大的提升。

10、方案易行节能效果好所述改进技术方案，只涉及船体线型的改进和重心布置；其他设计要素，如船体结构、动力配置、舾装设施、燃油、水电线路和人员装载等，基本与原型的相同。因此改进方案易于实现，节能效果明显，推广使用后的经济效益高。