（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）四桨推进大型船舶的船机桨匹配研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：了卜强 日期： 川年岁月，歹日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 硇在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：了一泡 - , - 9 n ( 签字) ： 日期：- f f 年；月) 日 川年夕月，1 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及其意义 。近几年来。随着航运的发展，对于船舶的续航力、航速要求赶来愈高， 船舶吨位、功率不断增加，船舶在航行过程中，随着航速的变化，油耗的变 化也不同，同样，对于多桨工作的大型船舶而言，采用几桨工作也会产生不 同的油耗。目前几家单位针对某四桨推进的大型船舶的四桨工作和两桨工作 工况下的耗油率问题提出争议，各方根据自己的分析提出了不同的看法，认 为四桨推进大型船舶巡航时分别是两桨工作和四桨工作情况下省油，为解决 此经济性问题，本文从理论分析入手，建立船舶模型，通过实例计算来确定 何种工况油耗率更低。 船舶动力装置是保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工 作和生活的机械设备与系统的综合体。蒸汽轮机作为船舶的推进动力，按照 螺旋桨特性将其功率通过轴系传给螺旋桨，螺旋桨在水中旋转产生推力克服 船舶航行阻力使船舶保持一定航速。如果主机与螺旋桨配合不合理则会导致 转速上不去、航速达不到、主机超负荷，严重时甚至会出现拉缸等严重问题。 可见，螺旋桨的设计及与船舶主机的匹配是与船舶快速性、经济性以及安全 性相关的重要组成部分，成为船舶科技领域的重要课题之一。 机桨匹配设计问题是从设计任务书提出直到船舶设计、制造、使用之全 寿命管理过程中都存在着的，时间长达十几年，甚至几十年，问题之复杂又 涉及方方面面。在新船设计或旧船改装修理中要求进行机桨匹配时一般采用 两种方式：一是船舶的最大航速确定，要求选择螺旋桨基本要素，使船舶达 到此航速而所花费的最小功率主机：一是船舶主机的功率、转速己确定，要 求选择螺旋桨的基本要素，当主机发挥全部功率和转速时船舶达到的最大航 速。在过去军用舰艇的设计中，一般采用正常排水量、清洁船体、平静海面， 按照主机最大功率设计螺旋桨及确定最大航速，这种零储备或满负荷设计标 准是产生机桨匹配问题的重要原因，直接影响到舰船服役后的正常使用。 目前关于螺旋桨的匹配设计广泛采用图谱设计法，一般是点工况匹配设 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计螺旋桨和选择主机，或者采用机船同步设计、机变桨不变等设计方式，只 是在试航状况下满足航速要求以及主机工作正常即可，而没有认真考虑船舶 在各种航速下主机轴功率状况，主机有无超负荷状况以及转速能否达到，并 且对于船舶运营的总体经济性、主机的储备功率以及部分负荷下船舶和主机 的性能没有定性分析和研究。 船舶机桨系统构成一个有机的整体，它们之间在运转中相互配合的好坏， 关系到能量转换的优劣，以蒸汽轮机推进装置为例，船舶机桨之间的配合是 否完善将影响蒸汽轮机能否发出全部功率，并且处于最佳状态下工作；螺旋 桨能否吸收蒸汽轮机的全部功率，并且最有效的将旋转能量转化为有效的推 力。如果螺旋桨设计不当或者机桨选配不佳，则会经常出现发动机功率不足， 甚至发动机超负荷工作。如主机的转速已达到额定转速，而此时螺旋桨所吸 收的主机的扭矩尚未达到主机的额定功率，若使螺旋桨吸收主机的额定功率， 势必要提高螺旋桨的转速，这又受到主机额定转速的限制。所以，在这种情 况下，螺旋桨无法吸收主机的额定功率，就是说，螺旋桨不能吸收主机的全 部功率，致使蒸汽轮机功率不能充分利用，船舶也达不到设计转速。 经常出现的另一种情况是螺旋桨吸收的扭矩已达到主机的额定扭矩，但 此时主机的转速尚未达到额定转速，若使主机的转速达到额定转速，螺旋桨 必须提高转速，这样又使螺旋桨的扭矩超过主机的额定扭矩，迫使主机超负 荷，破坏了主机的工作。所以，螺旋桨同样不能吸收主机的全部功率，船舶 也达不到设计航速。 螺旋桨和主机的合理匹配既要充分利用主机的功率，又要在运转工况内 主机功率不超过允许范围，实现船舶机桨的完美匹配，获得高效的动力性能、 经济性能、可靠性能和较长的使用寿命。 1 2 船机桨工况配合 船机桨工况与配合是研究船舶在各种航行条件下或各种工况下，能量转 换过程中的特性变化及其规律，从而找出最佳参数和最佳转换过程，得到一 个最经济的，具有最好营运经济性和投资效果的设计方案【2 2 1 。并且，这种方 案中的各个部件在所有的特定航行条件下都能胜任工作。有了这样的设计方 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 案，在完成给定的航运任务的情况下，使消耗的能量减小到最低限度。