基于模型自航試驗(yàn)的自升式平臺(tái)主機(jī)功率估算

徐帥陵，葉紀(jì)超，侯 方

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營 257000）

0 引言

自升式海洋平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)主要是所需要的鋼材少，造價(jià)低，在各種海況下都能平穩(wěn)作業(yè)，根據(jù)其移動(dòng)方式可分為自航、助航和非自航。自升式勘察平臺(tái)在完成一個(gè)站點(diǎn)預(yù)定工作后，將收起樁靴遷航至下一個(gè)工作點(diǎn)。由于定位準(zhǔn)確、工作效率高，具有自航能力的自升式勘察平臺(tái)在海洋工程勘察領(lǐng)域越來越具有優(yōu)勢[1-3]。早在20 世紀(jì)70年代，我國開始在半潛式鉆井平臺(tái)上安裝推進(jìn)器，以方便平臺(tái)的拖航和定位。從1973年后，我國建造的平臺(tái)大多都具有自航功能[4]?？梢娮院绞娇辈炱脚_(tái)逐漸發(fā)展為一種潮流趨勢。

自航式勘察平臺(tái)是結(jié)合一般自升式平臺(tái)與自航式勘察船的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)時(shí)不需要拖航，可單獨(dú)完成海上作業(yè)任務(wù)，效率高。但自升式勘察平臺(tái)在自航過程中，安裝于平臺(tái)后面的螺旋槳與平臺(tái)之間會(huì)彼此影響附近的水流速度場和壓力場，而且這種影響非常復(fù)雜，迄今還不能用理論計(jì)算方法求得。因此，模型試驗(yàn)是主要的研究手段之一。船模自航試驗(yàn)是分析研究各種推進(jìn)效率成分的重要手段，其能夠預(yù)報(bào)自航因子，預(yù)估實(shí)船的快速性和判斷螺旋槳與主機(jī)、船體之間配合的是否良好。雖然船模自航試驗(yàn)的要求較高，但它得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)推算船模主機(jī)功率等具有重要的意義[5]。國內(nèi)對(duì)船舶自航試驗(yàn)方面的研究工作開展較多。劉洋等[6]為了解決潛艇自航模型制作過程中系統(tǒng)設(shè)備布局問題，保證重心位置準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，保證了船模內(nèi)部構(gòu)建測量問題，運(yùn)用ISIGHT 數(shù)據(jù)優(yōu)化軟件消除工裝誤差影響，使自航試驗(yàn)?zāi)軌蚋訙?zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)艇的操縱性能。楊素軍等[7]通過優(yōu)化設(shè)計(jì)自航模型操縱系統(tǒng)來完成多種操縱性試驗(yàn)。尚留賓等[8]為某型潛艇自航模型設(shè)計(jì)一套在試驗(yàn)中可對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，使得潛艇在自航的過程中能夠精準(zhǔn)定位。依照目前的研究水平，船模自航試驗(yàn)仍然是研究船體和螺旋槳之間相互作用的最好方法[9-11]。船模試驗(yàn)主要是在試驗(yàn)水池內(nèi)進(jìn)行，通過試驗(yàn)，即選擇快速性較好的船型與設(shè)計(jì)配合船型的最佳的推進(jìn)器，在船模拖曳水池中進(jìn)行自航試驗(yàn)，可以對(duì)船舶在航行中所發(fā)生的物理過程有更加深刻的了解[12]。但針對(duì)具有自航能力的平臺(tái)開展自航試驗(yàn)的研究較少。

本文為更好地研究帶自航能力自升式平臺(tái)船體與螺旋槳的配合情況，準(zhǔn)確估算實(shí)際平臺(tái)總主機(jī)功率，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的縮尺比模型開展不同航速下的自航試驗(yàn)。試驗(yàn)測得不同航速狀態(tài)下螺旋槳推力與平臺(tái)航行阻力相等的點(diǎn)，即平臺(tái)的自航點(diǎn)，同時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)的推進(jìn)器電機(jī)功率，然后再換算得到實(shí)際平臺(tái)的推進(jìn)器主機(jī)功率，為實(shí)際平臺(tái)推進(jìn)器主機(jī)功率的選擇提供依據(jù)。

1 自航試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方案

以自升式勘察平臺(tái)為研究對(duì)象，在江蘇科技大學(xué)船模拖曳水池中開展縮尺比模型試驗(yàn)。根據(jù)水池的長度、拖車的速度范圍確定平臺(tái)模型的縮尺比為1∶25。

