CN107554684B - 超空泡水面高速艇 - Google Patents

Abstract

本发明为超空泡水面高速艇，包括下潜体(23)、支架结构、涡轮喷气发动机(8)、驾驶员舱(5)、乘务员舱(4)、S进气道(7)、尾焰处理喷口(9)、电源系统(1)、中央控制系统(6)、空气滤清装置(2)、空气压缩系统(3)、空泡发生器，空泡发生器包括空化器(10)、导气瓦(13)、排气孔(14)、引气槽(16)；空气从空气滤清装置(2)处进入船体并通过S进气道(7)进入到涡轮喷气发动机(8)，最后通过尾焰处理喷口(9)将气体喷出；该艇通过涡轮喷气技术作为推进动力，相比于水下螺旋桨，推进速度更快，效率更高；空泡发生器通过超空泡技术，使船体不直接与水接触，相比传统的舰船，其船体能够减少水阻力，提高航速。

Description

超空泡水面高速艇

技术领域

本发明属于船舶应用技术领域，具体涉及一种超空泡水面高速艇。

背景技术

现代运输船舶的主机以柴油机为主，经过不断的改进，柴油机动力装置日臻完善，因此成为目前应用最广的船舶动力装置，在数量上占绝对优势。船舶的动力装置连接的推进器通常是螺旋桨，螺旋桨在水中旋转时就能使船舶前进或后退，然而运动体在水中的阻力约为在空气中阻力的850倍，因此，常规的动力装置在水下的速度难以超过35m/s，导致传统的水下航行体普遍存在速度慢、航程短、精度低的缺陷。当螺旋桨超过最佳转速后，转动时周围的水来不及流过来，螺旋桨就会产生空泡现象,因此就降低了它的推力。对于需要在水面作高速机动的船舶来说，在功率越来越大、航速越来越高的要求下，要想进一步提高速度性能，就需要考虑采用全新的推进模式。

为了提高水下航行体的航速,改善水下航行体的性能,目前一般采用增大推进动力和降低航行阻力这两种技术途径。超空泡技术就是利用空泡现象，让物体不再与水直接接触，进而减小航行阻力提高水中物体运动速度的一种技术。超空泡是一种物理现象，当物体在水中以超过每小时185千米的速度运动时，水的摩擦作用会使物体表面的水汽化，产生所谓空泡现象，从而极大减小物体水中运动时所受到的阻力。超空泡技术的出现可以使运动体在水中的阻力降低90％左右，辅以先进的推进技术，运动体将在水中将可以实现超高速的“飞行”。

超空泡减阻技术将会对海洋船舶的研制产生巨大的影响，但目前超空泡技术多用于水面下的航行体上，在水面载体上的应用只是初步尝试，对于吨位小，航速高，机动灵活，排水量通常为数十吨至数百吨，航行速度30到50节的高速艇，一旦运用更加成熟的超空泡技术，那它作为小型舰艇，将在速度、灵活性、经济性等方面要有一定优势。

涡轮喷气发动机是一种涡轮发动机，特点是完全依赖燃气流产生推力。发动机吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，对发动机产生反作用力，推动其向前飞行，通常用作高速飞机的动力。涡轮喷气发动机的特点是推力大，质量小，速度性能好，应用广泛。将涡轮喷气发动机安装在快艇上作为推进的动力，依靠超空泡技术的减阻和涡轮喷气发动机的大推力，并通过系统的自动控制，能够实现高速航行，但目前尚没有应用在船舶上的案例。

发明内容

针对目前现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种巧妙结合飞机和船艇的相关特性、能够实现中小型快艇在水中减阻并进行高速航行、在水中利用超空泡技术并利用涡轮喷气发动机作为动力系统、有接近200千米/小时的速度、能维持长时间稳定航行的超空泡水面高速艇。

