水翼艇专题知识专业知识讲座课件.ppt

1、本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。9-1 水翼艇的发展产生原因国外及国内发展状况本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。水翼艇产生原因由船舶阻力的规律知道，粘性阻力正比于航速的平方，而兴波阻力约略正比于速度的六次方，船舶的阻力随航速的提高而迅速增加。减少船的阻力，尤其是兴波阻力是建造高速船舶必须考虑到的问题。20世纪后，船舶上开始增加水翼,大为减小船舶高速航行时候的兴波阻力，当发展成为自动控制的水翼艇，改善船舶的适航性，并且逐步成为水翼艇发展的主要依据本文档所提供的信息

2、仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。如图是水翼艇在不同航速下的阻力与其他船型的阻力比较曲线本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。水翼艇的发展概况1891年法国拉贝尔首次发明水翼艇1947年美国开始水翼艇的建造，设计了排水量50t,航速30节的“海脚”号水翼艇1957年开始苏联建成了多种型号的水翼艇，其抗风性和长途航行表现的良好状态得到广泛认可1960年开始，美国开始建造用于军事领域的一系列水翼艇，包括“高点”水翼艇（63）、“普兰伟尤”号340t反潜试验艇（69）本文档所提供的信息仅供参

3、考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。1958年我国开始对水翼艇的建造进行研究，交通部船舶设计院设计的小型水翼艇取得初步成功1958年上海船舶科学研究院和上海交通大学设计了铝制水翼客船。1988年中国船舶科学研究中心设计的一艘铝制水翼艇航行于广州至肇庆的航线上。90年代，我国黑龙江流域、长江流域、广州沿海等的多条航线上相继引进了俄罗斯制造的水翼艇。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 9-2 水翼艇的工作原理 水翼工作原理 水翼的阻力 浅浸效应 空泡现象本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为

4、科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。一、水翼工作原理水翼是水翼艇的基本部件，一般有产生升力的翼板、翼板和艇体间连接的支柱以及其他一些附件组成。水翼的升力特性主要取决于翼板的几何特征，这些要素主要指水翼的弦长、平面形状、前视形状、翼剖面形状等本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（一）主要的几何特征及水动力特性 1.主要几何特征 翼展：水翼横向两端间的距离，用b表示 翼剖面：垂直于翼展的横剖面 翼弦：翼剖面前缘与后缘之间的连线，其长度为弦长，用c表示 展弦比： (矩形)； (非矩形) cbASbA2本文档所提供

5、的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 水面形状的特征参数 后掠角：指倒边1/4弦长的连线与横轴的夹角，用 表示。 尖削比：翼端部弦长和中部弦长之比 和 之比表示。 水翼前视形状的特征参数，是上翻角，用 表示。 翼剖面形状有多种，其中常用的有平凸弓形、凹凸弓形、机翼形和全空泡翼型。tcrc本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。

6、文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。2.水动力特征 水翼在水中运动时能产生平衡水翼船重量的升力，流体方面的作用力包括垂直于水翼表面的水动压力以及切向力。这些力合成力为水动力主向量P和水动力主力距M。主向量在运动方向和垂直方向的投影分别为水翼的阻力R和升力L。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。2.水动力特征其中： SCLL221SCRR221cSCMM221其中 分别是升力系数、阻力系数和纵倾力矩系数。 升力系数与阻力系数的比值

7、K，称为升阻比，代表水翼流体动力性能的优劣MRLCCC,RLCCRLK本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（二）水翼的升力1.升力的形成视水翼在水中做匀速直线运动为均匀水流以同样的速度流向静止的水翼。由于翼剖面是不对称的，且弦线和水线间有一夹角，故水翼周围的水的流动情况是上下不对称的。上表面流速大，相应的压力就小，下表面流速小，则压力大，水翼上下表面的压差构成了水翼的升力。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（二）水翼的升力2.升力的计算（1）无限翼展水翼（二元水翼）

8、 假设：翼剖面是薄翼，机翼翼展无限长，流体无粘性，是理想流体的势流运动。 升力系数为：（2）有限翼展水翼（三元水翼）实际水翼是不可能无限长的，由于翼端的存在，翼上下表面处于高压区的水流向上表面低压区流动的趋势，使水翼附近的水流产生一个向下的诱导速度 ，它与原来的来流速度汇合，相当于使来流偏转了一个角度 ，成为下洗角 升力系数为：)2(2)2(2fcfCL)(0iLCiiv本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。如图（9-11）下洗角（3）水翼平面形状对升力的影响下洗角的大小和机翼的平面的形状有关，当翼的平面形状是椭圆形的时候，其升力沿

9、展长方向也是椭圆分布，下洗角为对于非椭圆平面形状的机翼，需要用修正的方法进行ACaLi)1 (ACaLi本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。对于平面形状为矩形的机翼， 值由图(a)表示，对于两端直线斜削的平面形状机翼，修正系数由图(b)所示。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。二.水翼的阻力水翼在水中运动，除产生升力外还受到一定的阻力，水翼的阻力分为翼型阻力，诱导阻力和兴波阻力三部分。翼型阻力是由于液体粘性引起。兴波阻力和诱导阻力与液体粘性无关，可用计算方法确定。本文

10、档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 1.翼型阻力 ：是有液体粘性引起的，包括摩擦阻力和形状阻力。 实验证明，流体的粘性仅在靠近运动物体的很薄一层流体中才明显地显示出来，这一薄层称为边界层。 （1）水翼的摩擦阻力取决于边界层流动的状态。 边界层的流动状态分为：层流、变流和紊流vC本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。边界层的流动状态，取决于流体速度、粘度和特征尺度，一般用雷诺数 表示。当 时边界层内的流动为层流 当 时边界层内的流动为紊流当 时边界层内的流动为变流 eRlR

11、e5103eR573 103 10eRefRC327. 12.580.455lgfeCReefRRC1700lg455. 058. 273 10eR 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（2）形状阻力 在粘性流体中，由于粘性损耗翼剖面后部的压力比理想流体中要小，造成压差阻力，而这个阻力主要取决于翼剖面形状，因此叫形状阻力。这样对于翼型阻力可以采用整体估算方法：)602 . 1 (24eeCCfp)(1)101 (222LpfvCeCCCC本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站

12、删除。2.诱导阻力 ： 从有限翼展机翼在理想流体中流动状态的分析中可以看到，由于翼端绕流相当于是来流向下偏转一个角度 ，使通过水翼的来流速度由原来的 变为 。这时作用在水翼的水动力，除升力外，还有与流向相反的力，成为诱导阻力。 由公式可以得知，诱导阻力除了与升力有关，还与水翼的展弦比和平面形状有关，平面形状为椭圆的机翼诱导阻力系数为：DCiVeVACaCCLiLDi2本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。其他平面形状的诱导阻力系数为：其中修正系数 与展弦比A和尖削比有关。)1 (2ACCCLiLDi本文档所提供的信息仅供参考之用，不

13、能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。3.兴波阻力 ： 由于自由表面的存在，水翼在自由表面附近工作将引起兴波阻力，兴波阻力与浸深和傅氏数有关。 水翼浸深：水翼压力面1/4弦线处至自由表面的距离或者是水翼前缘或后缘至自由表面的距离，以h表示，相对浸深是水翼浸深与弦长之比 兴波阻力系数：wC)21 (2222ccLwFrFrCCchh 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。在一般情况下水翼的兴波阻力占总阻力的比重很小，在估算阻力时经常可以忽略不计。水翼的总阻力是以上三个阻力之和。因此，总阻力系数可用下式表示：

14、WDVTCCCC本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三、浅浸效应以上介绍水翼的水动力特性时，都假定水翼在相当深的水(4c-5c)中工作，实际水翼应考虑水动力特性、结构强度等多方面因素，不可能在那么深的水中工作。当水翼的浸深较小，由于水和大气交界处的自由表面的存在，使水翼的特性发生了变化。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。浸深在 的范围成为浅浸效应区（稳定区） ，在该区域工作的水翼称为浅浸水翼。5 . 1/ ch 冲角一定情况下本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为

