三桨船船模自航试验推进因子分析方法探讨

武 汉 交 通 科 技 大 学 学 报Jo u rna l o f W uh an T ran spo r ta t io n U n ive r sity第 22 卷第 2 期V o l. 22 N o. 2A p r il 19981998 年 4 月三桨船船模自航试验推 进因子分析方法探讨王兴权陈秋芝王德恂(武汉交通科技大学船舶及海洋工程系 武汉 430063)摘要: 三桨船船模自航试验时, 由于三个螺旋桨之间会发生相互干扰, 各螺旋桨的负荷及克服的阻力也不尽相同. 本文对三桨船自航试验推进因子的分析方法进行了比较、分析; 提出应首先按螺旋 桨的有效推力来分配各桨克服的船的阻力, 再进行推进因子分析的数据分析新方法.关键词: 三桨船; 自航试验; 数据分析; 推进因子中图法分类号: U 66113130概述合 理 选 择 船 舶 的 推 进 因 子, 包 括 伴 流 分 数W 、推力减额分数 t、相对旋转效率 r 等, 是螺旋 桨图谱设计时成败的关键. 而船舶推进因子通常通过船模自航试验并对自航试验的数据分析处理 后才能准确获得. 自航试验推进因子分析方法除与自航试验时采用的方法不同之外, 还与螺旋桨 的数目有关.若船后工作的螺旋桨发出的推力为 T , 船以 速度 vm 前进, 所受到的阻力为 R tm. 对单桨船则有R tm = T ( 1 - t). 式中 t 为反映船体与螺旋桨之间 相互影响的推力减额分数. 对双桨船, 由于螺旋桨左右对称布置, 可近似地认为 R tm = 2T ( 1- t). 对 单桨及双桨船, 螺旋桨发出的推力 T 与船舶前进时所受到的阻力 R tm 之间的对应关系是非常清楚 的. 但是, 对三螺旋桨船来说 ( 假定三个桨的布置如图 1 所示) , 由于三个螺旋桨在船后的位置及布 置方式不同, 螺旋桨工作处的流场就不同; 即使三个桨布置相同, 也由于螺旋桨旋向的不同, 相互之间的干扰使螺旋桨的流体动力特性也不尽相同,即发出的推力及转矩不尽相同; 若再考虑船体与 螺旋桨之间的相互影响, 则三桨船螺旋桨发出的推力与船舶前进时所受到的阻力之间的关系就不十分明确. 是否螺旋桨发出的推力大, 其克服的阻 力也大? 中间桨和舷边桨所克服的阻力是如何分析的? 如何进行三桨船自航试验的推进因子分析,才能获得真实的推进因子, 是人们关注的问题.图 1 桨舵布置示意图1三桨船船模自航试验推进因子分析方法比较三桨船船模自航试验推进因子分析与单桨船及双桨不同之处在于: 对单桨船及双桨船, 螺旋桨 发出的推力与船的阻力之间的关系是明确的; 而三桨船存在船的阻力如何分配问题. 对阻力的分配方法不同, 推进因子分析方法亦不同. 现将典型 的处理方法简述如下.方法一详见交通部上海船舶运输科学研究 所川江新型推轮试验研究报告之二. 本法不进行阻力的各桨分配, 且假定两个舷边桨不受中桨的影响, 中桨与舷边桨的推力减额分数 t 均相同,则有推力减额分数t= t (M ) = t (S) = R tm - F D 1-T m (M ) 2T m (S)式中R tm 船模总阻力;F D 船模摩擦阻力修正值;T m 船后螺旋桨的推力;(M ) , (S) 分别为中间桨和舷边桨.收稿日期: 1998 02 19王兴权: 男, 52 岁, 副教授146武汉交通科技大学学报1998 年 第 22 卷根据中桨的推力 T m (M ) 和转矩 Q m (M ) 可求小, 都只能克服船体阻力的 13, 也值得推敲.武汉交通科技大学船模试验池在进行三桨船 试验时曾采用三个桨的实测推力的大小来分配船 的阻力, 发现在深水的情况下, 各桨克服的阻力均 为船体阻力的 13 左右, 比较符合实际; 但是在浅水 自航时, 特别是在水深吃水比 (H T ) 较小时,三个桨之间的干扰较显著, 尤其是中桨的流体动 力特性变化很大, 仍按克服 13 的船体阻力来分 析推进因子, 所得结果极不合理.我们认为: 由于三桨船的螺旋桨工作条件不同及三个桨之间的相互干扰, 其推力减额分数 t 不尽相同, 在浅水及三个桨之间相互干扰影响突 出时, 其差异更明显. 