所以， 在能源短缺的形势下，从节能的观点研究推进装置的最佳能量转换是非常重 要的课题，是船舶发展的方向之一。 要获得最高的运转经济性，一方面取决于船机桨本身的性能，另一方面 与合理地选择推进装置型式，充分利用船机桨的配合特性有着密切关系。所 以，除了提高船机桨的性能参数外，还必须研究船机桨之间的配合特性。 我们知道，船舶动力装置的工作条件不同于固定式动力装置，它的突出 特点要在很宽广的负荷范围内稳定工作，不仅船速或螺旋桨转速变化很大， 而且，船的负荷变化也很大，还有很多随机变量，如风浪、污底、机桨效率 降低等，都直接或间接地影响推进装置的运转特性，甚至工作遭到破坏。所 以，除研究正常航行条件( 指设计条件) 下的配合特性，取得最好的性能外， 还必须研究部分负荷下的配合特性变化规律，力争取得较满意的特性。对大 部分时间在部分负荷下运行的船舶具有特别重要的意义。 综上所述，船机桨系统构成一个有机的整体，它们之间在运转过程中相 互配合的好坏，关系到能量转换的优劣。 1 3 课题研究的国内外现状 由于船机桨匹配设计涉及面广、变化复杂，需要查阅大量的图、表获得 大量的数据，计算过程繁复。并且各种图表资料翻新快、变化大。另外在设 计中呈现出更明显的经验和数据交替的螺旋形上升的规律，需要设计人员创 造性地工作，这些就滞后了船机桨匹配设计技术的发展。 随着计算机技术的进步，8 0 、9 0 年代前后，一些造船先进国家呼吁，尽 快着手研究使用计算机高速、精确、系统地辅助船舶动力设计的途径，借助 计算机实现机桨匹配设计与性能分析、寻求最佳的船舶螺旋桨与船舶主机的 匹配状态，寻找快捷、方便、经济的旧船改造的机桨匹配方案。其中应用最 为著名的是波兰什切青船舶研究所和什切青技术大学共同研制开发的、用于 船舶动力装置设计的e n g i n e 7 8 程序系统，以及美国h y d r o c o m p 公司推出 的用于解决船舶推进系统设计的专业软件。 波兰e n g i n e 7 8 系统的出发点是加深动力装置与船体之间的联系，作为 一个整体来进行技术经济分析，通过计算机辅助设计进行选型和优化。该系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统适用于各种货船的柴油机动力装置，主机为生产定型的低速机和中速机， 推进器为定距螺旋桨。该系统的功能除主要设备选型外，程序还给出包括废 热蒸汽轮机发电在内的几个发电方案的选择，以及废气锅炉和辅锅炉主要参 数的计算。另外，还给出燃料、滑油和淡水的年消耗量计算；动力装置建造 成本、运行成本的计算；每英里航行成本计算：每吨货物成本及每千吨一英里 成本计算等。 h y d r o c o m p 计算机辅助船舶推进系统设计软件是由美国 h y d r o c o m p 公司于1 9 8 4 年就推出的用于解决船舶推进系统设计的专业软 件，也是目前世界上该领域最先进和完善的软件之一。h y d r o c o m p 系列软 件包括n a v c a d 、p r o e x p e r t 和p r o p c a d - - - 个模块，分别用于解决船舶推进系 统分析、螺旋桨设计和计算机辅助螺旋桨生产等领域的实际应用问题。 n a v c a d 是一个用于船舶快速性能预报和分析的模块，它可以用于选择 合适的推进系统单元，包括主机、齿轮箱和推进器等。n a v c a d 适用于各种 排水型船、半排水型船、滑行艇、内河驳船和船队、帆船和双体船等船型。 它还可以对敞水桨、导管桨、表面桨以及喷水推进器的拖曳和自航试验进行 分析。 p r o e x p e r t 是用于工程船和游艇推进系统选择和分析的模块。p r o p e x p e r t 建立在n a v c a d 数据库的基础上，提供了多种用于选择合适的推进系统单元 ( 主机、齿轮箱和推进器) 的工具。p r o p e x p e r t 主要适用于工程船和游艇，包括 机动游艇、帆船、拖船、推船、巡逻艇、运动艇和钓渔艇等。只需输入少量 数据，系统就能精确地描述出船体特征，以便于p r o p e x p e r t 的各种分析计算。 对于几乎所有的民船，p r o p e x p e r t 都可以分析出螺旋桨的最佳直径、螺距、盘 面面积及转速。螺旋桨叶数可以是2 叶到5 叶；直径范围从0 4 5 0 m 到2 5 m ( 该范 围可以在满足相似条件的前提下进行扩展) ；螺旋桨叶形式包括弓形切面( 如 高恩系列) 、机翼形切面( 如b 系列) 以及导管螺旋桨( 如k a 系y 0 ) 。p r o p c a d ( 桨 叶动态三维c a d 生成模块) p r o p c a d 是用于船舶螺旋桨设计生产数据建模、二维和三维视图自动生 成的模块p r o p c a d 软件建立在c a d 基础上，并在螺旋桨设计功能中加入了 大量有针对性的c a d 功能。使用p r o p c a d 强大的绘图功能，可以设计各种类 型的船用螺旋桨。p r o p c a d 甚至可以用于绘制其它机器的旋转部件，诸如涡 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 轮发动机桨叶和空气螺旋桨。 我国船舶工业计算机应用开始于6 0 年代末。