基于螺旋槳負(fù)荷特性的雙槳船操縱性預(yù)報(bào)

胡曉芳，陳松林

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2海軍裝備部，北京100841

基于螺旋槳負(fù)荷特性的雙槳船操縱性預(yù)報(bào)

胡曉芳1，陳松林2

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2海軍裝備部，北京100841

通過(guò)對(duì)雙槳船內(nèi)、外兩槳負(fù)荷變化情況及其對(duì)艦船回轉(zhuǎn)性和回轉(zhuǎn)速降計(jì)算結(jié)果影響的分析，提出了采用等功率法分別計(jì)算雙槳船內(nèi)、外兩槳的轉(zhuǎn)速、進(jìn)速系數(shù)等，進(jìn)而確定兩槳的推力和轉(zhuǎn)艏力矩，從而進(jìn)行雙槳船回轉(zhuǎn)性和回轉(zhuǎn)時(shí)速降預(yù)報(bào)。以某雙槳船為例，分別用等轉(zhuǎn)速法、等推力法和等功率法進(jìn)行回轉(zhuǎn)軌跡、回轉(zhuǎn)時(shí)螺旋槳推力、速降和轉(zhuǎn)艏力矩的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：采用等功率法與采用等轉(zhuǎn)速法所得到的回轉(zhuǎn)軌跡基本相同，較之等推力法所得到的回轉(zhuǎn)直徑的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)船實(shí)際情況；采用等功率法所得到的速降介于等轉(zhuǎn)速法和等推力法之間，最為接近實(shí)船的實(shí)際情況。

操縱性；MMG數(shù)學(xué)模型；雙槳船；螺旋槳；負(fù)荷

0 引 言

在設(shè)計(jì)階段對(duì)船舶操縱性進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)是對(duì)每一型新造艦船的基本要求，一般采用MMG分離型操縱性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)所確定的各項(xiàng)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)模擬艦船在規(guī)定狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)得到。在操縱性計(jì)算預(yù)報(bào)中，對(duì)于螺旋槳推力的處理以前多采用等轉(zhuǎn)速法或等推力法，但實(shí)際上，由于回轉(zhuǎn)過(guò)程中螺旋槳的負(fù)荷發(fā)生了變化，實(shí)際所產(chǎn)生的推力與按照這2種計(jì)算方法所得到的結(jié)果均有差異，特別對(duì)于雙槳船，由于回轉(zhuǎn)過(guò)程中兩槳處的來(lái)流速度不同，負(fù)荷變化尤為明顯。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也開(kāi)展了研究，如 Abramowski［1］提出了一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)預(yù)報(bào)船舶操縱工況下螺旋槳推力的方法。鄧愛(ài)民等［2］利用實(shí)船測(cè)試得到的兩槳轉(zhuǎn)速計(jì)算兩槳的推力，并計(jì)算出因兩槳推力不同所引起的轉(zhuǎn)向力矩。王化明等［3］利用船舶回轉(zhuǎn)過(guò)程中兩槳處不同的伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算兩槳的推力，進(jìn)而計(jì)算兩槳推力不同所引起的轉(zhuǎn)向力矩。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析螺旋槳負(fù)荷產(chǎn)生變化的原因及內(nèi)、外槳負(fù)荷變化對(duì)艦船回轉(zhuǎn)性產(chǎn)生的影響，提出采用等功率法計(jì)算艦船內(nèi)、外兩槳推力的方法；并以某雙槳船為例，將典型操舵角下的操縱性計(jì)算預(yù)報(bào)結(jié)果，與利用等轉(zhuǎn)速法和等推力法所得到的回轉(zhuǎn)軌跡及速降等參數(shù)的預(yù)報(bào)結(jié)果，以及實(shí)船的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 回轉(zhuǎn)過(guò)程中螺旋槳的負(fù)荷變化機(jī)理分析