模型與實(shí)際平臺(tái)各個(gè)物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 平臺(tái)主尺度表

在平臺(tái)縮尺比模型安裝上動(dòng)力裝置，包括螺旋槳、電機(jī)和電池等。通過測量縮尺比平臺(tái)模型某一速度穩(wěn)定航行時(shí)，螺旋槳模型發(fā)出的推力恰好克服阻力的點(diǎn)稱為自航點(diǎn)，也就是螺旋槳發(fā)出的推力，克服船的總阻力。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，各種力之間都存在縮尺比3 次方的關(guān)系。確定自航點(diǎn)的目的是為了計(jì)算出達(dá)到自航點(diǎn)所需的主機(jī)功率，進(jìn)而推算實(shí)際平臺(tái)若想達(dá)到設(shè)計(jì)航速所需的主機(jī)功率。根據(jù)自航試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)實(shí)際平臺(tái)推進(jìn)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)。

基于上述原理，結(jié)合江蘇科技大學(xué)拖曳水池的試驗(yàn)條件確定本項(xiàng)目的自航拖曳試驗(yàn)方案。本自航拖曳試驗(yàn)方案是利用拖車將模型穩(wěn)定在目標(biāo)航速，通過調(diào)節(jié)船模推進(jìn)器功率大小，最終實(shí)現(xiàn)拖曳繩上的拉力恰好為0，以此獲取推進(jìn)器的功率。

同時(shí)，在設(shè)計(jì)航速的附近增加2 個(gè)自航試驗(yàn)工況，即試驗(yàn)中分別選取0.35 m/s、0.41 m/s、0.45 m/s等3 個(gè)模型速度來進(jìn)行自航試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

自航試驗(yàn)是在阻力試驗(yàn)之后，是測定螺旋槳在尾部工作的航行性能，以此可檢驗(yàn)該平臺(tái)模型、主機(jī)和螺旋槳之間的配合情況。一般情況下，自航試驗(yàn)主要解決以下問題：

1）分析研究各種推進(jìn)效率成份，研究槳、船兩者的相互作用，從而為螺旋槳的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，或從若干船體與螺旋槳的組合方案中選最優(yōu)方案。

2）預(yù)報(bào)實(shí)船性能。即通過試驗(yàn)給出主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和船速之間的關(guān)系，得出實(shí)船的航速預(yù)報(bào)。

3）判斷螺旋槳、主機(jī)、船體之間配合是否良好。

本次自航試驗(yàn)通過螺旋槳推動(dòng)平臺(tái)，找到螺旋槳推力與平臺(tái)航行時(shí)阻力相等的點(diǎn)即為自航點(diǎn)，并推算出實(shí)際平臺(tái)達(dá)到自航點(diǎn)設(shè)計(jì)航速所需的主機(jī)功率。

1.3 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行，船模拖曳水池全長100 m，寬度6 m，最大水深2 m，最小水深0.3 m。軌道全長100 m，中央測橋可以向左側(cè)池壁移動(dòng)，能上下升降，行程1.5 m，可用于完成淺水和狹窄航道試驗(yàn)。拖車最高車速6.00 m/s，最低車速0.03 m/s，穩(wěn)速走車距離大于40 m，波動(dòng)誤差1‰。水池頂端裝有推板式造波機(jī)，模擬規(guī)則波以及單向不規(guī)則波，頻率0.2～1.6 Hz，最大波高0.3 m。

自航試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃谧枇υ囼?yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上在模型尾部對(duì)稱安裝2 個(gè)螺旋槳，模型內(nèi)部安裝電機(jī)，其余裝置與阻力試驗(yàn)相同，通過螺旋槳推力帶動(dòng)模型前進(jìn)。拖曳水池及自航試驗(yàn)裝置具體情況見圖1～圖5。船模配套的推進(jìn)器參數(shù)見表2。

圖1 江蘇科技大學(xué)拖曳水池

圖2 螺旋槳整體圖

圖3 螺旋槳實(shí)物圖和平面圖

圖4 自航試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表2 平臺(tái)模型配備的推進(jìn)器參數(shù)選型