中国船舶工业总公司研制开 发的c a s i s 系统将船舶的设计与建造集成于一体，为我国自行开发的船舶 c a d c a m 系统塑造了一个雏形。“内河船舶c a d 系统”是交通部主持的“八 五”国家攻关项目；国防科委七院系统开发的军船c a d 系统是以s u n 工作站为 硬件平台，以c v 公司的c a d d s 图形系统为软件平台开发的。我国也成立了 船舶动力装置设备选型程序系统m e d s - i 型联合课题组，探索在动力装置设 计中使用计算机辅助设计的方法。 船舶动力装置设备选型程序m e d s 程序系统是一个面向船舶动力装置初 步设计和详细设计的计算机辅助设计系统。目前的i 型适用于以柴油机为动 力，载重量大于三千吨的民用运输船舶。 由于我国造船工业在近几年有了很大发展，中国现在正对造船工业进行 大规模投资，计划至1 2 0 1 5 年造船总量占世界的3 5 ，跃升为全球最大造船国。 国内船舶动力装置设计的c a d 系统的研制开发一时还不能满足造船工业快 速发展的需要，这样，一方面不少船厂从国外引进船舶c a d c a m 系统，尤 其是k c s 的产品最受瞩目，近年来大连船厂、江南船厂、沪东船厂、广州船 厂均已引进此项目产品。另一方面，船舶研究院、所也致力于研究开发自己 的c a d ，c a m 产品，为船舶选型设计、机桨匹配设计提供仿真计算平台。 1 4 本文的主要工作 基于当前船机桨匹配研究背景，本论文以某四桨推进大型船舶的蒸汽轮 机、大功率船舶为研究对象，研究船机桨匹配设计。 本文的主要研究内容有： 1 船机桨匹配设计方法研究 本论文首先分析了船舶能量平衡，建立螺旋桨与船舶主机之间能量传递 关系，介绍船舶航行中的阻力特性及螺旋桨的推进特性，分析螺旋桨与船舶 主机的匹配设计。进行匹配设计后船舶航行特性分析及主机性能分析。 2 四桨推进大型船舶推进系统的船机桨配合特性分析 查阅国内外相关文献，了解四桨两舵船舶的特点，发展状况，以及未来 哈尔滨工程大学硕士学位论文 趋势。掌握计算流体力学软件g a m b i t 建模和划分网格的基本要领，了解软 件所用的基本算法、适用范围等，其中螺旋桨模型的建立可先通过程序语言 f o r t r a n 编制程序，计算出螺旋桨表面的型值点，然后输入到前处理器 g a m b i t 中，生成光顺的螺旋桨三维立体图。建立了螺旋桨流场数值计算的 模型，包括三维建模、面网格和体网格划分、边界条件给定、相关系数的设 置、湍流模型的选择等。其次，由于本文船体的计算模型比较复杂，因此， 本文采用可视化绘图软件c a d 与专用前处理软件g a m b i t 联合进行建模，即 利用a u t o c a d 绘制出主船体以及各附体的各站号下的横剖面曲线，再导入 g a m b i t 中生成体。 3 分别利用卡耳玛柯夫估算法以及c f d 模拟的方法计算了螺旋桨非正常 工作包括锁定以及卡死状态下的水动力性能计算。同时给出了两种状态下的 船体阻力。 4 分析蒸汽汽轮机性能，分别介绍船舶汽轮机和舰用汽轮机装置，将前 面分析的船体阻力数据代入，通过理论分析计算，得出比较结果。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船舶推进系统概述 2 1 船机桨的工作特性分析8 】 2 1 1 船舶航行中的阻力特性【1 】 航行在水面上的船舶与周围的空气和水两种介质存在相对运动，必然遭 受到与其运动方向相反的作用力。这种阻碍船舶运动的力称之为船舶阻力。 相对于其他运输工具来说，大多数船舶的航行速度不高，与受到的水阻 力相比，空气阻力要小得多，故下面我们着重讨论船舶水下部分船体所受到 的水阻力。 静止的水由于船体在其中通过而产生的运动，而船体所受的阻力，与其 周围的流体流动状态密切相关。根据观察可以发现，当船体运动时，在接近 船体处有一层减了速度的流体层跟着船一起运动；在船体曲度骤变处，特别 是较丰满船的尾部常出现旋涡；船体周围的水因船的运动而出现上下波动。 按照这些水的运动形态，可以将静水阻力分为摩擦阻力r ，、旋涡阻力r 。、和 兴波阻力凡。因此船体在静水中的总阻力辟可表示为： r r = r + 也+ 也 ( 2 - 1 ) 摩擦阻力和旋涡阻力都与水的粘性有关，故习惯上又常把这两种阻力合并在 一起，称为粘性阻力r 。，即 r = r + 凡 ( 2 2 ) 由于船体周围水形成的旋涡和波动，使船体首尾部的压力不相等，即船艏部 水压力大，而船艉部压力小，这种压力差阻碍了船体的向前运动。由于这两 种运动状态的水对船体造成的阻力具有相同的性质，故又常常将它们合并在 一起，称为压力阻力足。，即 r 。= r ，+ r 。 但是各阻力成份在总阻力中所占的比重在不同的情况下是不一样的。当船型 一定时，主要是航速决定各阻力成份在总阻力中的份额。对于低速船，摩擦 阻力r ，约占总阻力占的7 0 至8 0 ；旋涡阻力约占l o ；而兴波阻力占的 7 哈尔滨工程大学硕七学位论文 比分很小。对于高速船，r ，约占4 0 至5 0 的总阻力；而兴波阻力r 。去可 达5 0 的总阻力，并且航速超高占的比重越大；旋涡阻力共占5 的总阻力。 无论高速船还是低速船，旋涡阻力所占的比重都不大，而且实际上又难以同 兴波阻力区分开。