本发明的目的是这样实现的：

超空泡水面高速艇，包括水下潜体、支架结构及上层建筑；水下潜体由浸入水中的两个装有空泡发生器的下潜体23组成，空泡发生器包括空化器10、导气瓦13、排气孔14和引气槽16；支架结构连接水下潜体和上层建筑，依托在水下潜体上，支撑艇体上层建筑；上层建筑包括涡轮喷气发动机8、驾驶员舱5、乘务员舱4、S进气道7、尾焰处理喷口9，内部包括电源系统1、中央控制系统6、空气滤清装置2、空气压缩系统3，所述的上层建筑设计呈倒V字形，前缘部分设计成由减阻的形式的锥面组成；所述下潜体23类似一个长浮筒，由前部圆锥、中部圆柱和尾部倒圆锥回转体构成，圆锥前部有圆盘状的空化器10、空化器偏转伺服器12和引气槽16，空化器10的中心通过转动副15与下潜体23尖头的固定转轴支座连接，空化器10的一侧通过推杆11与空化器偏转伺服器12相连接，通过固定件固定；引气槽16一端有排气孔14，排气孔14的外部有导气瓦13，导气瓦13固定在引气槽16外表面；圆柱部分有方向舵、通气管道17、燃油箱18、输油管道19、供油系统21、减摇鳍和控制舵作动系统20、减摇鳍和偏转作动系统22；涡轮喷气发动机8安装在艇体内部并在水面之上；空气滤清装置2和空气压缩系统3在空气进气口处，空气进气口通过S进气道7与涡轮喷气发动机8连接，涡轮喷气发动机8与尾焰处理喷口9连接。本发明与现有技术相比，有益效果在于：

超空泡水面高速艇相比于普通快艇，依靠超空泡技术进行减阻，由于下潜体23被空泡包裹，不与水直接接触，相比于其他减阻方式更加高效，并且通过系统的自动控制，能够实现比普通快艇更高的速度航行，采用了涡轮喷气发动机8作为快艇的动力系统，推力大，质量小，速度性能好。

附图说明

图1为超空泡水面高速艇设备布局图1。

图2为超空泡水面高速艇设备布局图2。

图3为超空泡水面高速艇正前方向结构布局三维视图。

图4为超空泡水面高速艇尾部方向结构布局三维视图。

图5为超空泡水面高速艇下潜体23中的部件布局图。

图6为超空泡水面高速艇下潜体23中的空泡发生器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

针对设定的具体船型外廓尺寸(如长：20米，宽：12米，吃水：2.5米)，和航行速度(如80-100节)指标，开展超空泡水面高速艇的布局和技术设计。具体实施方式如下：

对超空泡水面高速艇进行船型构成：

对水下潜体进行设计，根据超空泡水面高速艇超空泡航行时所受的阻力、空泡的形态以及非超空泡状态航行、静止时产生的浮力，给出水下潜体的长度、最大直径及空化器直径。考虑航行的稳定性，设定减摇鳍和方向舵。

对支架结构进行设计，将迎水面设计成流线型，内部空腔，便于上层建筑的管路通到下潜体23，腔体厚度满足高速运动中的强度和刚度要求。通过超空泡水面高速艇不同典型工况下的力学分析，进行强度与刚度的计算，给出合适外廓尺寸及结构形式的支架结构。

对上层建筑进行设计，根据运动中减阻、稳定性及隐蔽性的需求，将上层建筑设计呈倒V字形，前缘部分设计成由减阻的形式的锥面组成，内部的空间满足所需设备和有效载荷的装载要求。考虑重量轻、强度高及耐腐蚀的要求，上层建筑材料选用玻璃钢材料，具体如图3和图4所示。

对超空泡水面高速艇进行布局方式的设计：

分析结构功能、装备及部件的用途，采取合理的布局方式，减少相互间的干扰，保证结构功能、设备及部件用途能很好地发挥，以维持艇的最佳布局设计。结构、装备及下潜体23部件布局如图1，图2和图5所示。

