近年来,多体船的发展引起了人们极大得兴趣。在设计中最主要关注的是减少多体船的阻力,尤其是利用各体之间产生相互干扰的波浪来减少兴波阻力。多体船有很多优点,如较大的内部空间、甲板面积,更好的横稳性,良好的适航性能,通过各船体的布置、改变各船体的船型有更多可供选择得方法来减少兴波阻力。
三体船1
三体船2
三体船3
三体船的发展
90年代英国研究三体船的研究取得了一定的成果。澳大利亚、美国、俄罗斯等国相继对三体船进行广泛研究。目前世界各国建造的三体船大致有两种形式。
(1)英国FBM Marine公司开发的Tricat三体船
1995年,FBM Marine公司为香港cTS Parkview渡船公司建造第一艘香港一澳门航线的Tricat三体渡船“Universal MK 2001”号Tricat三体船为2个非常细长片体的中问布置了1个伸出片体外的船首,形成了1种双体船加1个船首的三体船,。Tricat三体船由于加了1个船首增加首部的浮力,在波浪上缓和了船首砰击和船体的纵摇运动,使船的适航性能得到改善。其船体细长,在较高速度下,具有较好的阻力性能。“Universal MK 2001”号三体船总长45 in,宽11.8 in,吃水1.45 m,旅客定员318人 该船选用2台Solar Taurus60M 燃气轮机,每台持续功率为4 200 kW ,转速13 000 r/min,通过减速齿轮箱驱动KaMeWa 90 S I1喷水泵。“Universal MK 2001”号实船适航性试验是在波高1.5m下进行的。在主机全功率、不同航向下,该船船首上浪少,有较好的甲板干燥性,而且主机能发挥全功率。在迎浪中,该船失速约2kn。实船试验和航行实践有力地证实Tnical三体船的优点。
1999年7月+澳大利亚Austal公司为德国AG Reederei Frisia航运公司建造的Tricar三体旅游船“CatNo 1”号在德国北部海湾投人营运。该船总长5260Irt+宽12.99in,吃水1.5in+旅客定员432人。该船采用4台MTU 16V 4000M70柴油机.通过ReintjesVLJ 930减速齿轮箱驱动4台KaMeWa 71S11喷水泵,满载航速达到42 kn。“CatNo.1”号在7级风、浪高2 5n 的海浪下能消除船首砰击,并且有效地减少船在浪高2.5 m 以上的海浪中的纵摇运动。
1997年8月美国建造的第一艘Tricar三体客船“Sassacus”号进行码头试验、速度试验和尾部波高测量,试验结果证明该船性能令人满意。
(2)英国造船工程师Nigel lrens开发的Trimaran三体船。
Trimaran三体船为1个细长船体和两个舷外浮体相结合形成的一种三体船这种Tri—tnarall三体船的快速性能和稳性可以分开考虑:设计者可以根据重量要求决定船体的长度、宽度和船型系数以获得最佳阻力性能。船的稳性可以由两侧舷外的浮体来补偿。如果1个舷外浮体受损,另1个舷外浮可以自动凋节,补偿稳性损失。1988年,Nigel lrens设计的第一艘TriFtlaran三体船“llan Voyager”号长21 3 m,载重量5 5 t 该船主机功率180 kW"时,航速28kn,航行时船体十分平稳,乘坐人员感到十分舒适。试航时,“llanVoyager”号不加油环绕不列颠岛航行,花时72 h 24min,平均航速21 5 kn,燃油消耗2 000 L。航行实践证实了Trimaran三体船在航速和续航力方面是十分成功的。
近年来,英国国防研究部设计了排水量为5 828 t的 Ffilnaran三体护卫舰。该舰的特点是中间主船体长160 m,舰体十分细长,其长宽比L /B =14 41。主舰体的两侧分别布置1个约为主舰体长度1/3更细瘦的舰体,形成了1种具有中间宽大,首、尾尖瘦的舰型。采用三体船型的护卫舰,其生存能力和隐形性能有很大提高,建造费用也比单体船低,因为三体船的特殊结构允许采用简化的推进系统和电力系统。在航速、耐渡性和作战系统的布置方面三体船也比单体船更具优势。