艦船在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于側(cè)向速度和角速度的存在，造成阻力的增加，使得航速下降，從而引起螺旋槳來(lái)流速度減小。假設(shè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速不變，則進(jìn)速系數(shù)J會(huì)隨著艦船航速的下降而逐漸減小。根據(jù)螺旋槳的水動(dòng)力性能特點(diǎn)（圖1［4］），當(dāng)J減小時(shí)，會(huì)引起螺旋槳推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ增加，即螺旋槳的推力 XP和轉(zhuǎn)矩Q增加［5-6］。然而在實(shí)際情況中，由于主機(jī)功率有限，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩不可能隨著進(jìn)速的減小而不斷增加，而是需要根據(jù)主機(jī)所能提供的最大功率逐漸降低轉(zhuǎn)速［7-8］。由于在設(shè)計(jì)航速時(shí)所取的計(jì)算點(diǎn)是螺旋槳效率的最高處，螺旋槳的效率會(huì)隨著進(jìn)速的減小而減小，在輸入功率一定的情況下，輸出的效率會(huì)逐漸降低。因此，按照等轉(zhuǎn)速法進(jìn)行艦船操縱性計(jì)算，會(huì)因計(jì)算中螺旋槳推力選取較大而對(duì)縱向速度、舵上來(lái)流速度等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果造成影響，尤其對(duì)速降的計(jì)算結(jié)果影響較大，理論上速降的計(jì)算結(jié)果會(huì)偏小（即穩(wěn)定狀態(tài)下的縱向速度偏大）。

圖1 螺旋槳敞水性征曲線(xiàn)Fig.1 Open water curves

此外，雙槳船在回轉(zhuǎn)過(guò)程中由于兩槳距回轉(zhuǎn)中心的距離不同，引起兩槳的來(lái)流速度不同，導(dǎo)致螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)也不同，使得兩槳的推力產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)艏力矩。而采用等推力法計(jì)算時(shí)，由于無(wú)法反映出兩槳推力的差異從而對(duì)回轉(zhuǎn)直徑的計(jì)算結(jié)果造成影響。理論上，內(nèi)槳由于來(lái)流速度低于外槳，內(nèi)槳的進(jìn)速系數(shù)小于外槳，使得定常回轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)槳的負(fù)荷大于外槳［9-11］，從而產(chǎn)生低于艦船回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。由于采用等推力法時(shí)無(wú)法反映這一情況，因此按照等推力法計(jì)算得到的艦船定?；剞D(zhuǎn)直徑會(huì)小于實(shí)船的實(shí)際情況。

2 雙槳船操縱性數(shù)學(xué)模型

2.1 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

在研究船舶的操縱性運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常采用2個(gè)坐標(biāo)系［12］，一個(gè)是固定于地球上的固定坐標(biāo)系Eξηζ，另一個(gè)是固定于船體上與船體一起運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系oxyz，其原點(diǎn)與船舶重心G重合（圖2）。

圖2 艦船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Fig.2 Coordinates of ship motion

2.2 MMG數(shù)學(xué)模型

假定艦船航行于無(wú)限深廣的水域中，船體為剛體，自由面為靜水，忽略船的縱搖和升沉，可提出計(jì)算所采用的四自由度MMG運(yùn)動(dòng)方程如式（1）所示：

2.3 附加質(zhì)量

m11，m22和 m66可用元良公式來(lái)表示（式（2），式（3）和式（5）），m44可用杜埃爾公式來(lái)表示（式（4））：

式中：L為船長(zhǎng)；B為船寬；d為吃水；Cb為方形系數(shù)；Zg為重心高；l66為質(zhì)量慣性半徑。

2.4 船體水動(dòng)力

縱向的船體水動(dòng)力可表示為縱向速度的展開(kāi)式，如式（6）所示：

船體操縱的水動(dòng)力如式（7）所示：

式中：ρ為流體密度；U為船運(yùn)動(dòng)速度；Y′v,Y′r,Y ′vvr,Y ′vrr,Y ′vvv,Y ′rrr,K ′v,K ′r,K ′vvv,K ′rrr,N ′v,N′r,N′vvr,N′vrr,N′vvv,N′rrr為操縱性水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，可利用模型試驗(yàn)確定。

