水动力试验技术在全回转三桨推进船上的应用

2014-08-17陈伟民蒋曙晖

上海船舶运输科学研究所学报 2014年1期

陈伟民，蒋曙晖

(航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0 引言

为增强海洋工程装备产业的创新能力和国际竞争力，推动海洋资源开发和海洋工程装备产业创新、持续、协调发展，国家制定了《海洋工程装备产业创新发展战略(2011-2020)》。其中，对于量大面广、占市场总量80%以上的海洋工程装备(包括物探船、工程勘察船、自升式钻井平台、自升式钻井作业平台、半潜式钻井平台、半潜式生产平台、半潜式支持平台、钻井船、浮式生产储卸装置(FPSO)、半潜运输船、起重铺管船、风车安装船、多用途工作船、平台供应船等)要重点突破自主开发设计的核心技术，以具备概念设计、基本设计和详细设计能力。

此类船舶的特点是设备、设施复杂繁多，具有动力定位的要求。因此，尾部设计上一般采用纵流型设计思路，配置2套甚至多套推进系统，以满足多工况需求。为满足造船市场对此类船舶性能研究的需求，研制开发了可配置三个全回转推进器船舶的模型水动力试验设施，可为此类船舶提供水动力试验研究，为船厂和设计院所提供船型开发和技术储备。

1 技术现状

上海船舶运输科学研究所(以下简称船研所)从2005年开始与荷兰MARIN水池开展密切合作，至今已陆续进行了一系列针对吊舱推进水动力性能的理论计算和研究。为更好地对吊舱推进方式进行研究，该所在2009年引进了荷兰MARIN水池的吊舱六分力动力仪，并自行开发了与之配套的数据采集系统，形成了一套初步的吊舱推进试验方法，并运用到了实际项目之中，进行了采用吊舱/全回转推进方式船舶的模型试验。根据在吊舱仪器上使用的经验，2011年再次引进了六分力天平和直角传动机构，以适应不同类型和用途的吊舱推进模型试验。船研所现已具备进行多吊舱的船舶模型试验的能力，在国内吊舱推进模型试验的应用和研究领域占有一定优势。

2 模型水动力试验的相关技术

2.1 试验方法

吊舱推进模型试验主要参照ITTC吊舱式电力推进船模试验的方法，将整个吊舱推进单元作为整体推进器;在进行阻力试验时,不需要安装吊舱推进单元模型，与常规船型的阻力试验一致，船模由拖车牵引，计算机实时记录各个航速下作用在船模上的力;船模艏部装有激流装置,将层流变为湍流。阻力试验一般测量10个点，包含船模速度Vm和该速度下的船模总阻力Rm[1]。

自航试验时，仍然保留阻力试验中船模上安装的激流装置和附体，并将整个吊舱推进单元安装到船模上。自航试验按强迫自航方法进行，在包含设计航速的航速范围内变换五个船速，每个船速Vm下变换4个螺旋桨转速；计算机分别实时记录推进单元的推力Tum、螺旋桨推力Tpm、扭矩Qm、转速nm，以及作用在船模上的强制力Z；随后，对测量数据进行插值，得到实船自航点Z=Fd处的Tum、Tpm、Qm和nm。

三桨船的自航试验分析方法与常规双桨、单桨船的分析方法有所不同，关键在于确定各个螺旋桨的阻力分配情况。为此，在对三桨船进行自航试验时，除了进行三桨自航试验，还需进行双桨(去除中间桨)和单桨(去除边桨)的自航试验。在进行双桨和单桨的自航试验时，螺旋桨转速要与之前三桨自航试验时对应螺旋桨的转速基本保持一致。

2.2 分析方法

三桨、双桨和单桨自航试验需分别满足以下平衡条件：

三桨：

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

(1)

双桨：

Rm-Z2=2TB2(1-tB2)

(2)

单桨：

Rm-Z1=TM1(1-tM1)

(3)

式(1)～式(3)中：TB、tB为三桨试验时边桨的推力和推力减额；TM、tM为三桨试验时中桨的推力和推力减额；TB2、tB2为双桨试验时边桨的推力和推力减额；TM1、tM1为单桨试验时中桨的推力和推力减额；Z1、Z2、Z3分别对应单桨、双桨和三桨自航试验时的强制力。

中桨的阻力分配系数

(4)

边桨的阻力分配系数

(5)

CB+CM=1

(6)

由式(7)可得到边桨和中桨的推力减额分数tB和tM：

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

(7)

确定了阻力分配系数CB和CM，就可以根据自航桨模的敞水性征曲线，采用常规的等推力法分别对边桨和中桨的推进因子进行分析。

而对全回转推进船舶的自航试验修正方法与常规推进的船舶有所不同，主要体现在实船摩擦阻力修正值的计算与全回转吊舱包的阻力修正上。

其中摩擦阻力修正值Fd为：

(8)

修正完吊舱包阻力后的单元推力：

Tm=Tum+(Tpm-Tum)×β

(9)

β为吊舱阻力修正系数，根据舱体的外形特征进行选取[2]。

其余试验结果分析与常规推进方式类似，船舶有效功率Pe的换算采用二因次方法；自航分析采用等推力法；实船预估采用1978年ITTC实船性能的预估方法进行。考虑到全回转推进船艉部线型的特点，一般不考虑实船伴流的修正。

3 模型试验及结果分析

为研发三桨全回转模型，对水池的控制系统和采样系统进行了更新和扩充，形成了一套先进、可靠的吊舱推进试验平台，可为最多配置3POD/全回转推进器的船舶提供水动力试验服务。

采用的三桨船船型主尺度及船型参数见表1。

表1 船舶的主尺度

由表1可知，该船方形系数Cb=0.753 2，长宽比为L/B=3.286，宽度吃水比为B/T=7.273；设计航速为12 kn时Fn=0.172，属于典型的中低速海工类船舶。此类船舶在快速性上有一定的要求，对于稳性和操纵性以及作业航行时所能输出的最大功率也有较高的要求。因此，配置多个全回转吊舱推进器可以很好地满足此类船舶的需求，提高船舶作业及靠港时的灵便性；同时，可以有效降低单个螺旋桨上的负荷，减少振动等方面的影响。

该船模艉部的布置特点见图1。一般情况下，全回转推进器的螺旋桨会配置导管，但本项目主要出发点是解决全回转三桨推进快速性试验的问题，因此进行了适当简化，推进器的配置暂未考虑导管。

图1 三桨船艉部布置图

该船模型试验在船研所拖曳水池中进行。试验船模为木制，桨模采用库存的MAU桨。阻力试验在裸船体下进行，移除了整个推进单元(包含螺旋桨、舱体、吊柱等)，用刚性阻力仪测量船模阻力Rm；自航试验采用强迫自航方法，用六分力天平和直角传动轴测量螺旋桨的推力Tpm，扭矩Qm，吊舱单元推力Tum；用刚性阻力仪测量强制力Z。由于三桨船的三桨之间存在互相干扰因素，试验参照常规船型三桨推进模型试验的方法，分别进行了三桨状态模型自航试验以及单独边桨和单独中桨的自航试验，结合全回转推进器的特点，对全回转吊舱包的阻力进行了修正。试验仪器安装见图2，模型试验见图3。

对试验数据进行计算分析后，得到了该船各桨的自航因子，其中设计航速附近的自航因子结果见表2，图4为实船航行特性曲线。