在弗劳德提出的关于通过船模试验换算成实船阻力的假定 中，又把兴波阻力与旋涡阻力合并在一起，称之这剩余阻力并记为见 r ，= r 。+ r 。 于是船体总阻力又可写成摩擦阻力和剩余阻力之和的形式，即 墨= r i + r ， 根据船模试验，在一定的航速范围内，船体总阻力及各阻力成分可表达 成 r r = c 7 筇y 2 = ( c ，+ c 。+ c ，) 吉s 矿2 ( 2 3 ) r s = r p s v 2 r 。= c e 号声矿2 r 。= 气 筇矿2 r ，- c ，声矿2 式中：勺、c ，、c 。、c 。、c ，分别是总阻力系数、摩擦阻力系数、旋涡阻力 系数、兴波阻力系数和剩余阻力系数；p 为船体周围流体的密度( 堙胁3 ) ； s 为船体浸水面积( 明2 ) ；v 为船体对水速度( m s ) 。 船模试验是确定船体阻力的一种重要方法。如果要将船模试验结果换算 到实船上，则试验必须在严格遵守几何、运动和动力相似的全相似的条件下 进行。然而实际上按全相似条件做模型试验是不切实际的，为此弗劳德地几 十年前提出了假定，其要点是：船体阻力可以分为摩擦阻力尺。和剩余阻力犬， 两个独立的部分；前者只与雷诺数有关，后者仅与弗劳德数f 有关；船体的 摩擦阻力等于同速度、同长度、同湿面积的平板摩擦阻力。这样实船阻力可 以借助模型试验和公式计算求得。弗劳德的假定在理论上是有缺陷的，因为 他把既与雷诺数有关又与弗劳德数有关的总阻力分为互不相关的两个独立部 分之和。然而，几十年来，弗劳德假定在世界各国船模试验池被广泛应用， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其原因是计算结果与实船相当接近且又容易实施。但同时也说明到目前为止 还未完全把握船体运动阻力的规律。 实际的船体表面并不是平板，而是具有三度曲率的曲面；也不是完全光 滑的，而是具有一定的几何糙度。为了使阻力表达式反映出这些差异，需要 对原先引入的式( 2 3 ) 进行修正。 考虑了上述因素后的总阻力公式如下所示： 尺= ( c ，k + c ，+ c 。+ c w ) - 手s v 2 ( 2 - 4 ) 式中：k 为由船体表面弯曲引入的修正系数；缸，为由船体表面粗糙度引入的 附加系数；其余物理量符号同前。 令 c = c ，k + a cr + c 。+ c ， 于是 r = c 导s v 2 船体有效功率e h p 是表示在使用外力拖曳船体时，船体总阻力在单位时 间里消耗的功，假定船体被拖曳的运动速度为w 此时的阻力为 只= c 导s y 2 则拖曳功率或有效功率即为： e h p = r v = c 导s 矿3 ( 2 5 ) 上式表明船体有效功率与其速度呈三次方关系。 船舶在水上航行，其航行环境是千变万化的。显然船舶的航行状态将受 到自然条件的影响。其中对船体阻力有比较大影响的因素主要是风浪和航道 的深浅。有风必有浪，因此风和浪是同时出现的。下面将较为深入的讨论船 舶在实际航行时的影响阻力的诸因素。 1 船舶阻力与航速的关系 在式( 2 3 ) 和( 2 - - 4 ) 中，我们都把阻力表达成与航速平方呈正比的关系， 并且又说不同航速时各种阻力在总阻力中所占的比例是不一样的。为什么 呢? 实际上各种阻力系数并非常数。对于一条主尺度已定的船舶，在不同的 航速范围，阻力系数是随航速变化的。弄清楚这些阻力系数与航速的关系， 无论是研究船机桨式况配合还是选择船舶设计航速提高营运经济性都是相当 重要的。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 我们知道，摩擦阻力系数的大小主要取决于雷诺数r e ，即c ，= f ( r e ) 。雷 诺数是表示惯性力与粘性力之间的关系，其表达式为l 沁：堕。v 代表航速， l 代表船体浸水长，v 代表流体的运动粘度。一般船舶航行时，周围流体的 雷诺数值为 4 1 0 6 r e - - 4 3 1 0 9 在这样的雷诺数范围，船体周围水流的界层是一种紊流边界层。根据1 9 5 7 年国际船模试验池会议提出的摩擦阻力系数计算式为 c ，= 0 0 7 5 ( 1 9 r e 一2 ) 。 对于一艘具体的船舶，其摩擦阻力系数基本上是一个常数。因为对任何一条 船来说，其航速变化范围是不大的。比如一般商船，最大航速通常不超过2 5 节，大多数在1 8 节以下。即使是那些军用舰艇中的导弹快艇，其最大航速也 在5 0 节以下，一般的大、中型军舰，战斗的全速工况航速在3 5 节以下。根 据上式，尽管随着航速增加，雷诺数也相应增加，但是摩擦阻力系数减小得 却非常小，这是不难理解的。因此可以非常准确地说，摩擦阻力系数对具体 的一条船来说，是与速度无关的。 但是剩余阻力或兴波阻力系数就不是这样的了。兴波阻力系数主要决定 于弗劳德数只或者速长比；。在工程上速长比用得较广泛，它与弗劳德数 0 三 e = 亏仅仅相差一个重力加速度g 。因此两者的涵义是相同的。 qg l 所谓高速船还是低速船是以弗劳德数或者速长比来划分的。一般当 e 10 3 称为高速船。 图2 1 是高方形系数船舶的剩余阻力系数c ，与速长比专的关系曲线。 