2.5 螺旋槳水動(dòng)力

雙槳船的螺旋槳推力 XP如式（8）所示：

式中：t為推力減額系數(shù)；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；DP為螺旋槳直徑；wP0為伴流分?jǐn)?shù)；Tp表示左槳推力；Ts表示右槳推力。

雙槳船因兩槳推力的差異所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)艏力矩NP如式（9）所示：

式中，yP為螺旋槳橫向安裝距離。

雙槳船的螺旋槳轉(zhuǎn)矩QP如式（10）所示：

式中，KQ為扭矩系數(shù)。

上述各項(xiàng)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)均可利用模型試驗(yàn)確定。

在采用等轉(zhuǎn)速法進(jìn)行螺旋槳推力的計(jì)算時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速n取常數(shù)；在采用等推力法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，左右螺旋槳的推力 XP取常數(shù)；在采用等功率法計(jì)算時(shí)，左右螺旋槳的轉(zhuǎn)速根據(jù)螺旋槳收到功率進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出螺旋槳的推力，螺旋槳收到的功率取常數(shù)。

2.6 舵水動(dòng)力

雙舵船舵的法向力FN如式（11）所示：

式中：AR為舵面積；UR為舵上的來(lái)流速度；Kσ為空泡對(duì)舵法向力的影響系數(shù)；fα為舵法向力導(dǎo)數(shù)對(duì)舵法向力的影響系數(shù)；ε為螺旋槳處伴流與舵處伴流比；αR為舵上的來(lái)流攻角；γR為船體整流系數(shù)；lR為旋轉(zhuǎn)整流系數(shù)；δ0為壓舵角。

3 雙槳船操縱性預(yù)報(bào)

根據(jù)上述操縱性數(shù)學(xué)模型，分別采用等轉(zhuǎn)速法、等推力法和等功率法進(jìn)行某雙槳雙舵船在最大設(shè)計(jì)航速下，分別以操舵角 δ為-15°，-25°和-35°進(jìn)行回轉(zhuǎn)性預(yù)報(bào)，回轉(zhuǎn)軌跡預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。雙槳雙舵船進(jìn)入穩(wěn)定回轉(zhuǎn)后采用各方法得到的螺旋槳推力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，回轉(zhuǎn)時(shí)速降的預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表2，回轉(zhuǎn)時(shí)兩槳所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)艏力矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 船舶回轉(zhuǎn)軌跡圖（δ=15°）Fig.3 Schematic of the ship in turning motion（ δ=-15°）

圖4 船舶回轉(zhuǎn)軌跡圖（δ=-25°）Fig.4 Schematic of the ship in turning motion（ δ=-25°）

圖5 船舶回轉(zhuǎn)軌跡圖（δ=-35°）Fig.5 Schematic of the ship in turning motion（ δ=-35°）

表1 回轉(zhuǎn)時(shí)的螺旋槳推力計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Tab.1 Contrast of thrust in turning motion

表2 回轉(zhuǎn)時(shí)18 kn航速下的速降計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Tab.2 Contrast of velocity in turning motion

表3 回轉(zhuǎn)時(shí)兩槳所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)艏力矩計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Tab.3 Contrast of moment coursed by twin propellers in turning motion

從圖3～圖5可以看出，采用等功率法在各操舵角時(shí)所得到的回轉(zhuǎn)直徑與采用等轉(zhuǎn)速法時(shí)基本相同，均大于采用等推力法時(shí)的回轉(zhuǎn)直徑；采用等功率法在各操舵角時(shí)所得到的穩(wěn)定時(shí)的縱向速度介于等轉(zhuǎn)速法和等推力法之間，其中，等轉(zhuǎn)速法所得到的速降最小，等推力法得到的速降最大；采用等轉(zhuǎn)速法和等功率法均產(chǎn)生了反向的轉(zhuǎn)艏力矩，其中等轉(zhuǎn)速法在各操舵角時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)艏力矩明顯大于等功率法。這一情況與前述關(guān)于螺旋槳的負(fù)荷變化對(duì)于艦船回轉(zhuǎn)直徑及速降的影響分析結(jié)果是一致的。

