小型高速艇静水阻力试验研究

小型高速艇静水阻力试验研究

1高速交通实车性能改善方法高速商用车，如私家车，巡逻车等小型高速船，由于其机动灵活、成本低、日常运营成本节约等优点，已被广泛使用。但由于其主尺度较小,耐波性能较差,尾部振动大,影响了使用性能。本文结合某项产品的设计论证和船模试验,对改善艇的总体性能的若干措施进行了研究,其中包括用尾压浪板和首压浪条减小船体阻力,采用深V线型改善艇的纵摇与升沉,采用主动式减摇鳍或阀控式减摇水舱减小船的横摇,并提出采用鹰翅式大侧斜螺旋桨来减小船体振动等。本文研究的高速交通艇,航速在23kn以上,在沿海航区航行。艇的主要要素如下:2改变没有升沉力该艇的线型采用深V线型,横剖面型线图见图1。深V线型对改善艇的纵摇、升沉运动有好处,但静水阻力偏高。为减小船体阻力,本艇安装了尾压浪板、首压浪条等附体,并进行船模试验,以测定其减阻效果。2.1船模、尾压板和首压板的比例(1)船舶模型采用木模,模型缩尺比为λ=13.0,船模总长为2.59m。(2)尾压浪板尾压浪板长度为0.40m,宽度与艇的尾封板相同,压浪板的安装角分别取α=6°及8°,该角度是指尾压浪板与水平线之间的夹角。(3)第一个压浪板安装在艇首部水线以上,左右对称,其宽度为0.15m,安装在15#～19#站之间。2.2实阶段效果试验结果本文进行如下状态的模型静水阻力试验:(1)满载状态;(2)满载状态加装尾压浪板,安装角为6°;(3)满载状态加装尾压浪板,安装角为10°;由于尾压浪板安装角为6°时减阻效果较好,所以在此状态下加装首压浪条。(4)满载状态,加装尾压浪板(安装角为6°)及首压浪条。由试验可得船模阻力曲线。根据船模阻力试验结果,按Froude法换算得到实艇有效功率曲线,如图2所示,其相应的数值见表2。在计算有效功率时摩擦阻力系数采用1957ITTC公式,粗糙度补贴系数ΔCf=0.3×10-3。由试验结果可得出:(1)安装尾压浪板可取得一定的减阻效果。在设计航速23kn、尾压浪板安装角为6°时,有效功率降低4.5%,安装角为10°时,有效功率降低3%。(2)在安装尾压浪板(安装角为6°)时,同时安装首部压浪条,总的减阻效果更好。在设计航速23kn时,总的减阻效果可达5.6%。3深vdv线型结构耐波性试验研究小型高速艇从考虑具有良好的阻力性能出发,过去大都采用圆舭线型。近10年来,国际上推出的深V线型,尽管其静水阻力较差,但其耐波性能较圆舭线型有明显改善。本文结合一项产品设计,对排水量为100吨级的深V线型艇的耐波性进行了试验研究,包括静水自由横摇衰减试验、规则波中零速横摇试验、规则波中迎浪试验。由于试验经费的限制,没有进行相同尺度和排水量的圆舭型艇的对比试验。文献曾报道过不同线型的耐波性试验结果。试验的圆舭型实艇的排水量为400t,尽管这与本文试验的深V线型艇的排水量相差较多,但相互比较还是可以得出一些定性的结论。3.1次横摇阻尼系数根据两种线型静水横摇试验所得的消灭曲线,可求得相应的无因次横摇阻尼系数μ。求得100t级深V型的μ=0.0799,而400t级圆舭型艇的μ=0.0413(横摇角φ=15°)。可见深V船型的无因次横摇阻尼值是圆舭船型的1.5倍以上。3.2实阶段性能估算根据两艇模型在规则波上试验得到的横摇频率响应曲线,应用统计理论的方法估算实艇在不规则波浪上的横摇性能。实艇性能估算采用ITTC波谱。实艇横摇角在有义波高为2m时,计算的结果为:100t级深V型艇:φ1/3=23.30°400t级深V型艇:φ1/3=23.39°由此可见,尽管两艇的尺度和排水量相差较大,但其横摇角相当。3.3实排放纵摇幅值在船模试验中测定迎浪情况下船体的纵摇运动幅值,可以得到实艇的频率响应曲线,据此可得出其纵摇运动谱密度,从而可得到不同海况下实艇的纵摇幅值。