水動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)在全回轉(zhuǎn)三槳推進(jìn)船上的應(yīng)用

陳偉民， 蔣曙暉

(航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

0 引 言

為增強(qiáng)海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)海洋資源開發(fā)和海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展，國家制定了《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略(2011-2020)》。其中，對(duì)于量大面廣、占市場(chǎng)總量80%以上的海洋工程裝備(包括物探船、工程勘察船、自升式鉆井平臺(tái)、自升式鉆井作業(yè)平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、半潛式支持平臺(tái)、鉆井船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)、半潛運(yùn)輸船、起重鋪管船、風(fēng)車安裝船、多用途工作船、平臺(tái)供應(yīng)船等)要重點(diǎn)突破自主開發(fā)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，以具備概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)能力。

此類船舶的特點(diǎn)是設(shè)備、設(shè)施復(fù)雜繁多，具有動(dòng)力定位的要求。因此，尾部設(shè)計(jì)上一般采用縱流型設(shè)計(jì)思路，配置2套甚至多套推進(jìn)系統(tǒng)，以滿足多工況需求。為滿足造船市場(chǎng)對(duì)此類船舶性能研究的需求，研制開發(fā)了可配置三個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器船舶的模型水動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)施，可為此類船舶提供水動(dòng)力試驗(yàn)研究，為船廠和設(shè)計(jì)院所提供船型開發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱船研所)從2005年開始與荷蘭MARIN水池開展密切合作，至今已陸續(xù)進(jìn)行了一系列針對(duì)吊艙推進(jìn)水動(dòng)力性能的理論計(jì)算和研究。為更好地對(duì)吊艙推進(jìn)方式進(jìn)行研究，該所在2009年引進(jìn)了荷蘭MARIN水池的吊艙六分力動(dòng)力儀，并自行開發(fā)了與之配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，形成了一套初步的吊艙推進(jìn)試驗(yàn)方法，并運(yùn)用到了實(shí)際項(xiàng)目之中，進(jìn)行了采用吊艙/全回轉(zhuǎn)推進(jìn)方式船舶的模型試驗(yàn)。根據(jù)在吊艙儀器上使用的經(jīng)驗(yàn)，2011年再次引進(jìn)了六分力天平和直角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同類型和用途的吊艙推進(jìn)模型試驗(yàn)。船研所現(xiàn)已具備進(jìn)行多吊艙的船舶模型試驗(yàn)的能力，在國內(nèi)吊艙推進(jìn)模型試驗(yàn)的應(yīng)用和研究領(lǐng)域占有一定優(yōu)勢(shì)。

2 模型水動(dòng)力試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)

2.1 試驗(yàn)方法

吊艙推進(jìn)模型試驗(yàn)主要參照ITTC吊艙式電力推進(jìn)船模試驗(yàn)的方法，將整個(gè)吊艙推進(jìn)單元作為整體推進(jìn)器;在進(jìn)行阻力試驗(yàn)時(shí),不需要安裝吊艙推進(jìn)單元模型，與常規(guī)船型的阻力試驗(yàn)一致，船模由拖車牽引，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄各個(gè)航速下作用在船模上的力;船模艏部裝有激流裝置,將層流變?yōu)橥牧?。阻力試?yàn)一般測(cè)量10個(gè)點(diǎn)，包含船模速度Vm和該速度下的船?？傋枇m[1]。

自航試驗(yàn)時(shí)，仍然保留阻力試驗(yàn)中船模上安裝的激流裝置和附體，并將整個(gè)吊艙推進(jìn)單元安裝到船模上。自航試驗(yàn)按強(qiáng)迫自航方法進(jìn)行，在包含設(shè)計(jì)航速的航速范圍內(nèi)變換五個(gè)船速，每個(gè)船速Vm下變換4個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速；計(jì)算機(jī)分別實(shí)時(shí)記錄推進(jìn)單元的推力Tum、螺旋槳推力Tpm、扭矩Qm、轉(zhuǎn)速nm，以及作用在船模上的強(qiáng)制力Z；隨后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到實(shí)船自航點(diǎn)Z=Fd處的Tum、Tpm、Qm和nm。

三槳船的自航試驗(yàn)分析方法與常規(guī)雙槳、單槳船的分析方法有所不同，關(guān)鍵在于確定各個(gè)螺旋槳的阻力分配情況。為此，在對(duì)三槳船進(jìn)行自航試驗(yàn)時(shí)，除了進(jìn)行三槳自航試驗(yàn)，還需進(jìn)行雙槳(去除中間槳)和單槳(去除邊槳)的自航試驗(yàn)。在進(jìn)行雙槳和單槳的自航試驗(yàn)時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速要與之前三槳自航試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速基本保持一致。

2.2 分析方法

三槳、雙槳和單槳自航試驗(yàn)需分別滿足以下平衡條件：

三槳：

Rm-Z3=2TB(1-tB)+TM(1-tM)

(1)

雙槳：

Rm-Z2=2TB2(1-tB2)

(2)

單槳：

Rm-Z1=TM1(1-tM1)

(3)

式(1)～式(3)中：TB、tB為三槳試驗(yàn)時(shí)邊槳的推力和推力減額；TM、tM為三槳試驗(yàn)時(shí)中槳的推力和推力減額；TB2、tB2為雙槳試驗(yàn)時(shí)邊槳的推力和推力減額；TM1、tM1為單槳試驗(yàn)時(shí)中槳的推力和推力減額；Z1、Z2、Z3分別對(duì)應(yīng)單槳、雙槳和三槳自航試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)制力。