1993年泰晤士渡船公司建造了第一艘长12 2 m 的高速Trimaran三体水上出租车“埃比尼泽-斯克鲁奇”号。该船的特点是,中间为长宽比L /B=10的细长主船体,舷外两侧的船体为主船体的一半长度,形成Trimaran三体船。
“埃比尼泽·斯克鲁奇”号主船体尾部装1台Sabre350C柴油机,额定功率为257 kW ,驱动一套PP140喷水推进器。两侧船体起消渡、稳定作用、该船在试航和使用中反映出良好的快速性、机动性和稳定性。
高速三体船具有良好的经济性、宽敞的甲板面积和良好的安全性、较好的舒适性和灵活的操纵性等优点,无疑是一种很有发展前途的新船型。三体船的结构、性能特点
采用三体船的主要目的是降低兴波阻力。因为双体船通常两片体是并列的,两片体兴起的波浪在船长方向是同步的,即具有两组相同相位的横波。如果两片体间距不是足够大的话,它们之间必然要叠加,而使波高增大。若欲使两片体间的波产生有利干扰必须使两片体前后错位,这对双体船来说将使其受力不对称,在使用上带来了诸多不便,三体船则可以在确保船体左右对称的前提下使片体相互间有纵向错位以产生相互干扰的横波阻力。
三体船大体分为两类:
一类3个片体尺度基本相当,包括三个片体相同的常规水面船形式、三个片体相同的小水线面船、中间片体为常规水面船而两侧片体分别为中间片体之半其外侧平直。另一类三个片体尺度差别较大,包括两个大片体带一个小片体或者一个大片体带两个小片体。目前研究较多的是一个大片体带两个小片体的形式。
在阻力方面,为了获得良好的消波效果,三体船各片体需要前后错位,这就使三体船与同等排水量的单体船和双体船相比,其总长度较大。三体船的宽度通常比同排水量的单体船双体船要宽。这是因为三体船的片体宽度往往比单体船双体船窄。如果总宽于它们相同其水线面对纵轴的惯性矩必然下降,导致横稳性下降,为确保横稳性,往往要加大总宽。另外若总宽相等,三体船的片体间距只有双体船的一半。片体间距过小易于形成水流阻塞,对阻力也是不利的,而三体船的吃水往往比双体船小,因为若保持同样的片体长宽比,三体船水线面面积的总值要大于相应的双体船,在同等排水量下其吃水就要浅一些,所以三体船可用于某些浅水特殊航区。三体船的甲板面积则由于长度和宽度的增加而比相应的单体船双体船要大,这也是三体船的优点之一。
在推进方面,对于三个片体尺度相当的三体船往往采用3个螺旋桨。与单体船和双体船相比,大大降低了螺旋桨的负荷,也可以使效率有所提高。但是相应带来的问题是动力装置较复杂,动力装置重量增加,以及成本提高,还有因为片体较小使动力装置的布置也较困难。对于带浮子的三体船,尤其是中间大船体带两个侧浮子的形式,无论在结构重量和使表面面积上都会更有利些,因而阻力也较小。但是一般说来浮子中较难布置动力装置,所以常常不得不采用单桨,这对于水面船片体会使效率降低,对小水线面片体则可使螺旋桨直径增大而获得补偿,若能采用同轴对转螺旋桨则更为理想,但是技术相对较复杂。
总之,从阻力性能出发,三体船只要对不同的Fr数,相应地选定合适的片体纵向错位距离,都可以获得兴波有利干扰,从而降低阻力。但是对应较高的速度,片体纵向错位距离相当大,这样会带来使用上的困难,因而从这个角度考虑,三体船的速度范围Fr=0.4~0.6,这正是双体船的不利干扰区。
在耐波性方面,三体船一般也要优于同排水量的单体和双体船型。首先,横摇欲纵摇固有频率与相应的单体船双体船要低得多,从而横摇和纵摇得周期相对较长,这对较小排水量的船来说意味着对应的共振波波长更大一些,表明抗浪能力的提高。其次,三体船在波浪中的冲击也较单体船和双体船缓和。这是因为波浪在冲击通常集中在前三分之一船长区域,中后部所受冲击很小。而三体船的水线面积较集中的后部,相对而言前部受冲击的面积较小,冲击力也相应较小,基于此三体船可以适当降低连接桥甲板的高度,使其与水面间隙减小,从而降低了整个上层建筑的高度和重心,也使结构重量减小。另外,试验表明,在同样的湿面积下带浮子小水线面三体船在顶浪、顺浪、横浪时的耐波性均不差于小水线面双体船。