表3给出了100t级深V型艇和400t级圆舭型艇在航速23kn左右时的纵摇幅值,其中θ1/3为有义纵摇角。由表3可见,100t级深V型艇和400t级圆舭型艇在有义波高为2.0m海况下,其纵摇性能相当。4减摇装置的选择小型船舶由于尺度较小,横摇周期很短,在实际海况中横摇幅值又较大,虽然深V线型横摇阻尼较大,但要从根本上解决横摇性能,必须采取减摇装置。对此,本艇进行了阀控式减摇水舱和主动式减摇鳍的方案研究和设计,并进行了优缺点分析。4.1减摇水阀控制阀控式减摇水舱是一种可控被动水舱,它可通过阀门来调节水舱的固有周期,使其在不同的海况下都有较好的减摇效果。(1)减速带的控制阀控式减摇水舱的控制原理图见图3。(2)水舱静特征数计算水舱尺度的确定取决于船体布置、横摇固有周期、所需减摇能力的大小、水舱中的水量等,根据100t级深V型艇的数据,设计的水舱尺度如下(见图4):边水舱外侧距船舯2.6m边水舱宽0.8m边水舱高1.5m边水舱水位深1.0m水道深0.5m水舱沿船长方向长度3.0m水舱水量10.2t水舱水量占排水量比例10.2%本船横摇固有周期3.49s,最常遭遇的波浪平均周期在4～5s之间,因此在海上的横摇周期在3s以上。阀控水舱在阀门完全开启的情况下,水流振荡周期可以随之变化,只要水流振荡固有周期等于船舶横摇周期,阀控减摇水舱就能发挥最佳效果。本水舱设计取减摇静特征数为2度。一般说来,这类船舶的放大系数在共振时为5倍左右。减摇静特征数2度可以抵消10°左右的横摇角。(3)高、低风速情况下的减摇效果阀控水舱的优点是减摇效果较好,且基本上与船舶航速无关,在高航速和低航速情况下具有大致相同的减摇效果。其缺点是水舱所需水量达10.2t,占艇排水量的10.2%,使艇的排水量增大,航速有所下降。4.2车辆的选择和减摇主动式减摇鳍在舰船上已广泛使用。为了减小在海浪上的横摇,改善船员和乘客工作、生活条件,特地请专业设计部门为100t级深V型艇做了主动式减摇鳍的设计。(1)液压系统驱动执行机构①一对不可收放式减摇鳍及其执行机构,单鳍面积约为0.9m2;②一套液压伺服系统用于驱动执行机构;③一套电器控制系统可自动测量艇的运动状态,并形成控制信号,输入液压伺服系统控制鳍转动,同时提供装置的工作状态显示。(2)参数和减速效果设计①在4级海况航速20kn时,艇在任意航向航行时的剩余横摇角的平均值≤3°;②减摇鳍避撞安全角大于3°;③全套装置的总重量为2t左右。(3)优秀分析优点为:技术上成熟,减摇效果好,而且装置的重量小,结构紧凑。缺点为:在低航速或没有航速时,减摇效果大为减小。5某舰队的减振设计小型高速艇存在一个比较突出的问题是船体振动大。振动常由主机及螺旋桨引起。其中螺旋桨的因素更为重要。小型高速艇采用多叶大侧斜桨是改善螺旋桨引起的船体振动的有效措施。由上海交通大学研制的鹰翅式大侧斜螺旋桨已应用在某护卫舰上,其振动和噪音比用三叶桨有明显降低,而且桨叶的腐蚀情况比较轻。该桨近来又在飞翼号高速双体客轮上应用,取得了很好的减振效果。实测结果表明:五叶大侧斜桨引起的船体振动比三叶常规桨下降70%,而效率没有降低。本船的设计方案是,主机选用TBD616V12两台,每台持续功率为839kW,每分转数为2165r/min,选用ZFBW255型齿轮箱,减速比为1∶2.75。本船选用JQ型鹰翅式五叶大侧斜螺旋桨,设计结果为:直径D=0.94m;盘面比=0.81;0.7R处螺距比PD=1.562ΡD=1.562。按10%功率储备,此船航速可达23.65kn。本船应用5叶大侧斜桨后,预计船体振动会比用常规三叶桨有明显降低。6船模试验的成果(1)船模试验表明,采用尺度适当的尾压浪板,可以有效地降低船体阻力,如配合安装首部压浪条,其减阻效果更好。(2)船模试