接下來(lái)，就各方法計(jì)算得到的無(wú)因次回轉(zhuǎn)直徑和速降與實(shí)船的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)照情況見(jiàn)表4，圖6和圖7。

表4 回轉(zhuǎn)時(shí)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)船測(cè)試結(jié)果對(duì)照表Tab.4 Contrast of calculation and fact in turning motion

圖6 回轉(zhuǎn)時(shí)的相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑對(duì)照?qǐng)DFig.6 Contrast of diameters in turning motion

圖7 回轉(zhuǎn)時(shí)的速降對(duì)照?qǐng)DFig.7 Contrast of velocities in turning motion

從上述對(duì)比可以看出，采用等轉(zhuǎn)速法和等功率法所得到的相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑在舵角較大時(shí)與實(shí)船實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符，中小舵角時(shí)稍大于實(shí)船的實(shí)測(cè)結(jié)果，而采用等推力法所得到的相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑的計(jì)算結(jié)果均小于實(shí)船實(shí)測(cè)結(jié)果；由圖7可以看出，采用等轉(zhuǎn)速法所得到的速降小于實(shí)船實(shí)測(cè)結(jié)果，且隨著舵角的增大其差異逐漸增大；采用等推力法所得到的速降均大于實(shí)船實(shí)際結(jié)果，且隨著舵角的增大其差異逐漸減??；采用等功率法所得到的速降略小于實(shí)船實(shí)測(cè)結(jié)果，且隨著舵角的增大其差異逐漸減小。三種計(jì)算方法中，采用等功率法所得到的結(jié)果與實(shí)船實(shí)測(cè)結(jié)果最為接近。由此可見(jiàn)，采用等功率法進(jìn)行雙槳船操縱性的計(jì)算無(wú)論是在回轉(zhuǎn)直徑還是在速降方面都能達(dá)到最優(yōu)的計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)以上分析，得出以下結(jié)論：

1）與等轉(zhuǎn)速法和等推力法相比，采用等功率法計(jì)算雙槳船回轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)、外兩槳的推力更接近實(shí)船螺旋槳的實(shí)際負(fù)荷情況，也更能反映螺旋槳對(duì)于艦船回轉(zhuǎn)的影響；

2）采用等功率法計(jì)算得到的雙槳船回轉(zhuǎn)軌跡與采用等轉(zhuǎn)速法的結(jié)果基本相同，與實(shí)船實(shí)際情況的符合性較好；

3）采用等功率法計(jì)算得到的雙槳船回轉(zhuǎn)時(shí)的速降介于等轉(zhuǎn)速法和等推力法之間，與實(shí)船測(cè)試情況最為接近；

4）與等轉(zhuǎn)速法和等推力法相比，采用等功率法計(jì)算得到的雙槳船操縱性的計(jì)算結(jié)果與實(shí)船實(shí)際情況的吻合度更高。

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Maneuverability Prediction for Twin-Screw Ships by Considering the Loads of Screws

HU Xiaofang1，CHEN Songlin2

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Naval Armamemt Department of PLAN，Beijing 100841，China

By analyzing the effects of inboard and outboard screws changes of twin-screw ship on the ship's overall turning performance and velocity decline，this paper first presents a method to calculate the rotation speed，thrust coefficient，etc.，and the thrusts of screws as well as the turning moment of the ship are then confirmed，which leads to the calculation of the turning course and ship velocity.Taking a twin-screw ship as an example，the paper calculates its turning courses，thrusts，velocity，and turning moment by maintaining the rotation speed，thrust，and torque of the screw.Results show that the turning course calculated with constant rotation speed and constant torque are almost identical，and are quite close to reality；the velocity decline calculated with constant torque is between the one obtained with the other two approaches，and is seen to resemble most to reality.

maneuverability；MMG model；twin-screw ship；screw；load

U661.33

A

1673－3185（2014）02－17－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.004

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.004.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－07－09 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-3-31 16:32

胡曉芳（1979－），女，工程師。研究方向：船舶裝置與舾裝設(shè)計(jì)。E-mail：5795808＠qq.com

陳松林（1964－），男，碩士。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)

胡曉芳

［責(zé)任編輯：胡文莉］