对超空泡水面高速艇的流体动力特性进行计算：

对空泡的形状进行计算，针对超空泡水面高速艇航行时，下潜体23周围的超空泡状态，分析空泡的长度、直径与通气压力、航速及空泡阻力系数等因素的关系，建立空泡形状的计算模型，根据给定的具体参数完成空泡形状计算。依据势流理论，结合空泡独立扩展原理，通过超空泡水面高速艇的时间步姿态，给出空泡的椭圆外形的长度及最大直径。

针对超空泡水面高速艇航行时，艇体水上和水下部分所呈现的水动力特点，分析影响阻力、升力及侧向力的因素(如速度、空化器偏角、空化器直径、海浪波及上层建筑的外形等)，建立力的计算模型，根据给定的具体参数完成阻力、升力、及侧向力计算。采用N-S方程，考虑水、蒸汽及通入的非凝结气体多相介质存在的对流、扩散、相变、及超空泡水面高速艇航行时非稳态特性，借助于出数值求解多相介质存在的输运方程、动量方程、湍流模型及航行体运动方程，获得超空泡水面高速艇航行时阻力、升力及测向力计算模型。

对尾部滑行力进行摸底试验及建模，首先设计合理的通气量，在水洞中形成一个壁面光滑的透明超空泡，然后将设计和制造的滑行力测试圆柱，通过驱动机构冲击圆弧水表面，采集、分析数据，根据主要的无量纲参数，在空泡中通过相似理论，给出不同圆柱、不同冲击速度及不同角度倾斜冲击圆弧时滑行力经验公式，分析影响滑行力的因素(如潜体直径、入水深度、水流速度及浸湿面积等)，经统计和理论分析给出尾部滑行力的计算模型。对于尾部滑行力摸底试验的滑行力测试圆柱模型，考虑预留压力传感器布置孔、设计采集系统的线路走向及模型的支撑部件。给出一套两自由度的模型驱动机构，该机构能使得圆柱模型以垂直和水平方向都有速度分量的方式浸湿圆弧形空泡表面。将压力传感器布置在圆柱形模型表面，采用多通道动态数据采集箱和动态数据软件，采集和分析数据。将得出的经验公式与理论解比较，修正完善理论模型，完成滑行力的建模。

超空泡水面艇的通气技术，包括空泡与潜在高速运动时最佳匹配的参数优化和空泡稳定的通气方案设计：

对空泡与超空泡水面高速艇高速运动最佳匹配的参数进行优化，建立优化的数学模型，以航行阻力小、运动稳定性好等参数作为优化目标函数，以空化数、阻力系数及空化器10的外形、偏角等因素作为约束条件，采用最佳矢量法，给出优化的计算程序。

设计保证空泡稳定的通气方案，方案设计时，考虑通气率、通气量及通气压力等因素，与空化器10偏角对空泡状态稳定性影响。同时开展通气控制方案研究，依据空泡压力变化，给出维持空泡稳定的控制方案，该方案要考虑三个系统：供气系统、数据采集及控制系统。建立空泡失稳的临界条件，通过与通气控制系统有效配合，时时监测空泡形态的变化，控制空气压缩机给出满足空泡稳定要求的通气率、通气量及通气压力的通气方案。对于通气方案中的供气系统由空气压缩机产生压缩气体，提供产生空泡的气源。数据采集和控制系统主要由热式气体质量流量计、电动调节阀、数据采集及流量控制电路三部分构成。

对超空泡水面高速艇高速航行时的稳定性进行设计：

对纵向稳定性进行设计，考虑任意小扰动使超空泡水面高速艇在垂直面偏离一个小角度后，通过建立超空泡水面高速艇运动的动力学方程，给出影响的收敛性因素，分析空化器10的外形、偏角及艇体重心位置对纵向(垂直面)的稳定性影响，对空化器10的外形、偏角及艇体重心位置进行设计。

对横向稳定性进行设计，当超空泡运动出现滚转角时，建立动力学方程，分析尾舵和鳍的结构形式、相应的恢复力矩对横向(水平面)稳定性的影响，选择合理的剖面和外形，由此给出重心位置、舵和鳍的结构形式设计。