l 从图2 1 上可看到，当乓 0 6 时，c ，很小且基本上与善无关，即在这范 4 l 三 围中，c ，与航速无关。现在可以相当确切地说，低速船的总阻力系数在 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v 0 6 的范围里与航速无关，是不变的常数。由于摩擦阻力系数c ，总 0l j 1 0 0 0 ， 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 o 2 o 40 6 厂- 0 8 1 0 1 2 v 0l 图2 1 剩余阻力系数与速长比的关系 1 0 8c ， 、 、 、 i i t | i 、 0 10 20 3 图2 2 海洋运输船舶阻力的组成 f r rv l n 8 d p 、 图2 3 总阻力系数与f r 和r e 数的关系 是大于l o 弓，从图2 1 上可知，剩余阻力系数与之相比要小得多，故在乓_ - 0 3 0 ，r 矿( ( 尺矿。 1 ，1 ， 同样地，在图2 1 上，当； - 0 6 后，c ，急剧上升，当 一1 0 ，c ， - c ，。 0lql 因此当船舶的f 数增加到一定程度后，仍然把总阻力看作是航速的二次方关 系就不正确了。在图2 3 上，可以清楚地看到，当弗劳德数e 大于约o 2 4 后， 总阻力系数c ，将急剧增长。船舶航行总阻力将与航速呈三次、四次或更高次 方以上的关系。正是由于兴波阻力成了船舶高航速的一个难以逾越的障碍。 要提高航速到大兴波阻力范围，必须成倍地增加推进功率。对于商业运输来 说，综合经济效益是考虑航速的一个主要基点。在1 9 7 3 年以前，燃油价格比 较便宜，某些高航速船舶，尤其是一些定期货船，就跳过以前认为是最合理 的“第一经济航速”进到“第二经济航速”范围。这样可以有效地提高船舶的营 运经济性，获得最大的营运效果。诚然，在此航速区域的阻力变化比高航速 时要小得多，但是，此区域比低速时的阻力变化却大得多。明显看出，由“第 一经济航速”跳到“第二经济航速”，其耗油量要增加一倍。过去，在此航速区 域所以能获得高的营运经济性，是因为燃油价格便宜，即燃油费用占营运费 用的比例较小。近几年来，燃油价格猛涨，使燃油费用占营运费用的比例达 5 0 以上，使营运成本随航程的增加而显著增加，又迫使船航速回到一句老 话上来，“第一经济航速”又是一个合理的限制。这就是近年来航速普遍下降 的缘故。对于一般运输船舶，其航速不高，船舶阻力与航速的关系通常认为 成二次方关系。在一般情况下，引用这种关系来讨论船机桨的配合特性。 鉴于推进装置功率随航速三次方变化，提高航速使燃油费用显著增加， 对船舶营运经济性有重要的影响，所以，选择多大的航速为宜时应作经济分 析，通过经济计算，取最大收益时的航速。 2 船体表面粗糙度对船舶阻力的影响 对于运输船舶，在一般航速范围内，各阻力系数都变化不大，唯有船体 表面粗糙度的变化而引起附加阻力系数勺的增加。船舶在使用过程中，由 于覆盖层的破损，表面的锈蚀，在表面上将出现薄膜和寄生物以及机械损伤 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等，使粗糙度增大。实船试验表明，船舶处于水中时，其外壳板上的粗糙度 的结构与数量均发生变化，这时阻力的增加可能相当大，以致使船航速大为 降低。下述各点是船体粗糙度变化的基本原因：油漆过的船舶在水中锚泊时， 其水下部分迅速地覆盖上一层由细菌、淤泥及其他成分组成的粘液膜。在船 舶运动时这层膜还部分地保存在船体外壳板上，使船体表面粗糙度发生变化； 当船舶处于水中，特别是处于海水中时，在外壳板上将有生物丛生在其 上附生植物和海生有机体( 海蛎，海鞘等等) 。丛生的强度与船舶锚泊时间的 长短、航区、气候和季节等有关。当船舶甚至以很低的速度运动时，海洋生 物的幼虫也来不及贴附在船壳板上，从而可减小丛生的强度。船舶在淡水中 时生物的丛生很少，主要是有水藻生长，而且仅仅在流水线区域。 试验表明，由丛生生物和锈蚀所引起的粗糙度对阻力的影响，当船舶长 期处在水中时其阻力系数将按下列关系式变化： c ，：0 0 16 2 ( k b ) l ，7( 2 - 6 ) 式中：c ，为有总体粗糙度之平板的摩擦阻力系数：奴为粗糙度的几何凸起高 度；l 为船长或平板长。 这时，对于小尺度的船舶来说，丛生生物对阻力的影响更加显著。 3 风浪对阻力和航速的影响 航速在风浪中航行的阻力远大于在静水中航行的阻力。这时动力装置即 使发挥最大功率，船舶的航速也会大大降低。其中的主要原因：首先是风的 作用，它造成了额外的阻力；船舶的纵摇、升沉与横摇运动时会产生波浪， 从而使船体上的压力重新分布，引起附加的兴波阻力；迎面波浪冲上船体， 一部分绕过船体，同时部分的被它反射，造成绕射阻力；其次是船行波与迎 面波发生相互作用，使压力发生了变化。由于上述因素的错综复杂的相互作 用，船舶就受了额外的附加阻力 a r b = 蝇a r 2 ( 2 - 7 ) 式中：a r r 为风浪造成的附加阻力( n ) ；址是水面波浪造成的附加阻力( n ) ； a r ，是风造成的附加阻力( n ) ，这种阻力在逆风时为正，顺风时为负。 附加阻力欲。虽各变量的变化关系只能用随机过程理论去研究。