船舶与海洋工程实验技术-自航试验指导书

1、华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号 Tel：02787543358 Fax：02787542946船舶与海洋工程实验技术自航试验指导书华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室2015 年 5月20日19目录0、前言11、船模制作12、仪器安装及操作12.1 电测阻力仪12.2 自航仪93、自航试验操作144、试验数据处理165、实船性能预报17图目录图1 拉力传感器2图2 放大器背面接口3图3 放大器正面4图4 8HZ采集程序图标5图5 8HZ自航双桨6图6 8HZ系统设定7图7 8HZ数据采集8图8 8HZ数据处理9图9 自

2、航仪10图10 电机11图11 电机操作柜12图12 转速数字显示仪13图13 WD990 微机电源14图14 自航试验曲线16表目录表1 拉力传感器规格表4表2 自航仪规格表90、前言自航试验有以下主要目的：（1） 分析和研究各种效率成分，研究桨、船两者的相互作用；（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，验证设计的船舶是否满足任务；（3） 判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。我们所采用的自航方法为强迫自航法,又称英国法.有关自航的详细理论请参考船舶性能实验技术（第五章），俞湘三等主编，上海交通大学出版社。1、船模制作船模的制作和装载状态的

3、调整都和阻力试验是一样的，此处就不在赘述。2、仪器安装及操作2.1 电测阻力仪电测阻力仪主要是用来测量强制力Z。本系统主要由硬件，软件两部分组成：硬件：它是由多组十六路信号放大处理器、采集卡、计算机组成。原理方框图如下:拉力传感器信号放大处理器采集卡计算机 信号放大处理器主要技术指标：采样通道 ： 16路输入阻抗 ： >2M零点漂移 ： 0.05% 精 度 ： 0.05%D/A转换板： 12位 精度 0.015%具体操作过程如下:首先,拉力传感器固定在机械阻力台上，如图1所示图1 拉力传感器拉力传感器，一头由数据线连接，到拖车操作室接到放大器背后的接口处，放大器型号为:HG-98 多功能

4、数据处理系统，如图2和图3所示图2 放大器背面接口图3 放大器正面选择通道，如CH5，然后放大器通过采集卡与计算机（靠门口那台）相连。此外，拉力传感器的另一头有钢丝连接，与拖曳船模的钢丝相连接。拉力传感器规格如下表1所示表1 拉力传感器规格表类别量程系数电压拉力传感器10Kg30.56v25Kg33.312v50Kg66.612v100Kg13512v150Kg211.512v500Kg115012v1000Kg152710v软件：采用VB语言编程，主要由窗体模块及标准数学分析模块组成。软件流程图如下：数据文件系统设定数据采集数据处理具体操作过程如下：数据采集程序在电脑桌面上名为8HZ，如图4

5、所示。图4 8HZ采集程序图标双击桌面图标8HZ，进入程序。此时，一定要等程序自检的进度条读出一段后，再点击忽略。然后点击“自航试验”，选择“双桨”，如图5所示。图5 8HZ自航双桨进去之后，选择系统设定，如图6所示。此处，我们拉力传感器规格为25Kg，接的是CH2，所以在在通道二中更改，系数可以在表1中找到。由于25Kg需要的电压为12V，所以在图3放大器正面中，调整CH2通道的电压为12V。系统设定中的电压为5V，不用调整。以双桨自航为例，我们需要在放大器中设置5个通道，分别测量强制力Z，左桨推力T左、扭矩Q左和右桨推力T右、扭矩Q右。拉力传感器和自航仪的电压和系数的设置，请参照表1和表2

6、.图6 8HZ系统设定然后进入数据采集界面，如图所示。在拖车开动之前，要对拉力传感仪进行调零。即在水池水面平稳状态下，钢丝处于松弛状态时，点击系统设定里面的 调零保存，使该通道的工程值基本在0附近飘动。具体采集过程，见3 自航试验操作。图7 8HZ数据采集图8 8HZ数据处理数据处理，和阻力部分一样，仍打开对应的文件名，然后拉取较平稳的一部分，然后读数记录。2.2 自航仪自航仪为测量船模航行时螺旋桨的推力和扭矩的仪器型号参考如下表格。表2 自航仪规格表类别量程系数电压（V）德国自航仪10kg25kg.cm推力：34.2扭矩：82.5推力：6.0扭矩：10.0德国自航仪（坏头）10kg25kg.

