基于模型自航试验的自升式平台主机功率估算

徐帅陵，叶纪超，侯 方

（中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000）

0 引言

自升式海洋平台的优点主要是所需要的钢材少，造价低，在各种海况下都能平稳作业，根据其移动方式可分为自航、助航和非自航。自升式勘察平台在完成一个站点预定工作后，将收起桩靴迁航至下一个工作点。由于定位准确、工作效率高，具有自航能力的自升式勘察平台在海洋工程勘察领域越来越具有优势[1-3]。早在20 世纪70年代，我国开始在半潜式钻井平台上安装推进器，以方便平台的拖航和定位。从1973年后，我国建造的平台大多都具有自航功能[4]。可见自航式勘察平台逐渐发展为一种潮流趋势。

自航式勘察平台是结合一般自升式平台与自航式勘察船的优点，在移动时不需要拖航，可单独完成海上作业任务，效率高。但自升式勘察平台在自航过程中，安装于平台后面的螺旋桨与平台之间会彼此影响附近的水流速度场和压力场，而且这种影响非常复杂，迄今还不能用理论计算方法求得。因此，模型试验是主要的研究手段之一。船模自航试验是分析研究各种推进效率成分的重要手段，其能够预报自航因子，预估实船的快速性和判断螺旋桨与主机、船体之间配合的是否良好。虽然船模自航试验的要求较高，但它得到的试验数据对后续推算船模主机功率等具有重要的意义[5]。国内对船舶自航试验方面的研究工作开展较多。刘洋等[6]为了解决潜艇自航模型制作过程中系统设备布局问题，保证重心位置准确，设计了一种复杂结构体，保证了船模内部构建测量问题，运用ISIGHT 数据优化软件消除工装误差影响，使自航试验能够更加准确地反应实艇的操纵性能。杨素军等[7]通过优化设计自航模型操纵系统来完成多种操纵性试验。尚留宾等[8]为某型潜艇自航模型设计一套在试验中可对水中目标进行监测、实时采集、实时处理数据的系统，使得潜艇在自航的过程中能够精准定位。依照目前的研究水平，船模自航试验仍然是研究船体和螺旋桨之间相互作用的最好方法[9-11]。船模试验主要是在试验水池内进行，通过试验，即选择快速性较好的船型与设计配合船型的最佳的推进器，在船模拖曳水池中进行自航试验，可以对船舶在航行中所发生的物理过程有更加深刻的了解[12]。但针对具有自航能力的平台开展自航试验的研究较少。

本文为更好地研究带自航能力自升式平台船体与螺旋桨的配合情况，准确估算实际平台总主机功率，针对目标平台的缩尺比模型开展不同航速下的自航试验。试验测得不同航速状态下螺旋桨推力与平台航行阻力相等的点，即平台的自航点，同时记录下对应的推进器电机功率，然后再换算得到实际平台的推进器主机功率，为实际平台推进器主机功率的选择提供依据。

1 自航试验概况

1.1 试验方案

以自升式勘察平台为研究对象，在江苏科技大学船模拖曳水池中开展缩尺比模型试验。根据水池的长度、拖车的速度范围确定平台模型的缩尺比为1∶25。

模型与实际平台各个物理量之间的对应关系见表1。

表1 平台主尺度表

在平台缩尺比模型安装上动力装置，包括螺旋桨、电机和电池等。通过测量缩尺比平台模型某一速度稳定航行时，螺旋桨模型发出的推力恰好克服阻力的点称为自航点，也就是螺旋桨发出的推力，克服船的总阻力。经过数据处理后，各种力之间都存在缩尺比3 次方的关系。确定自航点的目的是为了计算出达到自航点所需的主机功率，进而推算实际平台若想达到设计航速所需的主机功率。根据自航试验的结果对实际平台推进性能进行预报。

基于上述原理，结合江苏科技大学拖曳水池的试验条件确定本项目的自航拖曳试验方案。本自航拖曳试验方案是利用拖车将模型稳定在目标航速，通过调节船模推进器功率大小，最终实现拖曳绳上的拉力恰好为0，以此获取推进器的功率。

