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作者 W80RAH (Theowl)
標題 Re: [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
時間 Sun Nov 20 00:45:22 2022

原文恕刪

針對原文推文討論的阻推簡單拋磚引玉一下，如有錯誤還請指教

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船隻在「靜水」下所需的馬力，簡化來說大概要考量船殼阻力、螺槳效率這兩部分

船殼阻力 = 0.5 × 海水密度 × 船速^2 × 浸水表面積 × 阻力係數

而所謂的有效馬力(Effective power) ─也就是實際傳遞到海水、將船向前推的馬力

其算法是 船殼阻力 × 船速

這也是最簡單估算馬力-速度的公式中，需要的馬力和速度成三次方的關係

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現在回頭看一下阻力公式，在船速相同下，能動手腳的就是浸水表面積和阻力係數這兩者

先提浸水表面積，為什麼慢速船隻常常比較胖？因為在阻力係數相同下


降低阻力的最好方法，就是在體積不變的狀況下，盡可能降低表面積

某種層面上，自由級這種滑航/半滑航(Planning/Semi-planning)船


也是利用高速下，船隻會像打水漂一下半浮在空中的特性降低浸水的表面積



那不是滑航的高速船呢？

高速船降低阻力，主要是針對阻力係數

阻力係數 = 摩擦阻力係數 × (1+形狀係數) + 興波阻力係數 + 其他
(有興趣的請自行參考ITTC-78)


形狀係數，簡單說就是越流線型越低，最極端的就是沒有「興波」的潛艦會長成的淚滴型


興波阻力係數，最簡單的方法就是降低船寬

二戰時細到誇張的軍艦或是雙體、三體船都是這個目的

(至於為什麼主流還是單體船？因為結構組的頭很痛，加強材放到超重還是各種應力集中)

船寬固定下，則是盡可能利用船隻線型的變化，讓設計船速下的低壓區和高壓區相互抵銷

打個比方，常見的球型艏，也就是製造一個船前方的小波浪


並讓這個小波浪的低點，正好和船艏產生波浪的高點相互抵銷

如此一來，能量就沒浪費在製造波浪上


而得知興波阻力係數的方式，除了半經驗公式例如Holtrop-Mennen(1982)之外

最佳的方式還是CFD模擬和拖航水槽實驗

CFD模擬這幾年越來越成熟，但拖航水槽要賺錢(X)電腦模擬有其算力上的極限(O)

通常還是會用CFD得到比較好的大略線型後，使用拖航水槽做實驗細修


題外話一下，拖航水槽是種燒錢的設施

凡有實驗必有誤差，不只是理論上不可、的比例縮放造成的誤差，還有各水槽的環境差異

所以，實務上，各家拖航水槽都有自己的獨門醬汁(X)獨門公式(O)


這只能靠不斷提升硬體與累積數據來精進

台灣在這方面資源不足又分散，導致各水槽狀況都不是很好

這幾年總算在國艦國造的風氣下稍微開始重視，希望能持續下去

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最後，別忘了船隻線型設計上，不是只有阻力是唯一的考量

諸如港口/航道限制、耐海性、操縱性、破損穩度...

最佳的船型？沒這種東西

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好不容易搞定了船型，接下來就是要挑顆好螺槳

螺槳設計牽扯到了有多少的馬力是實際將船向前推，多少則是在裝忙(X)

螺槳效率最簡單粗暴的做法就是加大直徑，但很明顯的這有其極限在

接下來還能動手腳的，包含了減少螺槳葉片的數量、改變葉片端點的形狀...

有趣的是，軍艦螺槳的設計常常會反其道而行

因為比起效率，軍艦更在乎的是降低震動噪音、增加螺槳強度...

油錢是什麼，能吃嗎？


另外，常讓造船工程師頭痛的是

螺槳運作效率要佳，那入流速度就要慢

換而言之，阻力最小的船型，往往不見得是整體需求馬力最少的

所以...那個好不容易搞定的船型？不好意思麻煩再改一...

