多工況下船用螺旋槳拖帶自航試驗及實船拖力預(yù)報

多工況下船用螺旋槳拖帶自航試驗及實船拖力預(yù)報

隨著海洋油氣資源的開發(fā)和魚類捕獲的深入海洋，應(yīng)用了更廣泛的海上船舶，如挖掘機(jī)、絞死船、人行道、船舶剖面、泥漿泵、，泥漿泵和拖船。這些船舶均屬于典型的多工況船舶,其常用的工況包括自由航行工況和低速拖帶航行工況(對于帶有動力定位要求的船舶則還包括系柱工況),以往的研究大多只關(guān)注自由航行工況,而對于拖帶航行工況則較少涉及。不同于自由航行工況,船舶在拖帶作業(yè)工況下往往對應(yīng)著較低的航速(甚至零航速)和較大的螺旋槳負(fù)荷,船槳相互影響表現(xiàn)出明顯不同的特征,在系柱工況下,伴流分?jǐn)?shù)和相對旋轉(zhuǎn)效率也失去其原有意義。雖然第26th國際拖曳水池會議(ITTC)在其自航試驗推薦規(guī)程“7.5-02-03-01.1”中給出了系柱拖力試驗和拖帶自航試驗的建議方法,但并沒有涉及實船拖力預(yù)報。為此,提出一套船模拖帶自航試驗方法。1船舶模擬計算的自航試驗和實際船運(yùn)輸能力的預(yù)測方法1.1實船拖力及船模拖力平衡的確定船模拖帶自航試驗與一般意義上的自航試驗流程基本一致,采用相同的船模、螺旋槳及測試系統(tǒng),兩者最主要的區(qū)別在于進(jìn)行船模拖帶自航試驗時需在船模上施加一向后的船模拖力FPM。船模速度為VM,拖帶自航下的力系平衡關(guān)系見圖1。在低速拖航工況下,對于指定的實船拖力FPS,施加于模型的船模拖力FPM為一定值,兩者滿足縮尺比的三次方關(guān)系,式中:ρM,ρS———模型和實船對應(yīng)的水密度;λ———縮尺比。在考慮推力減額t后,力的平衡關(guān)系為拖帶自航試驗雖然對應(yīng)于較低的航速,但仍需進(jìn)行摩擦阻力修正以確定實船自航點(diǎn)。其確定方式與常規(guī)自航試驗一致,即強(qiáng)制力Z(n)與拖航航速對應(yīng)的摩擦阻力修正FD平衡時正好對應(yīng)于實船的自航點(diǎn),試驗中需記錄的數(shù)據(jù)包括螺旋槳的轉(zhuǎn)速nM,推力TM以及轉(zhuǎn)矩QM。摩擦阻力修正值按下式進(jìn)行計算式中:RM,RS———同弗氏數(shù)船模和實船阻力。由式(3)可見,對于某一確定的拖帶航速VM,RM與FD均為定值。根據(jù)公式(1)和(2),當(dāng)要求的實船拖力發(fā)生變化時,船模拖力、螺旋槳所需發(fā)出的推力,以及螺旋槳需要的轉(zhuǎn)速均隨之變化,螺旋槳工作點(diǎn)的變化意味著其將產(chǎn)生不同的抽吸作用,從而通過對流場產(chǎn)生影響,一定程度上也將改變最終的船槳相互影響特征。對于系柱工況,船模阻力和強(qiáng)制力均為零,螺旋槳的有效推力等于船模系柱拖力注意船模系柱拖力FBPM不同于低速拖航工況下的船模拖力FPM,前者根據(jù)模型試驗測得,而后者是根據(jù)實船拖力要求按公式(1)計算所得并預(yù)先施加于船模上。由式(4)不難看出,當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速不同時,螺旋槳發(fā)出的推力不同,船模系柱拖力不同,隨之變化的還包括推力減額分?jǐn)?shù)。為此,第26thITTC建議在進(jìn)行系柱拖力試驗時,需進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的試驗以充分考慮不同負(fù)荷對推力減額分?jǐn)?shù)的影響,并建議從100%MCR依次遞減至40%MCR,這也從側(cè)面表明業(yè)內(nèi)已逐漸認(rèn)識并重視螺旋槳負(fù)荷對推進(jìn)因子的影響。1.2實船性能預(yù)報注意事項常規(guī)自航試驗通常是在設(shè)計航速附近選定幾個航速,分別進(jìn)行自航試驗,然后根據(jù)自航試驗結(jié)果預(yù)報實船達(dá)到該航速所需的收到功率,再通過與實船主機(jī)能夠提供的收到功率進(jìn)行比較以完成最終的航速預(yù)報。對于拖帶航行工況同樣可采用上述方法進(jìn)行航速預(yù)報,其惟一的區(qū)別在于計算螺旋槳需要發(fā)出的推力時應(yīng)同時考慮實船阻力RS與實船拖力FPS,其量綱一的量形式為式中:N,D———實船螺旋槳轉(zhuǎn)速和直徑。RS可根據(jù)RM按二因次或三因次方法進(jìn)行換算,需注意的是此時FPS為給定值,不隨航速變化。