但是，在同 一时间对船舶在风浪中运动过程的各种量进行许多复杂的测量时困难的。所 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f z iii：z ：z = z m= ；i 暑i i i i i ； 以主要是根据一些实船和船模的实验数据进行分析，说明气候特性和海浪特 性对船舶阻力和速度的影响。通常海浪对航速的影响以下关系表示： = 珞一矿= ( 1 一尝) 珞 ( 2 - 8 ) 式中：圪为船舶在风浪影响下的航速( 砌 ) ；螈为船舶在无风天气下的 航速( 砌厅) ；y 为风浪影响所造成的船舶航速损失( 砌肪) ；叫略为 有风浪所造成的航速损失率。 试验资料表明，船舶的航速损失y 是下列诸参数的函数： 矿= 厂忆，矿，c 6 ，v ，办，鲁，鲁) ( 2 _ 9 ) 式中：v 为风速或风级( m s ) ：为方形系数；v 为船的体积排水量( m 3 ) ； h 为波高( m ) ；九为波长( m ) ；l 为船长( m ) 。 4 浅水和窄水道对船舶阻力的影响 船舶在浅水和窄水道上航行时，与深水的海洋上不同，主机发出相同的 功率，而航行速度将变小。有时舰船要在潜水和窄水道中航行，不但船舶的 航速会降低，主机还可能超负荷。出现这种情况是因为在浅水航道中航行， 船舶运动阻力比在深水时大的缘故。实船试验证明，船舶在浅水中航行时的 阻力只在一定的速度值之内有明显增加，而后，随着航速增加，其阻力将比 在深水中小些。 在浅水航道的情况下，水流绕过船舶的速度与在深水中时不一样，出现 如下几种重要的物理现象。 1 ) 船舶周围的水压力发生变化，形成波浪和涡流，引起摩擦阻力、兴波 阻力和漩涡阻力的变化； 2 ) 在水压力变化的影响下，使船舶的吃水差发生变化，从而进一步改变 船舶周围的流速分布： 3 ) 在船体底部出现了边界层外边界的局部绕流速度增大，从而引起切应 力和摩擦阻力的增长。 由上述现象可知，研究船舶在浅水航道中的航行阻力，需要研究流速的局 部增加，即附加流速对于阻力的影响。 2 1 2 船舶螺旋桨的推进特性 本节将讨论螺旋桨的特性及其与螺旋桨的几何特征、运动状态之间的关 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系【4 】【5 1 【6 】【15 1 。 1 螺旋桨切面的水动力性能 螺旋桨的工作是靠螺旋桨叶向后推水来实现的。桨叶外形就像一个椭圆 形的机翼，桨叶在船尾水中的运动是很复杂的，为了便于研究，我们可以把 桨叶的作用看作无数个叶元体作用的总和。所谓叶元体，就是以半径分别为r 和( ，+ d r ) 的圆弧所截取的一小段桨叶。如图2 4 所示。而叶元体的作用又 可被近似看作为一个无限长( 二因次) 机翼的一小段( 翼弦为b 、翼展为咖) 的作用。于是，我们就可以把流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨切面的水 动力研究特性，然后再考虑它的特殊性，比如桨叶的叶元体并非来自一无限 长的机翼的一部分，也就是说要考虑端部的绕流问题这是一个三因次问题。 通过上述假定，就可借用二因次的机翼理论对螺旋桨的工作原理进行研究。 图2 4 叶元体简图 ( 1 ) 机翼型切面的水动力特性 根据流体力学机翼理论，我们可以将桨叶任意一个叶元体的作用归结为 一种流向翼型叶元体的流动。现在研究一下水流流向翼型叶元体的流动情况。 水流以速度v 并与弦线成某一冲角瓯流向翼型。这时，在翼型下表面的水流 将产生减速度，而在上表面的水流将产生加速度。根据伯努利定理：在翼型 下表面的压力将比迎面水流的压力高， 压力低。这样，翼型上下形成压力差， 力的合力。如图2 5 所示，除压力外， 而翼型上表面的压力则比迎面水流的 用蜀表示所有作用在翼型上表面的压 作用在翼型上的还有摩擦力，摩擦力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的合力用r m 表示。向量墨和r m 相加便得到合力r 。根据翼型运动时这些力 所起的作用，将合力r 分为垂直力y ( 垂直于水流速度方向) 和水平力x ， 如图2 6 所示。垂直力y 称之为升力，而水平力成为迎面阻力。 图2 5 翼型上的受力 根据具理论计算和试验， 成正比，这样便得到下式 k 】 i l ， i j | 碑警 l 一 升力y 和阻力x 与动压力1 2 p v 2 和翼面积s r = c , - , o v 2 s ( 2 1 0 ) x = f ，p v 2 s ( 2 一i i ) 翼型的升力和阻力系数： c y = r ( , p v 2 s ) ( 2 1 2 ) c ，= x ( + p v 2 s ) ( 2 - 1 3 ) 式中：c ，为翼型的升力系数；c ，为翼型的阻力系数；p 为流体的密度( k g m 3 ) ； v 为流速( m s ) ；s 为机翼面积( m 2 ) ，s = b * l ，b 为弦宽，l 为翼展。 试验表明，系数c ，和c ，与机翼的展弦比1 b 、相对厚度6 、切面形状和冲 角吼有关。对于几何形状一定的翼型，则仅决定于冲角吼。 从升力系数和阻力系数随冲角的变化关系看出，升力系数在某一冲角范 围内，随冲角的增加而成直线地增加，当冲角达到某一数值后，升力系数反 而下降。