(╯° Д° )╯ ┴━┴

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再題外話一下

常見的推進方式除了螺槳，還有水噴(Water jet)和莢式推進(Pod propusion)

水噴包含了淺吃水、高速下高效率與高操縱性的優點，但基本上在低速域的操控性不佳

姑且說，軍艦多數時間還是不會用25+節飆船的


這幾年興起的莢式推進則是在操縱性和震動都很優異，也免除了大軸佔去的空間與重量

麻煩的點是這基本上得是全電推船，線型設計也跟傳統設計略有差別

就各國軍方保守的風氣來看，短期內應該還是只會用在商船上

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這就是全部了嗎？還沒

最一開始提到了這是在「靜水」的環境下對吧？

那在海況不佳的狀況下呢？

這時候就要在原先的船殼阻力上，加上一定的海況餘裕(Sea Margin, SM)

就計算長期運行來說，SM可能會在10%-15%左右

但如果今天希望在冬天的台灣海域還能跑到設計船速...

施主，引擎再多兩個氣缸吧(欸

然而，就算動力充足，硬要在惡劣海況下高速前進

結構設計組和船上官兵可能會把搶著把你海拋

至少就商船而言，遇上惡劣海況就是降速

但線型不是針對設計船速最佳化的？

所以這幾年就開始流行起不是針對設計船型，而是針對長期運行環境下優化

由錢多到令人眼紅的離岸工程領域帶頭，這幾年漸漸影響到客船

蠻值得觀察這股風氣是否會延伸到軍艦設計

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既然提到了引擎，就順便提一下

一般來說，引擎都有一個最佳運作的甜蜜點，柴油引擎可能落在60%-90%之間

例如商船常會提到85% MCR (Maximum Countinuous Rating, 最大連續額定出力)

在這個區間運作，不論是燃油效率、引擎壽命和維修成本都是最佳化的

軍艦愛用的渦輪引擎的甜蜜點更窄，可能一離開甜蜜點後效率馬上就掉到原本的一半

(這也是萬惡的CODOG，CODAG，CODLOG...出頭的原因之一)

所以在設計上，巡航速度除了考慮船速-阻力曲線上的相對低點

引擎的甜蜜點往往也是考量之一

打個比方

如果一艘船裝了四顆相同的引擎，4 × 85% MCR 可以上到25節

那巡航時可能就只使用 2 × 85% MCR 跑個18節

甚至只開一顆引擎+打偏舵跑12節

或者傳動系統有PTO/PTI(Power Take Off/Power Take In，簡單說就是混動)

那就會是一顆引擎帶一個軸+電力輸出給另一軸的馬達

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以上粗談，仔細深入的話，船殼、螺槳、傳動、引擎都各是一門學問

但一來那也超出我的專業，二來也偏離軍武版的範疇

有興趣的歡迎加入造船的小圈圈

是說本來只想簡單打一打，一不注意又打了半天...

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※ 同主題文章:
[提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
11-19 15:43 TetsuNoTori
Re: [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
11-19 18:29 defenser
Re: [提問] 在WW2之後30節就是高/低速艦艇分界線?
11-20 00:45 W80RAH
推 defenser: 推專業1F 11/20 00:46
推 fman: 真的很專業，原PO是從事造船業相關行業嗎？2F 11/20 00:50
推 edison: 你是造船系的3F 11/20 00:53
推 defenser: 莢囊式推進器已經用在法國西北風、西班牙SPS(澳洲坎培拉)等兩棲艦上4F 11/20 00:54
推 letterE: 推，專業文6F 11/20 01:05
推 skyhawkptt: 推專業文！簡明扼要又說中重點...7F 11/20 01:11
推 t72312: 現在有一種新的減阻船頭球 凸出來有點像衝角
燃氣主機還要接減速機組才能傳到大軸8F 11/20 01:13

傳動複雜主要在轉速和扭力的匹配，就阻推而言就是5%-10%的耗損
本文避免偏題就沒提了

→ t72312: 除了引擎 傳動也是門學問混合主機比單純主機傳動複雜 全電又是另一個領域
以前有一陣子以為全電莢艙會是未來軍艦主機趨勢
但現在看來似乎還沒實現10F 11/20 01:15
推 mudmud: 推14F 11/20 01:26
推 ckbling: 推專業文15F 11/20 01:28
推 kastyshing: 太專業了16F 11/20 01:28
推 LoveCraft: 推專業17F 11/20 02:06
推 FXW11314: 推，求板主M起來不然沒了就可惜了18F 11/20 02:29
推 ja23072008: 推19F 11/20 03:14
推 uruzu007: 推20F 11/20 03:52
推 xeno2157: 推專業文，造船不愧是有足夠工程底子才玩得起來的行業21F 11/20 05:56
推 rommel1: 全電莢艙萬一故障是不是不好修?23F 11/20 06:22
推 bankk: 推24F 11/20 06:22
推 wl00669773: 專業25F 11/20 06:24
推 rommel1: 會有很大的彎距力長時間作用在夾艙軸跟船體之間
用久可能變形?26F 11/20 06:34

莢艙的結構一定得特別強化，但講白了跟舵機的原理沒差多少
實際上，莢艙的軸比起舵機大上好幾圈，佔空間的要命...

