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总师说船25:铸就梦想——敢于创新,精心设计“美国”号(6.63)

发布日期:2017-12-27 来源: 中国船舶设备网 查看次数: 92 作者:admin
核心提示:“美国”号螺旋桨设计师吉布斯不善交际,更不风流倜傥,不知道如何讨好女人;但是在他公司里,他欣赏、重用有才能的知性女士。例如,在承接“圣之系列”邮轮时,他聘用一位经验丰富、极其自信的室内装饰设计师多萝西·马克尔瓦尔德女士,一位未婚而事业有成的女士。她设计的占两层甲板高度的晚餐沙龙的天花板,在热带温暖的夜晚,可以升起,于是乘客们可以在星光下享用浪漫晚餐或翩翩起舞。图 1 伊莱恩&midd

  “美国”号螺旋桨设计师

  吉布斯不善交际,更不风流倜傥,不知道如何讨好女人;但是在他公司里,他欣赏、重用有才能的知性女士。例如,在承接“圣之系列”邮轮时,他聘用一位经验丰富、极其自信的室内装饰设计师多萝西·马克尔瓦尔德女士,一位未婚而事业有成的女士。她设计的占两层甲板高度的晚餐沙龙的天花板,在热带温暖的夜晚,可以升起,于是乘客们可以在星光下享用浪漫晚餐或翩翩起舞。

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  图 1 伊莱恩·卡普兰工程师

  吉布斯尊重的另一位女性是伊莱恩·卡普兰工程师。这位在二战期间刚从亨特学院数学系毕业的本科生就被吉布斯设计公司录用,不久晋升为高级轮机工程师,后来竟被委任“美国”号邮轮推进系统的设计重任,并成为吉布斯创造性设计团队的关键人物之一。

  卡普兰工程师智慧、谦虚、友善、耐心,更具创造性天赋,且工作一丝不苟,从而赢得尊重与提升。“美国”号邮轮的一个相当重要的设计项目:该船的4个螺旋桨的设计就完全由这位女将挂帅。

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  图 2 外侧4叶,内侧5叶螺旋桨的“美国”号邮轮

  造船人皆知,大型高速邮轮的主机和螺旋桨所诱发的船舶振动是一个很困扰的难题。其主要罪魁祸首之一就是螺旋桨的空泡现象。

  卡普兰与纽波特纽斯船厂合作,对一个简单的设计思路,进行完善,竟得出一个被吉布斯认为是该船独特的设计成果,并对它严格保密。

  这是指卡普兰最初的设计是采用4个4叶、18英尺直径的锰青铜螺旋桨,并把它们的尾轴伸出船体处,设计了流线型的长轴包套;这样既有利于减小航行阻力,对船舶的稳性也有所改善。但是模型试验表明,船舶高速航行时的船体振动很大。此时,卡普兰与船厂的同事提出一个出人意料、新颖而大胆的解决方案,即把船舶外侧的螺旋桨仍保持4叶桨,而将其内侧螺旋桨改为5叶。改进后的船模自航试验表明该船的快速性有很大提高,全功率下的航速可达37节,而空泡现象大大减少,船体振动自然也降低许多。1977年凯恩的论文介绍,这两种螺旋桨的叶片均采用卸负荷设计,其叶梢处的螺距较0.7R处减小约17%,使得吸力面压力分布较为均匀,有利于延迟空泡起始和减小叶梢处的涡流。

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  图 3“美国”号长轴包套型式的轴系附体

  我的注释:一艘船配置2种叶片数的螺旋桨较为罕见。那何不把全船4个螺旋桨都更换为5叶?大概是考虑到外侧的4叶螺旋桨效率略高的缘故。

  上世纪50年代,不少高速水面舰船逐渐过渡到采用4叶桨,以替代3叶。例如苏联研制的56型驱逐舰。当隐身性、降低水下噪声成为战舰设计重点关注的问题时,开始发展到设计5叶螺旋桨,那是始于上世纪60年代,美国、苏联均是;而潜艇采用的螺旋桨叶片数则多达7叶。美国1977年服役的“佩里”级FFG 7型护卫舰是美国首次采用5叶、大侧斜、卸负荷螺旋桨的护卫舰。上世纪80年代,改革、开放终于为造船事业打开发展局面,我才能和同事们为053H2G型护卫舰自行设计5叶、大侧斜、卸负荷定距螺旋桨获得成功。我同学、上海交通大学空泡筒试验室的钱晓南教授为我们主持该螺旋桨模型试验研究,对我们帮助很大。

  钱晓南教授是我国螺旋桨研究设计专家。他治学严谨,勇于创新,善于从模型试验和实船使用实践获取真知实识。他一生参与水面、水下舰艇和民船的多型螺旋桨试验研究与工程设计,成果丰硕。他参与我国多项舰船螺旋桨国际技术合作的研讨,及时提出关键、正确的建议,很是宝贵。他对促进我国舰船螺旋桨研究设计进步起了重要作用。在他生前最后岁月,忍重病折磨,著书立言,留下宝贵经验。今年12月9日逝世,享年85岁。他的贡献与精神值得我们铭记与传承。

  长轴包套与轴支架的轴系附体选择

  我的注释:这两种型式孰好孰坏的选择权衡真是难以论断。“美国”号邮轮选择长轴包套型式,苏联著名的56型驱逐舰,在它首批的几艘舰上对采用双舵和轴支架型式的轴系附体以及采用单舵和长轴包套型式的轴系附体,做了大量的船模和实船比较试验后,最终为后续批量建造的该型舰选择单舵和长轴包套型式的轴系附体。据说,为此付出的代价相当于建造一艘该驱逐舰的一半造价。

  究其原因,应该是船体型线与所有附体型线的流体动力协调接合效果难以预期,至少需要通过船模试验才能予以确定,而这里又存在不同附体型式的阻力换算相关问题。对于高速舰船,处理不当,不仅引发航速达不到设计指标的重大问题,更会导致船体与桨叶的空泡剥蚀。可以说,从苏联的56型驱逐舰到我国首制驱逐舰的研制,在这方面都因此付出过代价,也积累了一定的经验。上世纪90年代初,承担为泰国海军设计建造F25T新型护卫舰,我们曾委托德国汉堡船模试验水池进行全套船模和桨模试验研究。藉此机会,我们了解到他们在轴支架加短轴包套附体阻力换算方面经验。接下来,我们通过实船测速试验,获得积极的验证结果,从而增长了我们对舰船流体动力设计的知识。这些都是难忘的经历。

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  图 4 苏联56型首制驱逐舰“平静”号的双舵、双臂轴支架

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  图 5 苏联56型后续驱逐舰“明亮”号的单舵和长轴包套

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