另外,在進(jìn)行實船性能預(yù)報時,仍假定推力減額分?jǐn)?shù)和相對旋轉(zhuǎn)效率不受尺度效應(yīng)影響,而實船伴流分?jǐn)?shù)可根據(jù)笹島秀雄方法進(jìn)行換算式中:wS,wM———實船和船模伴流分?jǐn)?shù);CFS,CFM———實船和船模的摩擦阻力系數(shù)。根據(jù)以上步驟可預(yù)報給定主機(jī)功率,且穩(wěn)定輸出指定拖力的情況下實船所能達(dá)到的航速。但實際情況往往是拖航工況的航速一般根據(jù)作業(yè)要求而設(shè)定,如2kn鋪管工況、5kn挖泥工況、6kn拖網(wǎng)工況,等等,相反實船的拖力預(yù)先是未知的,且鋪管設(shè)備、耙頭/絞盤、網(wǎng)具等設(shè)備的阻力隨航速的變化也不可能固定不變。因此,對于拖航性能預(yù)報而言更具現(xiàn)實意義的應(yīng)該是在給定的航速下預(yù)報所能提供的拖力,而非在給定的拖力下預(yù)報所能達(dá)到的航速。考慮到螺旋槳負(fù)荷對船艉流場的影響,并結(jié)合上述拖航作業(yè)實際情況,筆者認(rèn)為在進(jìn)行拖帶自航試驗時,不應(yīng)按照常規(guī)自航試驗采取變航速固定拖力的方式進(jìn)行,而應(yīng)采取固定航速變拖力的方式來進(jìn)行。其步驟大致如下。1)在作業(yè)工況對應(yīng)的船模速度下,假定若干個實船拖力,根據(jù)式(1)計算船模拖力并分別施加于船模,進(jìn)行拖帶自航試驗。2)根據(jù)要求的實船拖力及自航試驗結(jié)果,計算實船所需要的主機(jī)功率。3)將上一步所得要求拖力-需要主機(jī)功率曲線與實船主機(jī)功率相交,可得最終實船拖力。2案例研究2.1主規(guī)范和完成范圍選取一艘拖網(wǎng)漁船開展拖帶自航模型試驗研究,該船采用圓舭線型,帶球艏,雙機(jī)雙槳,表1給出了實船主尺度及相關(guān)參數(shù)。2.2船模拖力及推力針對系柱工況,選取300~700r/min轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行系柱拖力試驗,在不考慮尺度效應(yīng)的前提下,根據(jù)式(6)可初略估計實船所需收到功率,所選轉(zhuǎn)速對應(yīng)的主機(jī)負(fù)荷范圍為11%~138%MCR。圖2給出了不同主機(jī)負(fù)荷情況下的船模拖力及推力減額分?jǐn)?shù)曲線?？梢钥闯?隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加,船模系柱拖力逐漸增加,推力減額分?jǐn)?shù)同樣呈增加趨勢,在達(dá)到80%MCR后趨于穩(wěn)定,但由于該船底部非常平坦,推力減額絕對量級很小,其總的變化并不明顯。2.3實船轉(zhuǎn)速及槳葉機(jī)拖力1)變航速固定拖力方式。按照常規(guī)變航速固定拖力的方式進(jìn)行拖帶自航試驗。根據(jù)給定的實船要求拖力FPS=78.5kN,由式(1)計算得船模拖力FPM=41.85N,并施加于船模,依次在5個速度下進(jìn)行拖帶自航試驗。表2和圖3分別給出了實船船型因子隨航速變化特征,圖4給出了實船螺旋槳凈拖力為78.5kN時的航速預(yù)報結(jié)果,在主機(jī)功率儲備10%,軸系及齒輪箱效率均為0.97時,實船航速可達(dá)6.53kn。2)固定航速變拖力方式。針對指定的6kn拖網(wǎng)工況,隨后進(jìn)行了變拖力的拖帶自航試驗研究。表3和圖5分別給出了實船船型因子隨拖力變化特征。不難看出,隨負(fù)荷的增加,螺旋槳轉(zhuǎn)速增加,船型因子均呈現(xiàn)出比較明顯的變化。圖6給出了實船航速為6kn時的拖力預(yù)報結(jié)果,在相同的主機(jī)功率儲備及機(jī)械傳遞效率下,螺旋槳凈拖力為85.8kN。相比較變航速固定拖力方式,采用固定航速變拖力方式可更真實地模擬實際螺旋槳負(fù)荷狀態(tài),從而準(zhǔn)確地反映船槳相互影響特征,為后續(xù)船機(jī)槳匹配設(shè)計或拖力預(yù)報提供合理的輸入?yún)?shù)。另一方面其預(yù)報實船拖力更為直觀,在圖6上可直接讀出實船主機(jī)功率對應(yīng)的實船拖力,使用更為方便。3實船拖力帶自航試驗1)船模拖力變化時,螺旋槳工作點(diǎn)發(fā)生變化,將對船型因子產(chǎn)生一定的影響。2)采用固定航速變拖力的方式進(jìn)行拖帶自航試驗,進(jìn)而預(yù)報實船