1.4 試驗(yàn)相似定律

在模型阻力試驗(yàn)時(shí)，需要滿足弗勞德數(shù)Fr相同的條件，即

式中：下標(biāo)s 和m 分別代表實(shí)際值和模型值；g為重力加速度；Ls為實(shí)際平臺(tái)水線長；Lm為模型水線長；Vs為實(shí)際平臺(tái)的航行速率；Vm為模型的航行速率。

在模型自航試驗(yàn)時(shí)，模型和實(shí)際平臺(tái)的Fr要相同，螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)也要相同，即

式（2）～式（4）中：λ為實(shí)際平臺(tái)與模型的比例；nm為模型螺旋槳的轉(zhuǎn)速；ns為實(shí)際平臺(tái)螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

1.5 試驗(yàn)步驟

1）準(zhǔn)確稱重模型質(zhì)量及壓鐵質(zhì)量，以達(dá)到按照模型縮尺比要求實(shí)平臺(tái)相應(yīng)的排水量。

2）將已備好的裝有螺旋槳的試驗(yàn)?zāi)Ｐ头旁谒小?/p>

3）將模型安裝在拖車上，應(yīng)使其縱中剖面與前進(jìn)方向一致，拖力作用線應(yīng)位于縱中剖面內(nèi)，其作用點(diǎn)在水線面附近的位置上保持水平，將所有儀器連接好，檢查無誤時(shí)，開啟所有儀器，將模型置于自由狀態(tài)，對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行平衡，然后清零，等待試驗(yàn)。

4）選定3 個(gè)模型速度（平臺(tái)設(shè)計(jì)航速包括在內(nèi)），分別按選定的速度啟動(dòng)拖車，同時(shí)啟動(dòng)螺旋槳，通過遙控裝置改變螺旋槳功率來保證在此航行速度下模型與拖車勻速前進(jìn)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)找到阻力為零的點(diǎn)并記錄下該點(diǎn)螺旋槳所消耗的功率。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中，航速0.35 m/s 工況經(jīng)過4 組試驗(yàn)找到了自航點(diǎn)；航速0.41 m/s 工況經(jīng)過5 組試驗(yàn)找到了自航點(diǎn)；航速0.45 m/s 工況經(jīng)過3 組試驗(yàn)找到了自航點(diǎn)。

自航試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)以及換算到實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率值分別見表3～表5。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 模型電機(jī)功率數(shù)據(jù)標(biāo)定表

表5 平臺(tái)功率數(shù)據(jù)

考慮到模型縮放比例為25，根據(jù)相似準(zhǔn)則，拖曳模型符合Fr相等。

此外，因模型試驗(yàn)螺旋槳與實(shí)船使用的螺旋槳在槳型上有差別，因此推進(jìn)效率上有較多差距，在計(jì)算時(shí)需要提供修正系數(shù)k（模型推進(jìn)效率/實(shí)船推進(jìn)效率）。本模型螺旋槳的推進(jìn)效率為0.25，船用螺旋槳推進(jìn)效率一般為0.50，因此，修正系數(shù)k=0.50。

計(jì)算實(shí)際平臺(tái)主機(jī)的有效功率公式為

式中：Ps為實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率；Pm為縮尺比模型的主機(jī)功率。

表4 數(shù)據(jù)為單個(gè)主機(jī)的功率，平臺(tái)裝有2 臺(tái)推進(jìn)器。設(shè)計(jì)航速4 kn時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為472 kW；設(shè)計(jì)航速3.4 kn 時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為328 kW；設(shè)計(jì)航速4.38 kn時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為698 kW。

3 結(jié)論

通過開展縮尺比平臺(tái)模型的自航試驗(yàn)，測得不同航速下螺旋槳推力與平臺(tái)阻力相等的自航點(diǎn)，進(jìn)一步計(jì)算出實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率。通過研究得出以下結(jié)論：

1）模型試驗(yàn)中螺旋槳與實(shí)船使用的螺旋槳在槳型上有差別，其推進(jìn)效率上存在一定誤差，因此在計(jì)算實(shí)際總功率時(shí)需要提供修正系數(shù)k，本模型的修正系數(shù)k=0.5。

2）針對(duì)本目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行了不同航速的自航試驗(yàn)，最終得出在各航速下實(shí)際平臺(tái)所需的主機(jī)總功率。設(shè)計(jì)航速4 kn時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為472 kW。

3）通過自航試驗(yàn)可以獲得模型在設(shè)計(jì)航速下的主機(jī)功率，從而推算出實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率，為自升式勘察平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造提供了依據(jù)。