这是由于产生附面层脱离，流线遭到破坏的缘故。 当冲角a f _ k = 0 时，升力系数不等于零，使某一正值。这是由于翼型切面的 形状不对称，存在拱度的原因。当液流以某一负冲角口。流向翼型时，升力系 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数才等于零此方向称为无升力方向，口。角称为无升力角。 阻力系数随冲角的变化，在零冲角前后比较平缓，随着冲角的增加( 不 管正方向或负方向) 而迅速地，但阻力系数比升力系数小得多。 根据翼型的水动力特性和上述几个特征，不难看出，对一个几何形状已 定的螺旋桨，其性能变化和水流的相对运动有关。 ( 2 ) 螺旋桨切面的运动和作用力 运动实力的一种表现形式，研究任何力首先是研究对象的运动关系。所 以，讨论螺旋桨的水动力特性时，先要了解螺旋桨的运动。 螺旋桨装在船后，流体流过船体时就受到船体影响，致使流体的速度和 方向都起了变化。为了便于讨论，先撇开船体对流体流动的影响，研究孤立 螺旋桨在流体中作转动和前进运动时的水动力特性。 螺旋桨在流体中有两个运动，一边转动一边前进。现在桨叶半径r 处截 桨叶，并将截面展开，如图2 7 所示。当螺旋桨转动时，此切面也跟着转动。 若螺旋桨转速为n ，则该切面的旋转线速度为2 m n ，其速度的大小用线段a b 表示，即a b = 2 m n 。至于它的方向，与螺旋桨的转向相同，并在垂直于旋转 轴的平面上，在图上应垂直于轴中心线。这个旋转运动又称为切向运动或周 向运动。 a2 n r n c 圪 b 图2 7 速度三角形 螺旋桨除转动外，还要跟着一起移动，其相对于水的运动速度为v a ，称 为螺旋桨的进速，其大小用线段b c 表示，即b c = v a 。它的方向与船的运动 方向相同，在螺旋桨轴线方向上的运动称为轴向运动。 把半径r 处切面的旋转线速度a b 和进速b c 用矢量表示，并用w 代表其 合成速度，便得到该切面的速度三角形a b c ( 见图2 7 ) 。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 前面讨论螺旋桨的运动时，是假定水静止不动的条件得到的。实际上， 螺旋桨在水中转动和前进的时候，水并不是静止不动，而是使水产生运动。 这种运动的速度称为诱导速度。其中，由于桨叶推水而使水流得到向后的轴 向速度称为轴向诱导速度，以z ，。表示，其方向与螺旋桨前进方向相反。桨叶 旋转又使水流得到旋转速度，即周向速度，称为切向诱导速度，以“表示， 其方向与螺旋桨转方向相同。 水流的诱导速度“。和甜，并不是水质点在开始与桨叶接触是就达到最大 值，而是逐渐增加的。可以证明，螺旋桨盘面处( 桨叶导边和随边的中央) 的诱导速度等于尾流远后方最大诱导速度的一半。若远后方的轴向诱导速度 和切向诱导速度分别为“。和甜，则螺旋桨盘面处的相应诱导速度就为“。2 和 甜，2 那么，螺旋桨相对于水流的运动，轴向速度为圪+ “。2 ；切向速度为 2 删一坼2 ；其合成速度为w ，如图2 8 所示。 图2 8 速度多角形图2 9 速度多角形 为了研究方便，我们可以把航行于静止水中的船看作静止的，而水流则 以同样的速度流向螺旋桨：同样，螺旋桨相对静水的转动看作是静止的，水 流则相对于螺旋桨在转动。经过如此变换后的速度多角形如图2 9 所示。 现在我们就可以将半径r 处的切面当作无限翼展机翼的一个切面，其迎 流速度为职冲角为的水流流向机翼。下面我们就引用机翼理论来分析螺 旋桨的作用力。 设咖段宽叶元体位于螺旋桨桨叶的半径r 处( 见图2 1 0 ) 。当水流以合 成速度w 沿冲角瓯流向此叶元体时，便产生了升力d y 和阻力d x ，将升力 d y 分解为沿螺旋桨轴向的分力矾和旋转方向的分力拙同样，阻力d x 分 解为d x 。和d x ，。因此，该叶元体所产生的推力d t 及遭受的旋转阻力d q 为 d t = d 匕一d k ， 1 8 哈尔滨工程大学硕七学位论文 d q = d r 一霞r ，。 v 图2 1 0 桨叶叶元体的速度多角形和作用力 沿桨叶半径进行积分并乘以叶数z 以后，便可得到整个螺旋桨所发出的 推力t 和遭受的旋转阻力q ， t - z 妻d t q = z - l 矗q ( 2 1 4 ) 式中：积分下限为桨毅半径，积分上限r 为螺旋桨半径。至于螺旋桨转动 时所遭受的旋转阻力矩m 则用下式表示： m = z jl 坦 ( 2 - 1 5 ) 为了使螺旋桨能以给定的转数n 来旋转，就必须给它一个旋转力矩( 通 常由主机供给) ，以克服旋转阻力矩，两者的大小相等而方向相反。由此可见， 若螺旋桨以进速圪和转速n 运转时，旋转力矩是取得所需推力t 所必须给予 螺旋桨的。 经过以上讨论，不难看出，确定整个螺旋桨的作用力，即推力和旋转阻 力矩，决定于桨叶切面的复杂运动，也就是速度多角形的形状，最后归结为 水流速度w 和冲角吼。由图2 8 看出，合成速度w 和冲角吼与进速、转 速n 和诱导速度有关，但主要决定于进速和转速。 ( 3 ) 螺旋桨的水动力性能 螺旋桨在水中运动并不像螺丝在螺帽中运动那样，每转一周就前进一个 几何螺距鼠而前进的距离比几何螺距为小，这种现象叫做滑脱现象。