表面桨实用设计方法
2018-06-14,,
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(武汉劳雷绿湾船舶科技有限公司,武汉 430083)
关于表面桨的设计方法,一般有升力面法[1]和模型系列试验图谱法。2种方法都不太成熟,往往一条艇首先要设计几套不同要素的表面桨,然后通过实艇试航来选择与主机特性和艇特性相匹配的表面桨(表面桨轴无上下转动功能的尤甚)。本文借鉴国外表面桨系列模型试验图谱,结合武汉劳雷绿湾船舶科技有限公司的设计经验和实艇数据,提出一种表面桨实用设计方法。
John C.Rose和Claus F.L Kruppa发表的《表面桨系列模型试验结果》,经过若干艇的使用证明是有效的,考虑以此为基础进行表面桨设计,但由于下列原因必须对其进行修正。
1)表面桨设计中用的艇阻力,一般用模型在水池里的试验结果再采用二因次法换算到实艇[2];同样,表面桨的特性也是在特制空泡筒或减压水池中模型试验结果用KTM=KTS,ηPM=ηPS计算的。这都存在“比尺效应”[3]。
3)Rose提供的表面桨特性是在盘面比0.8、毂径比、ROLLA剖面型、空泡数0.2、桨叶数4等状态下作的系列模型试验,如若设计的表面桨与其一项或几项不同,表面桨的特性将发生改变。
4)计算误差和试验误差不可避免。
鉴于以上原因,尝试用母型船实艇试航的数据,通过计算求得推力修正系数γ和效率修正系数φ2,再来修正用图谱获得的推力T和效率ηp。该修正系数的数值大小与采用的母型艇、选用的图谱和艇的航速等有关[6]。利用γ、φ2、Rose表面桨图谱、船模试验、主机功率和主机转速就可优化设计艇的表面桨要素。
1 γ和φ2的求取
针对10.3 m无人艇表面桨,求出母型艇γ=f(Vs)、φ2=f(Vs)的曲线,见图1。
2 设计艇表面桨要素的优化(设计)
得到型船的γ-Vs、φ2-Vs曲线后,利用该进行表面桨参数的优化。
2.1 优化的前提
1)用确定γ、φ2时同一个Rose表面桨图谱。
2)用船模试验按二因次法换算得出艇阻力。
3)线型参数应尽量与型船相近。
4)桨与艇体的相对位置应尽量与型船相似。
5)都应是高速滑行艇,其FrΔ尽量接近型船。
2.2 优化要素
表面桨的要素有盘面比θ、叶数z、剖面型、叶宽分布、毂径比dc/D、侧斜、纵斜、直径D和螺距比P/D。由于采用Rose图谱,其θ、Z、剖面型、叶宽分布、侧斜,纵斜和毂径比是固定的,因此优化的要素只有D和P/D。
2.3 优化计算的方法
利用该方法可得出经优化的表面桨D、P/D以及预报可达航速Vs*。
1)优化计算应具备的已知条件。
(1)采用的主机台数,每台最大功率和相应转速ns,见图2。
(2)采用的齿轮箱台数、减速比i(经软件计算或经验公式确定)。
(3)传递效率ηm按经验选取。
(5)用模型试验结果确定设计Δ和Xg下的实艇阻力和Δ1Xg变化对阻力的影响值。
(6)以型船γ=f(Vs) 、φ2=f(Vs)为例,见图1。
(7)利用通用的方法确定艇的空气阻力及附件(若有的话)阻力。
(8)正确地选用Rose表面桨图谱,做为例子,见图4、5。
2)优化计算[8]。
继而用力矩方程求出垂向力对艇的重量、重心的影响得出新的排水量Δ1i和重心纵向位置Xg1i。再计算Δ1iXg1i下的阻力(要加上空气阻力和附体阻力)得Rρi。
用γ=f(Vs)φ2=f(Vs)修正表面桨推力Tsi=γTi。
当Tsi≥Rsi时的Di、P/Di组合可使设计方案达到设定的航速Vs。
比较满足Tsi≥Rsi中取其最大Tsi的组合Di、P/D即为最优之要素。这是推力大于阻力,为此可增加设定的航速进行再一次优化,若得不到Ts≥Rs,则需减小设定的航速进行再次优化。
3)优化结果与实艇试航结果对比。
对10.3 m无人艇进行优化,得到Di=0.59 m,P/Di=1.49,预报得到Vs=52.5 kn。用此D、P/D组合进行实艇试航,取得航速为52 kn。计算结果与试航结果的相对误差为1%。
3 结论
1)通过试航证明,所提出的表面桨要素(D,P/D)之优化所得的结果与试航结果吻合较好,故考虑γ、φ2之修正系数和计及垂向力的优化程序有较好的精度。该修正系数γ、φ2是一个“比尺效应”,“艇体对表面桨水动力干扰”以及各种误差的综合,是目前尚无理论方法可计算的,借用型船的试航数据来取得。
2)采用本优化方法对型船数据依赖度较高,若无相近的型船将会降低优化结果的精度;若不采用与表面桨试验图谱一致的叶剖面型及其他几何参数,也会降低优化结果的精度,甚至会出现较大的误差。
3)利用本文提出的优化表面桨要素的方法,曾做过多型船表面桨的设计,都取得了较好的效果,因此本方法具有实用的价值,可推广使用。
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