15、科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三、空泡现象当水翼的运动速度足够高时，翼背上的压力降到水的饱和气压，水开始气化，形成空泡。空泡形成以后，流动就再也不是连续的了。水翼的一部分仍与水接触，而另一部分则与空泡水蒸气接触，这样的流动当然要比全绕流情况有所不同。空泡会对水翼的流体动力性能产生恶化影响，必须要改善水翼，适应空泡的影响。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 9-3 水翼系统的设计 水翼的类型和水翼系统 水翼要素的确定 水翼装置的上翻和收缩 水翼结构及强度计算 水翼的自动控制本文档所提供的信息仅供参考之

16、用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。一、水翼的类型和水翼系统 根据水翼本身的水动力特点，使用以及性能要求的不同，水翼种类繁多，本节仅就主要类型及特点做简单的介绍本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。水翼的特点 浅浸水翼的特点：不加控制，艇可以在净水中稳定航行，结构简单，使用方便。缺点是浸深小，遇到风浪，水翼容易出水产生拍击，自稳性有限，艇在风浪中摇摆较大，适航性较差。 割划式水翼特点：自稳性好，有翼

17、面积储备，有利于艇的起飞，增加翼航速度的范围，改善风浪中爬浪性能和翼航能力。缺点是对波浪干扰敏感，摇摆和垂向加速度大，水翼割划水面有一定升力损失，降低了升阻比，收放复杂本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。深浸式全浸水翼特点：没有自稳性，需要控制系统保证稳性，对波浪的干扰不太敏感，有优异的适航性，容易实现水翼上翻。水翼系统水翼系统1. 艇上必须是一个完整的水翼系统，才能保证用翼航行。这种系统有两类，即单水翼系统和双水翼系统。2. 单水翼艇：航行时首部艇体由水翼支撑脱离水面，而尾部仍在水面滑行。 双水翼艇：艇的前后都装有水翼，航行时艇

18、体完全离开水面。（飞机式，鸭式，串列式三种配置方案）本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。双水翼艇分为如下图所示本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。二、水翼要素的确定从服从艇的快速性、适航性、水翼强度、纵横稳性、空泡特征、操纵性、推进要求、艇的布置及结构等特点考虑，适当的选取水翼要素是很重要的。水翼要素的内容前面已经提到过相关理论，但是还得需要相应的实验完成修正。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三、水翼

19、装置的上翻和收缩随着艇的排水量和对水翼艇适航性要求的不断提高，水翼支柱高度不断提高，但同时产生了水翼艇无法进入水深有限的港口，所以水翼的上翻和收缩，成为水翼艇使用中需要考虑的问题。水翼的收缩方式有：侧翼收缩垂直提升收缩纵向回转上翻横向回转上翻本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。四、水翼结构及强度计算（一）水翼结构：实心结构：由一整块材料经切削加工成一个水翼单体，适用于尺寸较小的水翼。空心结构：水翼内部为空心，由翼板、翼尖、加强筋等部件组装成水翼单体，适用于尺寸较大的水翼，如下图。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请

20、勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（二）许用应力和材料 把危险应力（取材料抗拉屈服极限）除以安全系数n即得许用应力。安全系数，n一般采用n=2.02.5 对稳定载荷n=1.252.0 对偶然载荷根据水翼承受的载荷，对水翼材料有以下基本要求（1）足够的机械性能和弹性模数（2）良好的机加工和焊接性能（3）较好的耐蚀性 常用 904or922等钢材，钛合金强度高，耐腐蚀性好，用量少，逐成趋势本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。五、水翼的自动控制水翼控制是改善水翼艇适航性的重要途径。水翼自动控制有三大类型：机械式自动控制通气

21、控制装置电子自控装置本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。9-4 水翼艇的性能 水翼艇翼航状态下的吃水和阻力 水翼艇翼航状态下的稳性 水翼艇的适航性 水翼艇操纵性特点本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。一、水翼艇翼航状态下的吃水和阻力由于高速翼航时艇体脱离水面，艇体水下阻力不存在而只有水翼阻力。这里讨论的水翼艇的阻力主要是翼航以后的阻力，而不涉及起飞以前的阻力。（一）翼航时航态的确定通常艇的设计航态是按照设计要求选定的，根据艇的重心位置和首尾水翼的符合分配确定水翼的纵向