因此, 三桨船每个桨克服的 船体阻力应根据每个桨的有效推力 T e 来分配, 即出T m (M )推力系数K T (M ) =n 24mD mQ m (M )转矩系数K Q (M ) =n 25mD m式 中 水 质 量 密 度; nm 螺 旋 桨 转 速;D m 螺旋桨直径.用等推力方法在中间桨的敞水性征曲线上插 值求出进速系数 J (M ) 及转矩系数 K Q 0 (M ). 则中 间桨的推进因子可求出.J (M ) nmD m伴流分数W (M ) = 1-vmJ (M ) K T (M )敞水效率0 (M ) =2KQ 0 ()MK Q 0 (M )相对旋转效率r (M ) =() = T e M ) ,(应 满足 R tm:MQ ()K MR tm ( S ) = T m ( S ) 1 -t ( S ) =T e ( S ) . 式 中 的1- t船身效率h (M ) =1- W (M )R tm (M )、R tm (S) 分别表示中桨和边桨克服的船体阻力. 这是最合理的阻力分配方式.解决了三桨船每个桨克服的阻力分配问题,也就解决了三桨船的推进因子分析问题. 但是其 中的 t (M ) 及 t (S) 又正是推进因子分析问题中需 要求解的未知量. 对此作了些探讨, 并把它们归类 为方法三. 即按有效推力来分配船舶阻力的方法.准推进系数 Q PC (M ) = 0 (M ) r (M ) h (M )同理可以求出舷边桨的Wh (S) 及 Q PC (S).则整船的准推进系数(S) , 0 (S) , r (S) ,P EQ PC =P D (M ) + 2P D (S)式中P E 船的有效功率;收到功率.P D 螺旋桨的2按有效推力来分配阻力的方法本法的自航试验方法与常规单桨船试验方法方法二认为克服的船舶阻力对于三个桨都是均匀分配的. 即三个桨无论它们发出的推力是 大还是小, 都只能克服船体阻力的 13, 据此进行船模自航试验的推进因子分析1 . 则有相同, 即采用强迫自航法. 为进行三桨船自航试验推进因子分析, 除进行三个桨的自航试验之外, 尚 需进行单桨 ( 摘去两个舷边桨) 及双桨 ( 摘去中间 桨) 的自航试验. 在单桨及双桨自航试验中, 保持 螺旋桨的进速及转速与三桨自航试验时相同, 即 保持螺旋桨的工作状态相同, 而通过阻力仪来增 加船模自航试验时的强制力 Z , 使之正好与摘除 中间桨或舷边桨在三桨自航时所克服的那部分阻 力, 并作出如图 2 所示的自航试验曲线图.(R tm - F D ) 3推力减额系数t (M ) = 1-T m (M ) (R tm - F D ) 3t (S) = 1-T m (S)伴流分数W (M ) , 敞水效率 0 (M ) , 相对旋转效率 r (M ) 的求法与方法一相同. 且 (M ) 1- t船身效率h (M ) =1- W (M ) (S ) 1- th (S) =1- W (S)准推进系数 Q PC (M ) = 0 (M ) r (M ) h (M )Q PC (S) = 0 (S) r (S) h (S)方法一要作的试验工作量较小, 只要进行一 次三个桨的自航试验即可. 但是它假定三个桨的推力减额分数 t 均相同, 显然没有考虑三个桨之 间的相互干扰, 在理论上有不足之处. 在实际上,当三个桨布置不相同时, 其推力减额的差别有时 是相当明显的.方法二认为无论三个桨发出的推力是大还是图 2 船模自航试验曲线在三桨试验曲线图上, 可根据摩擦阻力修正 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 147第 2 期王兴权等: 三桨船舶模自航试验推进因子分析方法探讨4) 将 t3 (S) , t3 (M ) 分别代入式 ( 4) , ( 5) , 则可求出影响系数 K 1 及 K 2.中桨及舷边桨的有效推力则可按下式求取,亦即分解出各桨所克服的船模阻力.值 F D 求得相应于实船自航点时的螺旋桨转速 n ,推力 T 及转矩M ; 然后保持船模速度 vm , 螺旋桨 转速 n 与三桨时相同, 分别在单桨及双桨自航试 验曲线图上求得相应的强制力 Z , 螺旋桨推力及 转矩.