设计超空泡水面高速艇的控制方案：

选择操纵面的配置方案，依据超空泡水面高速艇水动力分析和空泡环境下运行的控制特点，由理论论证和计算机仿真，分析超空泡水面高速艇操纵面外形、结构及工作方式对超空泡航行的影响，进行操纵面(如空化器10、尾舵)的选择和配置。操纵面的配置考虑选择下潜体23前部的空化器10和后部的尾舵，这样配置能提供航行中所需的纵向和横向控制力和力矩。

设计控制算法及控制器，针对超空泡水面高速艇的非线性环节及延时等特点，依据滑行力的估算公式，分析滑行力变化规律，抓住其中的主要部分研究，与延时性等一同放到超空泡水面高速艇的数学模型中，以PID控制算法为基础，在PID控制算法的基础上，采用自适应、模糊及神经网络等算法对控制规律中的参数进行优化，给出一种满足实时控制需求的改进的PID算法。并将得到的控制规律代入非线性模型中进行仿真，直至获得满意的控制效果。然后根据求得的控制规律，设计控制器模块。将模块放入半实物仿真系统中进行半物理仿真，不断调整控制器参数，使半实物仿真输出满足要求，最终完成控制器设计。

对超空泡水面高速艇半实物进行系统仿真，针对超空泡水面高速艇的特性，设计适于超空泡航行时运动特性分析、控制算法验证的半实物仿真系统方案，合理配置半实物仿真系统各环节，搭建半实物仿真系统的硬件和软件平台，该系统由仿真计算机、姿态模拟、负压模拟系统、航行控制器及超空泡水面高速艇部分组件等组成。为保证仿真实时性，在硬件选型及设计方面，设计快速响应负压模拟系统，各设备间采用高速接口。同时，在半实物仿真软件设计上，采用高速的通讯传输协议以减少指令传输延迟时间，并对各部分程序进行优化，以保证半实物仿真的实时性。

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，将设定的超空泡水面高速艇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、控制系统、传感系统及相应配件。给出试验方案，首先在水池中进行试验，求出缩比模型的航速、重量等参数，查看超空泡水面高速艇的运动规律、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。

Claims (1)

1.超空泡水面高速艇，包括水下潜体、支架结构及上层建筑；水下潜体由浸入水中的两个装有空泡发生器的下潜体(23)组成，空泡发生器包括空化器(10)、导气瓦(13)、排气孔(14)和引气槽(16)；支架结构连接水下潜体和上层建筑，依托在水下潜体上，支撑艇体上层建筑；上层建筑包括涡轮喷气发动机(8)、驾驶员舱(5)、乘务员舱(4)、S进气道(7)、尾焰处理喷口(9)，内部包括电源系统(1)、中央控制系统(6)、空气滤清装置(2)、空气压缩系统(3)，其特征在于：所述的上层建筑设计呈倒V字形，前缘部分设计成由减阻的形式的锥面组成；所述下潜体(23)类似一个长浮筒，由前部圆锥、中部圆柱和尾部倒圆锥回转体构成，圆锥前部有圆盘状的空化器(10)、空化器偏转伺服器(12)和引气槽(16)，空化器(10)的中心通过转动副(15)与下潜体(23)尖头的固定转轴支座连接，空化器(10)的一侧通过推杆(11)与空化器偏转伺服器(12)相连接，通过固定件固定；引气槽(16)一端有排气孔(14)，排气孔(14)的外部有导气瓦(13)，导气瓦(13)固定在引气槽(16)外表面；圆柱部分有方向舵、通气管道(17)、燃油箱(18)、输油管道(19)、供油系统(21)、减摇鳍和控制舵作动系统(20)、减摇鳍和偏转作动系统(22)；涡轮喷气发动机(8)安装在艇体内部并在水面之上；空气滤清装置(2)和空气压缩系统(3)在空气进气口处，空气进气口通过S进气道(7)与涡轮喷气发动机(8)连接，涡轮喷气发动机(8)与尾焰处理喷口(9)连接。