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设螺旋桨的转速1 1 、进速为，则其旋转一周在轴向所前进的距离以九 表示，即= 圪加，称之为进程。螺距h 和进程之差( h 一九) 称为滑脱， 滑脱与螺距之比称为滑脱比，并以s 来表示，即 s ：堡鱼：- 一丝：i 一旦 (216)1 s = o = 一二= 一oi z hh- n 进程以与桨径d 之比称为进程系数，以j 表示，即 ：丝：旦 ( 2 1 7 ) dd 由上两式可得进速系数j 与滑脱比s 之间的关系为 g - t ，= 羔( 1 一s ) ( 2 1 8 ) 在螺距h 一定的情况下，滑脱( 或滑脱比s ) 的大小即标志着冲角的 大小，滑脱比s 大( 即进速系数，小) 即表示冲角大，则螺旋桨的推力和 旋转力矩亦大。因此，滑脱比j ( 或进速系数j ) 是影响螺旋桨性能的重要参 数，其重要性与机翼理论中的冲角相似。所以对于几何形状一定的螺旋桨， 其推力和旋转力矩只与进速系数j ( 或滑脱比s ) 有关。 _ _一 h 夕矿 而 一 彦夕 图2 1 i 进程、冲角与滑脱的关系 现在进一步讨论进程办。( 或尽速系数，) 变化时对于螺旋桨性能的影响。 从图2 1 l 看出，冲角吼随进程 l 。的改变而变化。当进程办。增加时，冲角减 小。若办。增加到某一数值时，螺旋桨发出的推力为零，其实质乃是水流以某 一负冲角流向叶元体。此时作用于叶元体上的升力d y 及阻力d x 在轴向的分 力大小相等方向相反，故推力等于零。但在此种情况下，桨叶仍遭到旋转阻 力的作用，故转矩不等于零，螺旋桨在不发生推力时旋转一周所前进的距离 哈尔滨工程大学硕士学位论文 称为无推力进程或实效螺距，并以日。表示，其合成速度w 的方向称为无推 力方向。 若办。再增加至某一数值时，螺旋桨的旋转阻力为零，其实质乃是升力d y 及阻力d x 在周向分力大小相等方向相反，如图2 1 2 所示，使旋转阻力等于 零，但此时产生负推力。螺旋桨不遭受旋转阻力时旋转一周所前进的距离称 为无转矩进程或无转矩螺距，以日，表示。其合成速度w 的方向称为无阻力 矩方向。 图2 1 2 无阻力矩方向的速度和力的关系 以后 。再增加，螺旋桨就变成水轮机。实际上，在此种工作情况时，螺 旋桨上将产生旋转力矩，而轴向力是向着与其移动相反的方向。因此，在进 程乃。 日， 时，螺旋桨是作为一个水轮机工作的。 如果进程办。介于日， - 办。 - 日时，那么，螺旋桨既不能作为推进器，又 不能作为水轮机来作用，在这种情况时螺旋桨有如麻痹了，它需要的力矩是 用来克服螺旋桨的阻力矩。 从以上分析可知，螺旋桨推力和旋转力矩随进程j l l 。而变，在给定是转速 下，推力和旋转力矩最大值的取得通常在进程办。= 0 时候。如图2 1 3 所示。 随着进程办。的增加，推力t 和旋转力矩m 的数值将根据冲角的减小而下降， 最后在 。= 日。和h 。= 日，时分别等于零。图2 1 3 表示推力t 和旋转力矩m 随办。变化的关系，由此看出，螺旋桨的进程是确定其工作状态的最重要的水 2 l 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 动力特性。 图2 1 3 推力和转矩与进程的关系 2 敞水螺旋桨的水动力性能 根据螺旋桨切面的运动和作用力可知，当水流以合成速度v ，冲角吼流 向叶元体时，便产生了升力d y 和阻力d x 。这两个力在桨轴方向上的投影， 即构成桨的推力，而在切向上的投影，即构成桨的旋转阻力d q ，且 d t = a r o 一矾，( 2 1 9 ) a a = a t , + d x ，。( 2 - 2 0 ) 旋转阻力矩为 ，d m = ，a q ( 2 - 2 1 ) 将螺旋桨叶元体的推力d t 和旋转阻力d q 沿桨叶半径积分，并乘上叶数 z ，就可以得到整个螺旋桨的推力t 和旋转阻力q ，即 r = z j ：( 睨一a x e ) ， ( 2 - 2 2 ) q = z 。j ：( 拙+ d x r ) 。 ( 2 2 3 ) 旋转阻力矩为 肘= z j ：厂( 犯+ 研r ) 。 ( 2 - 2 4 ) 从机翼型切面水动力性能知道 d 】，= c j ，专y 2 d s ( 2 2 5 ) 一 哈尔滨工程大学硕士学位论义 d x = c 善。 p 矿2 d 8 ( 2 ，2 6 ) 升力d y 和旋转阻力d q 在桨轴方向和切向方向的分力，由螺旋桨切面的 速度多角形可知 d y a = d y c o s , t = c y 专p y 2 d s c o s f l a t , = d y s i n l t = c ) ， p v 2 d s s i n f l d x 。= d y s h a f t = c j p y 2 d 8 s i i l d x t = d y 。c o s p - c x 鼍p v 。d s c o s f l 合成速度w 为 ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) t v = ( 2 m n 一争) ( 1 + 辔2 f 1 ) ( 2 3 1 ) d s = b d r 将