推 ShinSioku: 專業好文28F 11/20 07:07
推 Bf109G6: 推29F 11/20 07:32
推 bakedgrass: 推30F 11/20 07:46
推 Chhtaiwan: 推31F 11/20 07:57
→ kuma660224: 2次方不太正確  因為那只限於一定速度以下
高速要往3次方去抓了
然後就導致成本效益超難看
所以讓船體越少在水裡越好
水的阻力與船速是2-3次方關係太恐怖32F 11/20 08:06
推 lc85301: 為什麼離岸工程領域會有很多錢37F 11/20 08:45

油啊...滿滿的石油和天然氣...

推 b160160: 推38F 11/20 08:58
推 fw190a: 推這篇專業。都已經解釋了三次方用法，還有人在模糊的高低速套不同公式。那你高速的分界在哪裡？39F 11/20 09:01

高速船請洽國際海事組織(IMO)的HSC code
簡單一點的分法

船速[m/s] / (船長[m] x 9.81)^0.5 > 0.45-0.6 就可以視為高速艇了

至於用軍艦這種傳統船型硬幹的話，阻力係數會怎麼變化，就恕我才疏學淺...

推 rommel1: 不想搞核能   只能搞風力
搞水力.太陽能都要土地41F 11/20 09:01
推 Pegasus170: 推專業說明43F 11/20 09:07
推 eineFrage: 言之有物，學到不少。44F 11/20 10:17
推 AfterDark: 高速艦的艦尾螺旋槳消耗會比低速的快嗎？45F 11/20 10:20

大致上來說是這樣，可能低速時效率90%，高速時剩50%
但這跟螺槳設計有很大關係，如果是設計給高速域的固定螺槳，低速時表現可能也沒很好

→ AfterDark: 我記得螺旋槳在水中打出泡泡會有一個什麼效應 會侵蝕螺旋槳？46F 11/20 10:21

空蝕現象(Cavitation)，簡單說就是劇烈壓力差產生的氣泡生成與破滅
這除了浪費能量外，還有噪音震動和螺槳壽命的問題
當然相對應也有各種方法去抑制

推 duckwei: 推進莢艙 航速有一定限制 維修生存性也沒傳統好48F 11/20 10:41
推 dustlike: 太專業了吧49F 11/20 10:41

對也不對，台面上各大廠都說自家莢艙限速20-25節
但...瑪莉皇后二號用莢艙上到30節...
據說，瑪莉皇后二號的莢艙似乎有做結構加強
所以個人猜測，說不定限速只是因為量產品的強度是針對多數客戶的需求設計而已

→ duckwei: 適合在經濟速率的支援船艦50F 11/20 10:41
推 elzohar: 專業推51F 11/20 11:02
推 ywahaha: 推52F 11/20 11:16
推 LegioGemina: 專業好文推53F 11/20 11:17
推 HAHAHUNG: 推專業文54F 11/20 11:24
推 glad850: 專業推，最近116造船系後面好像把馬路挖開在蓋水槽55F 11/20 12:10

116的水槽在那很久了，據說這幾年和台船合作終於比較有資源
有在更新都是好事

推 newest: 專業56F 11/20 12:22
推 Su22: 專業文57F 11/20 12:50
推 metalfinally: 話說環境優化的船型能不能給一個範例？
某家公司推出的離岸支援船愛用X-Bow？58F 11/20 13:27

X-bow是，稍微中庸一點，速度和耐海兼具的可能像Damen的Axe-bow或台船的劍艏

推 ron08072002: 真的是受教了60F 11/20 13:30
推 daniel1309: 推，太專業了！61F 11/20 13:42
推 SCookie: 造船專業好文 推推62F 11/20 13:46
推 adam781: 專業的可怕63F 11/20 13:47
推 CODDDD: 推64F 11/20 14:12
推 bladesinger: 專業推65F 11/20 17:59
※ 編輯: W80RAH (81.233.128.128 瑞典), 11/20/2022 19:36:43
推 aquarius360: 專業推66F 11/20 20:52
推 user1120: 推67F 11/20 22:35
推 Victory2: 推！68F 11/20 22:37
推 zzxxzz: 好文69F 11/21 01:53

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