7、cm推力：35扭矩：82推力：6.0扭矩：10.0自航仪5#（702所）10kg30kg.cm推力：33.75扭矩：69推力：6.0扭矩：10.0自航仪9#（702所）10kg30kg.cm推力：33.2扭矩：67.6推力：6.0扭矩：10.0自航仪（702所）25kg50kg.cm推力：40扭矩：167推力：12.0扭矩：12.0本系统主要由硬件，软件两部分组成：硬件：它是由多组十六路信号放大处理器、采集卡、计算机组成。原理方框图如下:自航仪信号放大处理器采集卡计算机 具体操作过程自航仪与电机和螺旋桨通过轴系进行连接，可以测量螺旋桨的推力和扭矩。图9 自航仪图10 电机电机通过电源线与电机操

8、作柜相连。我们通过电机操作柜开启、关闭电机，并且能够调整电机的转速。图11 电机操作柜此外在电机上还连接有转速数字显示仪，通过转速显示器上的数字变动，我们能够直观的看到转速的变化,如图12所示。此仪器同样通过稳压电源进行供电，如下图13所示。图12 转速数字显示仪图13 WD990 微机电源软件：自航仪的数据采集和强制力都是同时完成，可参考2.1的此部分。3、自航试验操作在未装螺旋桨之前，我们先要测量桨轴的零扭矩Q0，后续计算会用到。在进行自航试验时，为使船模和实船的阻力之间满足缩尺比的三次方的关系，我们需要人为的增加一个摩擦阻力修正值，即实际上,试验时在船模上加一个拖曳力FD,则桨模发出的推

9、力Tm需克服的阻力为（Rtm-FD）。在这一点上，试验船型达到力的平衡，称改点为实船自航点。通常我们需要提前估算一下实船和船模的摩擦阻力系数，公式如下：摩擦阻力系数计算采用1957-ITTC公式，其表达式为：自航试验一般应不少于4个自航速度，即vm1，vm2，vm3，vm4，其中vm3应相当于实船的设计航速，vm4则高于实船设计航速，各速度应取合理的间隔。对于某一选定的自航速度vm，一般取5个不同的强制力，即Z1，Z2，Z3，Z4，Z5。为使试验点分布较均匀合理，一般取Z=0，相当于船模自航点。Z3=FD，相当于实船自航点。其余的大致为：Z2=0.5FD，Z4=1.5FD，Z5=2FD。在拖车

10、开动之前,先让螺旋桨转动一定转速,比如500转,然后开动拖车,继续增加或者减小转速,使操纵台上拉力传感器的数值稍大于FD,此时就是我们需要的第一个强制力.根据实际情况,以比上一次大一些的转速转动螺旋桨,然后启动拖车,等拖车稳定后,采集数据.我们需要记录转速n，强制力Z，还有两个桨模的推力T和扭矩Q。然后等数据稳定之后，我们继续稍微增加螺旋桨的转速，等稳定后，再次采集以上数据。即通过改变螺旋桨转速的方法，采集五个不同强制力下的Z，n，和左右桨的推力T和扭矩Q。然后保存文件，采集一次，最多可以采集十组数据。等五个速度的数据全部收集之后，我们就可以画出自航试验曲线。图14 自航试验曲线然后在纵坐标中

11、量取Z=FD，做平行于X轴的直线，和nZ曲线相交，找出对应的转速n，然后在其他曲线上找出对应的T和Q。把得到的数据带入计算表格中估算效率。 4、试验数据处理根据前面计算的摩擦阻力修正值，对应相应的状态和速度，进行插值得出要求的转速N、推力T、扭矩Q按等推力法进行自航数据分析，计算中已扣除零扭矩Q0。已有相应的excel计算表格，可以进行较快捷的数据处理。要处理的数据如下所示。摩擦力修正值计算见。表3摩擦阻力修正值计算Vs(km/h)Vm (m/s)Cfm (10e-3)Cfs(10e-3)Fd(kgf)表4 自航试验分析实船速度Vs (kn)12 13 14 15 船模速度Vm (m/s)船模

12、阻力Rm (kgf)摩擦阻力修正Fd (kgf)桨模转速n (rpm)单桨模扭矩Q (kgf.cm)单桨模推力T (kgf)模型推进效率Q.P.C.按等推力法进行分析：推力系数Kt =Tm/(n2D4)扭矩系数Kq =Qm/(n2D5)进速系数J(由敞水曲线查得)Kq'（由敞水曲线查得）敞水效率0相对旋转效率r= Kq'/Kq推力减额分数t=1(Rtm-Fd)/ (2Tm)VA (m/s)伴流分数=1 nDJ/Vm船身效率h=(1-t)/(1-)推进效率Q.P.C.校核=0×h×r5、实船性能预报实船性能预报采用（1X），K2方法，根据经验取X0.05，K20