22、位置；按照水翼的升力要求确定水翼的浸深和冲角。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（二）阻力的计算1.水翼阻力：可以参照9.2节介绍的公式计算2.支柱阻力：包括粘性阻力、喷溅阻力、支柱与水 翼的干扰阻力3.附体阻力：轴、舵、桨、人字架及其他突出部分的阻力4.空气阻力：水翼艇在翼航时，船体不与水接触，船体受到的空气阻力本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。二、水翼艇翼航状态下的稳性水翼艇静浮时的稳性与排水船没有任何区别。在翼航时，船体完全与水隔离，艇的稳性靠水翼保证，这里

23、讨论的是水翼艇翼航时候的稳性。水翼的稳性包括：纵横稳性和垂向稳性。对于排水船来说，因为要靠水下容积提供浮力都具有良好的垂向稳性，对于没有自由液面影响的深浸水翼不存在垂向稳性，必须通过特殊的装置加以保证。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。水翼的垂向稳性（1）对于深浸翼依靠操纵水翼，使其在收到外界扰动时产生所希望的垂向力，即通过升力来控制保证垂向稳性。（2）对于浅浸翼，靠自由水面的浅浸效应来调节升力。因为浅浸翼在浸深减小时升力也相应的减小，满足垂向稳性的要求，浅浸翼要求相对浸深 0.5 。h本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科

24、学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。(3)采用割划翼，靠随着水翼吃水的变化改变水翼的面积来改变升力，如V型割划翼，具有水翼面积随水翼浸深而增大的特点，以保证水翼的垂向稳性。水翼的纵稳性水翼的纵稳性水翼的纵稳性依靠前后水翼的升力调节来提供。对于可操纵的深浸水翼，升力的调节可以根据需要来控制，主要是合理地设计控制系统，对水翼本身无甚苛求。把升力随浸深的变化率成为水翼的刚度；升力随冲角的变化率称为水翼的阻尼，为保证垂向及纵稳性，必须满足下面两个条件：（1）首翼具有较大的刚度和较小的阻尼（2）首翼的刚度大于尾翼的刚度本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档

25、如有不当之处，请联系本人或网站删除。水翼的横稳性水翼的横稳性横稳性需要人为调节水翼升力来保证，使之产生横摇回复力矩。固定式浅浸翼或割划翼则具有横向自稳性。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三、水翼的适航性适航性问题包括很广泛，如艇在波浪中的运动响应，冲击加速度，喷溅上浪，推进器出水，失速，波浪中的稳性，操纵性，而波浪中的运动响应时基本问题，在本节中将主要讨论。（一）水翼艇在波浪中的运动方式这里主要讨论纵向的运动响应，根据波浪的大小不同可以分为下面三种形式本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处

26、，请联系本人或网站删除。平台运动方式：艇的重心轨迹做水平直线运动，不受波浪起伏的干扰影响。随波起伏方式：艇的重心轨迹与波面平行，艇完全随波浪起伏。中间响应方式：艇的运动介于以上两者之间本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三、水翼艇操纵性特点（一）固体式水翼艇：依靠水舵进行操纵，其操纵性取决于水下侧投影面积的大小及分布。固体式水翼艇回转性问题上应注意的两点：1.回转时产生的漂角：使水翼支柱处于有漂角的来流之下，相当于支柱对称剖面在相当大的冲角下工作，很容易在支出一侧产生巨大负压而产生空泡。2.采用适当的水翼形式可以使水翼艇回转产生向

27、回转圈内侧倾斜：本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。（二）自控水翼艇自控水翼艇的操纵性依靠自控系统来实现，可以通过水舵进行操纵，也可以通过襟翼控制来实现操纵。即舵或舵与支柱襟翼的联合作用和主翼襟翼的差动作用本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。THE END