在船模速度 vm 及螺旋桨转速 n 相同的条件 下, 三桨、双桨及单桨时需满足如下的平衡条件T e3 (M ) = T 3 (M ) 1 -T e3 (S) = T 3 (S) 1 -t3 (M ) =R tm (M )t3 (S) =R tm (S)根据各桨克服的阻力、各桨发出的推力及转矩则可按单桨自航试验推进因子分析方法分别计 算各桨的推进因子.R tm - Z 3 = T 3 (M ) 1-t3 (M ) +三桨时2T 3 (S) 1-t3 (S) (1)(2) (3)双桨时单桨时R tm - Z 2 = 2T 2 (S) 1-t2 (S) 3计 算 实 例R tm - Z 1 = T 1 (M ) 1-t1 (M ) 且在 vm 及 n 相同的条件下, 用不同数目的螺旋桨试验时的强制力应满足某 船 为 三 桨 工 作 船, 主 尺 度 L B T , m :28. 08. 01. 2, 螺旋桨布置如图 1 所示, 桨模为B - 4- 55, 在浅水中 (H T = 1. 5) 分别进行了船 模的三桨 ( 中桨为右旋, 舷边桨为内旋)、双桨 ( 内旋) 及单桨 (右旋) 的自航试验, 现将浅水自航试验 的结果用不同的方法进行推进因子分析, 比较它 们的差异, 用不同的分析方法求得的推进因子列 于表 1 内.Z 1 - Z 3 = 2T 3 (S) 1 -Z 2 - Z 3 = T 3 (M ) 1 -R tm 船模阻力;t 推力减额分数;K 1 t3 (S) K 2 t3 (M ) (4)(5)式中Z 强制力; T 螺旋桨推力;K 1 , K 2 影响系数;下标 1, 2, 3 分别表示单桨, 双桨及三桨. (M ) , (S) 分别表示中间桨及舷边桨;上述 5 个方程中, R tm , T , Z 为自航试验中的已知量, t, K 1 , K 2 为需求解的量, 若能求出, 则三 桨自航时各桨克服的阻力即可求解出来.注意到上述方程中需求解的量有 6 个, 分别是 t1 (M ) , t3 (M ) , t2 (S) , t3 (S) , K 1 及 K 2 , 而方程仅 有 5 个, 故只能通过迭代的方法求解.若令t2 (S) = t3 (S) , t1 (M ) = t3 (M ) , K 1 = K 2 = 1. 0则上述方程变成表 1船模推进要素船模速度 vm (m s)0. 70. 80. 91. 00R tm - Z 3 = T 3 (M ) 1 -t3 (M ) +2T 3 (S) 1 -t3 (S) (6)(7) (8) (9)(10)Z 2 = 2T 2 (S) 1 -Z 1 = T 1 (M ) 1 - Z 3 = 2T 3 (S) 1 - Z 3 = T 3 (M ) 1 -t3 (S) t3 (M ) t3 (S) t3 (M ) R tm -R tm - Z 1 - Z 2 -S迭代过程如下:1) 根据式 (7) , ( 8) 求出 t3 (S ) , t3 (M ) , 代入式(6) , 方程两边不一定相等.2 ) 根据式 ( 9) , ( 10) 求出 t3 (S) , t3 (M ) , 代入 式 (6) , 方程两边不一定相等.3) t3 (S) 在式 (7) 与式 (9) 的计算值之间插值,t3 (M ) 在式 (8) 与式 (9) 的计算值之间插值, 并以式 ( 6 ) 作 为 必 须 满 足 平 衡 条 件 进 行 迭 代 , 直 到 t3 ( S ) 与 t3 (M ) 使 式 ( 6 ) 两 边 相 等 , 则 t3 ( S ) 与 t3 (M ) 即为边桨及中桨的推力减额分数. 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Wt方法一rhQ PCM 0. 684 0. 667 0. 705 0. 763S 0. 198 0. 231 0. 306 0. 387M 0. 232 0. 24 0. 214 0. 441S 0. 232 0. 24 0. 214 0. 441M 0. 25 0. 255 0. 22 0. 15S 0. 475 0. 45 0. 405 0. 305M 1. 036 0. 984 0. 993 0. 776S 1. 066 1. 132 1. 054 0. 965M 2. 43 2. 397 3. 01 2. 359S 0. 