同时，在设计航速的附近增加2 个自航试验工况，即试验中分别选取0.35 m/s、0.41 m/s、0.45 m/s等3 个模型速度来进行自航试验。

1.2 试验目的

自航试验是在阻力试验之后，是测定螺旋桨在尾部工作的航行性能，以此可检验该平台模型、主机和螺旋桨之间的配合情况。一般情况下，自航试验主要解决以下问题：

1）分析研究各种推进效率成份，研究桨、船两者的相互作用，从而为螺旋桨的设计提供依据，或从若干船体与螺旋桨的组合方案中选最优方案。

2）预报实船性能。即通过试验给出主机功率、转速和船速之间的关系，得出实船的航速预报。

3）判断螺旋桨、主机、船体之间配合是否良好。

本次自航试验通过螺旋桨推动平台，找到螺旋桨推力与平台航行时阻力相等的点即为自航点，并推算出实际平台达到自航点设计航速所需的主机功率。

1.3 试验装置

本试验在江苏科技大学船模拖曳水池中进行，船模拖曳水池全长100 m，宽度6 m，最大水深2 m，最小水深0.3 m。轨道全长100 m，中央测桥可以向左侧池壁移动，能上下升降，行程1.5 m，可用于完成浅水和狭窄航道试验。拖车最高车速6.00 m/s，最低车速0.03 m/s，稳速走车距离大于40 m，波动误差1‰。水池顶端装有推板式造波机，模拟规则波以及单向不规则波，频率0.2～1.6 Hz，最大波高0.3 m。

自航试验模型是在阻力试验模型的基础上在模型尾部对称安装2 个螺旋桨，模型内部安装电机，其余装置与阻力试验相同，通过螺旋桨推力带动模型前进。拖曳水池及自航试验装置具体情况见图1～图5。船模配套的推进器参数见表2。

图1 江苏科技大学拖曳水池

图2 螺旋桨整体图

图3 螺旋桨实物图和平面图

图4 自航试验模型

表2 平台模型配备的推进器参数选型

1.4 试验相似定律

在模型阻力试验时，需要满足弗劳德数Fr相同的条件，即

式中：下标s 和m 分别代表实际值和模型值；g为重力加速度；Ls为实际平台水线长；Lm为模型水线长；Vs为实际平台的航行速率；Vm为模型的航行速率。

在模型自航试验时，模型和实际平台的Fr要相同，螺旋桨的进速系数也要相同，即

式（2）～式（4）中：λ为实际平台与模型的比例；nm为模型螺旋桨的转速；ns为实际平台螺旋桨的转速。

1.5 试验步骤

1）准确称重模型质量及压铁质量，以达到按照模型缩尺比要求实平台相应的排水量。

2）将已备好的装有螺旋桨的试验模型放在水中。

3）将模型安装在拖车上，应使其纵中剖面与前进方向一致，拖力作用线应位于纵中剖面内，其作用点在水线面附近的位置上保持水平，将所有仪器连接好，检查无误时，开启所有仪器，将模型置于自由状态，对测量系统进行平衡，然后清零，等待试验。

4）选定3 个模型速度（平台设计航速包括在内），分别按选定的速度启动拖车，同时启动螺旋桨，通过遥控装置改变螺旋桨功率来保证在此航行速度下模型与拖车匀速前进，通过数据采集系统找到阻力为零的点并记录下该点螺旋桨所消耗的功率。

2 试验结果分析

在试验过程中，航速0.35 m/s 工况经过4 组试验找到了自航点；航速0.41 m/s 工况经过5 组试验找到了自航点；航速0.45 m/s 工况经过3 组试验找到了自航点。

自航试验所测得的数据以及换算到实际平台的主机功率值分别见表3～表5。

表3 试验数据

表4 模型电机功率数据标定表

表5 平台功率数据

考虑到模型缩放比例为25，根据相似准则，拖曳模型符合Fr相等。

此外，因模型试验螺旋桨与实船使用的螺旋桨在桨型上有差别，因此推进效率上有较多差距，在计算时需要提供修正系数k（模型推进效率/实船推进效率）。本模型螺旋桨的推进效率为0.25，船用螺旋桨推进效率一般为0.50，因此，修正系数k=0.50。

计算实际平台主机的有效功率公式为

式中：Ps为实际平台的主机功率；Pm为缩尺比模型的主机功率。

表4 数据为单个主机的功率，平台装有2 台推进器。设计航速4 kn时，实际平台主机总功率为472 kW；设计航速3.4 kn 时，实际平台主机总功率为328 kW；设计航速4.38 kn时，实际平台主机总功率为698 kW。

3 结论

通过开展缩尺比平台模型的自航试验，测得不同航速下螺旋桨推力与平台阻力相等的自航点，进一步计算出实际平台的主机功率。通过研究得出以下结论：

1）模型试验中螺旋桨与实船使用的螺旋桨在桨型上有差别，其推进效率上存在一定误差，因此在计算实际总功率时需要提供修正系数k，本模型的修正系数k=0.5。

2）针对本目标平台进行了不同航速的自航试验，最终得出在各航速下实际平台所需的主机总功率。设计航速4 kn时，实际平台主机总功率为472 kW。

3）通过自航试验可以获得模型在设计航速下的主机功率，从而推算出实际平台的主机功率，为自升式勘察平台的设计和建造提供了依据。