中槳的阻力分配系數(shù)

(4)

邊槳的阻力分配系數(shù)

(5)

CB+CM=1

(6)

由式(7)可得到邊槳和中槳的推力減額分?jǐn)?shù)tB和tM：

2TB(1-tB)=CB×(RM-Z3)TM(1-tM)=CM×(RM-Z3)

(7)

確定了阻力分配系數(shù)CB和CM，就可以根據(jù)自航槳模的敞水性征曲線，采用常規(guī)的等推力法分別對(duì)邊槳和中槳的推進(jìn)因子進(jìn)行分析。

而對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)船舶的自航試驗(yàn)修正方法與常規(guī)推進(jìn)的船舶有所不同，主要體現(xiàn)在實(shí)船摩擦阻力修正值的計(jì)算與全回轉(zhuǎn)吊艙包的阻力修正上。

其中摩擦阻力修正值Fd為：

(8)

修正完吊艙包阻力后的單元推力：

Tm=Tum+(Tpm-Tum)×β

(9)

β為吊艙阻力修正系數(shù)，根據(jù)艙體的外形特征進(jìn)行選取[2]。

其余試驗(yàn)結(jié)果分析與常規(guī)推進(jìn)方式類似，船舶有效功率Pe的換算采用二因次方法；自航分析采用等推力法；實(shí)船預(yù)估采用1978年ITTC實(shí)船性能的預(yù)估方法進(jìn)行?？紤]到全回轉(zhuǎn)推進(jìn)船艉部線型的特點(diǎn)，一般不考慮實(shí)船伴流的修正。

3 模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

為研發(fā)三槳全回轉(zhuǎn)模型，對(duì)水池的控制系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)進(jìn)行了更新和擴(kuò)充，形成了一套先進(jìn)、可靠的吊艙推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，可為最多配置3POD/全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船舶提供水動(dòng)力試驗(yàn)服務(wù)。

采用的三槳船船型主尺度及船型參數(shù)見表1。

表1 船舶的主尺度

由表1可知，該船方形系數(shù)Cb=0.753 2，長(zhǎng)寬比為L(zhǎng)/B=3.286，寬度吃水比為B/T=7.273；設(shè)計(jì)航速為12 kn時(shí)Fn=0.172，屬于典型的中低速海工類船舶。此類船舶在快速性上有一定的要求，對(duì)于穩(wěn)性和操縱性以及作業(yè)航行時(shí)所能輸出的最大功率也有較高的要求。因此，配置多個(gè)全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器可以很好地滿足此類船舶的需求，提高船舶作業(yè)及靠港時(shí)的靈便性；同時(shí)，可以有效降低單個(gè)螺旋槳上的負(fù)荷，減少振動(dòng)等方面的影響。

該船模艉部的布置特點(diǎn)見圖1。一般情況下，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的螺旋槳會(huì)配置導(dǎo)管，但本項(xiàng)目主要出發(fā)點(diǎn)是解決全回轉(zhuǎn)三槳推進(jìn)快速性試驗(yàn)的問題，因此進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，推進(jìn)器的配置暫未考慮導(dǎo)管。

圖1 三槳船艉部布置圖

該船模型試驗(yàn)在船研所拖曳水池中進(jìn)行。試驗(yàn)船模為木制，槳模采用庫存的MAU槳。阻力試驗(yàn)在裸船體下進(jìn)行，移除了整個(gè)推進(jìn)單元(包含螺旋槳、艙體、吊柱等)，用剛性阻力儀測(cè)量船模阻力Rm；自航試驗(yàn)采用強(qiáng)迫自航方法，用六分力天平和直角傳動(dòng)軸測(cè)量螺旋槳的推力Tpm，扭矩Qm，吊艙單元推力Tum；用剛性阻力儀測(cè)量強(qiáng)制力Z。由于三槳船的三槳之間存在互相干擾因素，試驗(yàn)參照常規(guī)船型三槳推進(jìn)模型試驗(yàn)的方法，分別進(jìn)行了三槳狀態(tài)模型自航試驗(yàn)以及單獨(dú)邊槳和單獨(dú)中槳的自航試驗(yàn)，結(jié)合全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的特點(diǎn)，對(duì)全回轉(zhuǎn)吊艙包的阻力進(jìn)行了修正。試驗(yàn)儀器安裝見圖2，模型試驗(yàn)見圖3。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析后，得到了該船各槳的自航因子，其中設(shè)計(jì)航速附近的自航因子結(jié)果見表2，圖4為實(shí)船航行特性曲線。

圖2 三吊艙推進(jìn)船模型艉部布置

圖3 三吊艙推進(jìn)船模型自航試驗(yàn)

表2 自航因子計(jì)算結(jié)果

圖4 實(shí)船航行特性曲線

4 結(jié) 語

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)船的模型試驗(yàn)比常規(guī)推進(jìn)船舶的試驗(yàn)復(fù)雜，采用三槳全回轉(zhuǎn)后變得更加困難。通過試驗(yàn)技術(shù)的提升和儀器設(shè)備的開發(fā)，有效解決了全回轉(zhuǎn)三槳船的模型水動(dòng)力試驗(yàn)的需求問題。結(jié)合常規(guī)推進(jìn)船三槳的分析方法，可以為采用全回轉(zhuǎn)三槳推進(jìn)的船舶進(jìn)行實(shí)船功率預(yù)報(bào)，為設(shè)計(jì)部門提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

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