958 0. 988 1. 127 0. 927M 0. 629 0. 601 0. 657 0. 274S 0. 485 0. 503 0. 481 0. 273Wt方0法二rhQ PCM 0. 684 0. 667 0. 705 0. 7630. 198 0. 231 0. 306 0. 387M 0. 441 0. 43 0. 434 0. 514S 0. 034 0. 103 0. 156 0. 403M 0. 25 0. 255 0. 22 0. 15S 0. 475 0. 45 0. 405 0. 305M 1. 036 0. 984 0. 993 0. 776S 1. 066 1. 132 1. 054 0. 965M 11768 11708 11925 2105S 11204 11166 11215 01972M 01458 01428 0142 01238S 0. 609 0. 593 0. 518 0. 286148武汉交通科技大学学报1998 年 第 22 卷表 1 (续)个桨的推力及推力减额分数都不尽相同, 每个桨克服的船模阻力也不同. 各桨的推力减额分数可 借用三桨、双桨 (摘去中桨) 及单桨 (摘去两个舷边 桨) 的自航试验结果按有效推力来分配阻力的方 法迭代求解.3) 在深水的情况下, 为减小工作量, 采用方 法二来进行三桨船的推进因子分析, 虽然道理上 欠缺, 但从工程角度出发, 仍可获得较符合实际的 推进因子.4) 在浅水自航试验时, 由于三个桨发出的推力及克服的阻力差异较明显, 浅水中三桨船自航 试验推进因子分析应首先求出各桨的有效推力并 根据有效推力来分配船的阻力, 然后再按每个桨 的推力及克服的阻力进行推进因子分析, 才能获 得符合实际的推进因子, 为螺旋桨的设计提供可靠的数据. 但试验的工作量也相应增加, 且要求具 有较高的试验技术及试验精确度.船模速度 vm (m s)0. 70. 80. 91. 04几 点 结 论1) 从上表中可看出, 将同一条船模的自航试验结果按不同的方法进行推进因子分析, 主要影 响 推 力 减 额 分 数 t、船 身 效 率 h 及 准 推 进 系 数Q PC , 即直接影响三个桨的负荷分配.因此, 采用参 考 文 献合理的分析方法, 以便获得符合实际的推进因子,对螺旋桨的设计有重要影响.2) 三桨船自航试验时, 由于流场的差异, 每1 舒世华 1 三桨船推进因子分析 1 舰船性能研究, 1984(3) : 1 27A D iscu s s io n o n th e A n a ly s is M e tho d o f T h ree Sc rew Sh ip sP rap u ls ive fac to r B a sed o n M o de l Se lf2P rop u ls io n T e s tW an g X in gquanChen Q iuzh i W an g D exun(D ep a rtm en t of N a v a l A rch itec tu re a n d O cea n E n g in ee rin g )A b s t rac tW h en C a r ry in g o u t th e m o de l se lf2p rop u lsio n te st o f th ree sc rew sh ip , du e to th e in te rfe re o f th ep rop e lle r s, th e lo ad o f each p rop e lle r o r th e re sistan ce it o ve rcom e s m ay b e d iffe ren t f rom each o th e r.T h is p ap e r g ive s a com p a r sio n an d a d iscu ssio n o n an da ta p ro ce ssin g m e tho d o f th e m o de l se lf2p rop u l2 sio n te st o f th ree sc rew sh ip , an d p ropo se s a