三桨船水动力性能试验研究

2015-10-29覃冲宇无锡东方高速艇发展有限公司江苏无锡214000

江西建材 2015年8期

覃冲宇无锡东方高速艇发展有限公司，江苏无锡 214000

船模自航试验是分析研究各种推进效率成分的重要手段，自航试验的目的是正确估计船模的伴流分数、推力减额、相对旋转效率等推进因子，对实船的性能进行预报以及判断螺旋桨、主机以及船体之间的配合情况。选取合理的推进因子是船舶螺旋桨设计的基础，也是决定螺旋桨设计成败的关键之一。对于单桨船或双桨船来说，推进因子的确定比较容易，国际拖曳水池会议(ITTC)于1978 年提出“1978 年ITTC单桨船性能预报方法”，对单船的自航试验及实船预报提供了依据并获得较好的效果，对双桨船来说，左右螺旋桨相对于船中是对称分布的，一般都将阻力一分为二进行处理，虽然这样做忽略了两桨之间的相互干扰，但基本能满足工程需求，对三桨船来说推进因子的确定就比较困难，主要是各桨阻力分担的不均匀导致数据处理时如何对各桨进行阻力分配有一定的难度。对于采用导管螺旋桨的三桨船，除了阻力分配方面的困难外，敞水导管桨的螺旋桨推力、导管推力与船后导管桨的螺旋桨推力、导管推力差异的处理也有一定的困难。

1 模型试验研究

为了便于分析阐述，本文以一艘三桨船为例进行分析，该船为浅吃水船舶，采用的是三机三桨形式，为了提高推进效率，选用了导管螺旋桨。由于多桨船的内侧桨和外侧桨因在船后的位置及布置方式不同，相互之间的干扰不同，工作处的流场不同，使得各状态下船舶的阻力不同，因此，在对光体船模阻力进行测量之后，也对带导管的船模阻力进行了测量，并通过改变内侧导管和外侧导管的相对位置，探讨了导管间距对船模阻力的影响，具体数据见表1。从表1 中的试验数据中可以看到，加上导管后船模阻力明显增加，内外侧导管之间的间距的变化对阻力也有一定的影响，因此在后续的试验中采用的是阻力最小的方案，即中桨位于3.5 号肋位。

表1 内外侧导管间距对阻力的影响

受吃水限制，导管上缘一部分嵌入了船体，因此这部分对导管的推力没有贡献，应予以扣除，具体计算是按几何比例关系予以扣除如下式:

式中:KTP——嵌入船体导管桨有效推力系数;KT——导管螺旋桨总推力系数;KTN——导管总推力系数;θ——嵌入角。图1 和图2分别为左右桨及边桨扣除嵌入船体部分后的敞水性征曲线.

图1 外侧桨敞水性征曲线图

图2 内侧桨敞水性征曲线图

2 自航试验数据处理及分析

三桨船自航试验采用的是强制自航方法，其试验方法与单桨船相同。一般选取四个船模自航速度，对某一选定的船模试验速度，一般需要外加五个强制力，当z=0 时，即为自航点。对于三桨船来说，除了对三个桨进行自航试验外，还需对边桨(摘除中桨)和中桨(摘除边桨)进行自航试验，此时应满足来流条件相同，即在实船自航点处按同转速、同航速，分别测量双桨和单桨的推力、转矩与强制力。在对导管的处理方面，摘除中桨或摘除边桨时，由于导管的翼型剖面特点，会产生一定的推力，因此在处理时需扣除这部分推力。船模在三桨、双桨及单桨自航试验是满足如下平衡方程:

三桨时:

其中:Rm——船模带附体(舵)总阻力;

Z3、Z2、Z1——分别为三桨同转、仅边桨转、仅中桨转时的强制力，由于仅边桨转或中桨转时，仅摘除了桨，导管并没有摘除，因此Z2=Z＇2－TDM2，Z1=Z＇1－TDS1，Z＇2、Z＇1为实际测量的强制力，TDM2、TDS1分别为仅边桨转时中导管产生的推力和仅中桨转时边导管产生的推力;

TPL、TPR、TM、TDL、TDR、TDM——分别为三桨同转时左桨、右桨、中桨、左导管、右导管、中间导管产生的推力;

tL、tR、tM——分别为三桨同转时左桨、右桨、中桨的推力减额;

TPL2、TPR2、TDL2、TDR2——分别为摘除中桨、两边桨转时左桨、右桨、左导管、右导管产生的推力;

tL2、tR2——分别为摘除中桨、两边桨转时左桨、右桨的推力减额;

TPM1、TDM1——为摘除边桨、中桨转时中桨、中间导管产生的推力;

tM1——为摘除边桨、中桨转时中桨的推力减额;

从前面的敞水数据可以左右螺旋桨的敞水性征曲线基本相同，左右桨的推力测量值基本相同，因此在试验数据处理时认为左右边桨的推力减额相同，因此(2)、(3)式可简化为

TPS、TDS、tS——分别为三桨转时边桨、边导管产生的推力，边桨的推力减额;

TPS2、TDS2、tS2——分别为边桨转时边桨、边导管产生的推力，边桨的推力减额;、

(7)式表示的是边桨与中桨无相互干扰时，工况为2Rm－Z2－Z1下，边桨克服的阻力为Rm－Z2，中桨克服的阻力为Rm－Z1，此时边桨和中桨的阻力分配系数分别为:

(11)式表示的是三桨同转时桨产生的推力与仅边桨转桨产生的推力之差加上三桨同转时桨产生的推力与仅中桨转桨产生的推力之差，即两倍的有干扰时桨产生的推力与无干扰时桨产生的推力之差，这样可认为在工况为Z1+Z2－2Z3下，计及干扰下中桨克服的阻力为Z2－Z3，边桨克服的阻力为Z1－Z3，此时边桨和中桨的阻力分配系数分别为:

令ΔT=2(TPS+TDS)(1－tS)+(TPM+TDM)(1－tM)－2(TPS2+TDS2)(1－tS2)－(TPM1+TDM1)(1－tM1)则在工况2Rm－Z2－Z1下，推力T1=T－ΔT;在工况Z1+Z2－2Z3下，推力T2=T+ΔT，则T=0.5×(T1+T2)，则在近似认为阻力分配系数与产生的有效推力为线性关系的情况下(这一关系在谭等文章中有验证)，可得实际工况下边桨和中桨的阻力分配系数分别为: