喷雾推进艇平行操纵方法研究

喷雾推进艇平行操纵方法研究

理论分析和实际船用意味着配备两条以上的供水装置的船舶可以进行平滑和回收。准确地掌握平移操纵方法并实现平移运动的熟练操纵,可充分挖掘出喷水推进艇固有的优越机动性能,大幅缩短喷水推进船离靠码头的时间,还可提高离靠码头和复杂航道航行过程的操艇安全性,避免盲目操艇带来的风险和损失。喷水推进船的平移机动操纵既可采用人工控制的方式,也可借助矢量控制器采用自动控制的方式来实现。但无论采用何种方式都需要有平移操纵方法为基础,简单套用螺旋桨船的操纵方法和经验必将无法有效地实现船舶的平移操纵。目前,国内的喷水推进船驾驶人员往往采用单手柄控制的方式来实现船舶平移操纵,即控制喷水推进器运转的两个手柄中一个保持位置固定,调节另一个手柄来实现喷水推进器的转速、转向角和倒车斗位置的控制从而实现船舶的平移运动。但该方法产生的平移力小、平移操纵能力较弱,在风浪流较大的环境下往往会造成平移操纵失败。为了更有效地实现喷水推进船平移操纵机动性,通过船舶拖曳试验获取了某典型喷水推进双体船平移操纵过程船舶水动力规律,研究了喷水推进器在不同航速、不同转速、不同倒车斗位置以及不同转向角条件下推力和力矩的求取方法,在此基础上制定了一种平移操纵方法。该方法在实船海上平移机动操纵试验中得到了成功应用。1静水中船模的定位问题船体平移运动是喷水推进器对船体的推力和力矩克服船体水动力及水动力力矩达到平衡的结果。为了合理地确定平移操纵方法,有必要先掌握平移过程船体的水动力变化规律。以某喷水推进双体船为例,测量了标准排水量下静水中船模以不同平移速度和平移方向运动时,水动力大小、方向和作用中心位置。通过掌握船模在无风、浪、流情况下平移时的水动力特性,其它更加复杂情况下的水动力特性可根据上述情况作进一步分析。1.1船模抗磨力的计算图1所示为船模斜拖试验过程船体受力示意图。平移试验时,拖车上的三分力天平将A点固定在船模上进行斜拖,通过计算机采样测出船模在不同漂角β和不同航速VS被拖动时天平对船模施加的纵向力N、横向力T及天平在A点对船模的力矩M1。纵向力N和横向力T的合成力为F。作用在船体上的水流阻力为R′,升力为L′,阻力与升力的合力为R,作用在O点。R对A点的力矩为M2,与力矩M1相平衡。合力R的反方向与航速VS方向的夹角为θ。1.2船模作系统分布的稳定性分析通过船模斜拖试验发现,横移阻力要远大于直航阻力。船模以90°的漂角运动时的阻力约为直航相同航速下阻力的10倍以上,且平移阻力随航速的增长率也比直航大。这是因为平移运动时船体形状阻力很大,是阻力的主要成分。船模总阻力大小随漂角不同而不同,呈双驼峰曲线形,最高阻力出现在漂角90°正横平移时的两侧,即漂角67.5°和135°附近的总阻力最大(见图2)。图2中的航速指的是船模平移速度折算到实船尺度时的航速。船模平移运动过程不仅受到与运动方向相反的阻力作用,还受到与运动方向垂直的升力作用。在漂角90°正横平移时,虽然船体迎水面积最大,但艏和艉的绕流基本对称,作用在船体上的升力很小,与运动方向相反的阻力占了总阻力的主要成分。当船模漂角在90°两侧平移运动时,船模首尾绕流不对称,水流对船模产生了较大的升力作用,此时尽管船体迎水面积减小会引起形状阻力减小,但升力明显增加,造成阻力和升力合成的总阻力增大。船模作平移运动时,水动力中心位置随航速的变化幅度不明显,在各个平移航速下水动力中心位置曲线基本重叠,但随漂角的变化幅度较大。水动力中心位置随漂角的变化曲线近似呈现为S型(见图3)。图3中,纵坐标L代表水动力作用中心距船尾的距离占船体水线长的百分比。从图3可见,漂角大于90°时水动力中心位置要比90°时的位置更加靠近船头。随着漂角增大,水动力中心位置距船艉的距离先增加到最大值,然后回落到漂角180°的位置。漂角小于90°时水动力中心位置要比90°时的位置更加靠近船艉,随着漂角减小,水动力中心位置距船艉的距离先减小到最小值,然后上升到漂角0°的位置。但漂角小于90°时水动力中心位置变化幅度没有漂角大于90°时变化幅度那么大,变化幅度较平缓,可以近似认为与90°时位置基本相同。船模斜拖试验获得的这些结果可为平移操纵方法的制定提供船体水动力性能方面的参考,使平移操纵方法的制定更有针对性。2提供反作用力喷水推进船的推力由喷水推进器喷口射流的反作用力提供。船舶操纵时喷水推进器的推力及其对船体的力矩通过调节轴转速、喷口转向角和倒车戽倒车位置来控制。2.1系泊拉力的求取平移操纵的航速很低,因此喷口射流向后直喷时的推力可用系泊拉力值来替代。喷水推进器在不同转速下的系泊拉力即可用系泊试验时测量,也可用计算流体力学(ComputationalFluidDymamics,CFD)方法来求取。采用CFD方法求取系泊拉力时,将船舶航速设为零,模拟用泵旋转抽吸船底水流的方式来模拟。图4为CFD模拟得到的喷水推进器在系泊工况某一航速下的流线。图5为用CFD方法求取的喷水推进器系泊拉力随轴转速的变化特性。运用该曲线图可快速地确定主机转速与喷水推进器系泊拉力之间的对应关系。这是计算喷水推进器转向和倒车力的前提。2.2水压回收vi喷水推进船的转向靠改变喷水推进器喷口射流在水平方向的喷射角度来实现(见图6)。喷口转向角为零时,根据动量定律,喷水推进器的推力Xj可表示为:Xj=ρQ(Vj−Vi)(1)Xj=ρQ(Vj-Vi)(1)式(1)中:Vj为喷口射流速度;Vi为喷水推进器进流速度。此时,侧向力和转向力矩为零。喷口转向角为θ时,推力有所减小,推力大小Xjs、侧向力Yj和转向力矩Nj分别为:Xjs=ρQ(Vjcosθ−Vi)(2)Yj=ρQVjsinθ(3)Nj=YjXjG(4)Xjs=ρQ(Vjcosθ-Vi)(2)Yj=ρQVjsinθ(3)Νj=YjXjG(4)式(2)～式(4)中:XjG为推力作用点到船体旋转中心的纵向距离。平移航速很低,可忽略进流速度。此时喷水推进器的推力Xjs、侧向力Yj和转向力矩Nj分别为:Xjs=ρQVjcosθ(5)Yj=ρQVjsinθ=Xjssinθ(6)Nj=YjXjG=XjssinθXjG(7)Xjs=ρQVjcosθ(5)Yj=ρQVjsinθ=Xjssinθ(6)Νj=YjXjG=XjssinθXjG(7)2.3汽车系泊试验结果喷水推进器采用向前方折转喷口射流方向的方式来实现倒车。图7为一种常见的倒车机构的倒车示意图。倒车过程中,通过在垂直面上调整倒车戽内的上下鄂,可将向后的水流折转为向前下方喷射提供倒车力。正车与倒车之间可实现无级调节。图7所示的倒车戽在完全倒车状态时,折转的水流与船底平面的夹角约为45°。理想情况下,倒车力大小等于相同转速时正车推力的2√/22/2。但是倒车过程水流折转剧烈,流动损失严重,且有部分水流从两侧喷溅外溢,引起倒车力达不到上述理想值。根据KaMeWa公司对这种类型的喷水推进器进行系泊试验的结果可认为倒车力约为同转速下正车力的1/2(见图8)。采用相同类型倒车戽的喷水推进器的倒车力可参照这一试验结果来求取。在同时进行转向和倒车操作时,相应的转向力、倒车力可将单独操作时的计算方法综合起来求取。根据图5所示的系泊拉力随转速的变化特性以及图8所示的系泊工况正车力与倒车力特性曲线,可求出在平移操纵过程正车力和倒车力相等时对应的正车喷水推进器和倒车喷水推进器的转速(见图9)。采用图9中正倒车力相等时的转速关系图可快速地设定平移操纵过程主机的初始转速,缩短人工调整船体平移所需的时间。3并行操作的方法和步骤3.1安平非线性船岸和无风静水海域正横选取综合考虑了船体平移操纵的水动力特性和喷水推进器的正车、转向和倒车状态下的推力特性,提出了采用同步等角度调节两个喷水推进器的方式来实现平移操纵的方法。采用该方法平移操纵时,如果要求船体向右平移则右侧喷水推进器倒车操纵左侧喷水推进器正车操纵,反之左侧喷水推进器倒车操纵右侧喷水推进器正车操纵。即,船体往哪侧平移则该侧的喷水推进器倒车,另一侧喷水推进器正车。在理想无风静水海域正横平移时,正车喷水推进器的推力应与倒车喷水推进器的倒车力大小相等,对应的主机转速按照图9来确定。两个喷水推进器的喷口转向角大小相等、方向相反(见图10)。正车推力T1和倒车拉力T2组成的合力Ty克服阻力使船体平移运动。当合力Ty的作用点与船体水动力作用中心点不一致时,航向将发生变化,船体在移动的同时会转动。为了阻止船体转向,应同步增加或减小两个喷水推进器的喷口转向角。以图10所示的向右平移过程为例,当平移操纵时船体向右偏转说明两个喷水推进器的合力作用点过于靠近船艏,应同步等大小增大喷口转向角使平移力作用点向船艉方向移动,直至与船体水动力作用中心相重合;反之,当船体向左转向说明两个喷水推进器的合力作用点过于靠近船艉,应同步等大小减小喷口转向角使平移力作用点向船艏方向移动。只有当喷水推进器的平移力及力矩与船体水动力及力矩同时平衡时,船体才能顺利平移运动。3.2调整重船的阶段,调整船的布置,使其与船舶互联互通以某喷水推进船向右横移为例说明平移操纵的具体步骤。其它喷水推进船在平移操纵时,转速和舵角(即喷口转向角)初始值的设定按具体情况调整。具体操纵步骤如下(见图10):1)将驾控台喷水推进器控制手柄控制方式转换为独立控制。2)操纵左车正车880r/min,左舵12°;右车倒车1200r/min,右舵12°。3)观察船体的运动状态。4)如果船体作顺时针转动,则同步同幅度增大左右两个喷水推进器的舵角,调整至船体不再转动。如果船体作逆时针转动,同步同幅度减小左右两个喷水推进器的舵角,调整至船体不再转动。5)航向稳定后,船体在作横向平移或斜向平移。若船体作斜向平移,拟将它变成横向平移,则保持右侧喷水推进器转速不变,调节左侧喷水推进器,即改变正车推力,调整至船体作纯横向平移。注意,在调整左侧喷水推进器转速时,船的斜向运动发生了变化,船体的水动力也发生了变化,此时需视船体转动情况按第“4)”步的方法来调整航向。6)如需加快平移速度,按照图9中的转速对应关系增加左右喷水推进器的转速,并重复第“4)”和第“5)”步操纵。7)当船体即将靠近码头时需减小平移速度,以保证安全靠码头。为了减小向右平移速度,应同时减小正、倒车转速,减小向右平移推力。如果仍无法将船速减小到安全靠码头的速度,将右车变成正车、左车变成倒车,即向左平移操纵,以避免船体碰上码头。向左平移操纵方法与向右平移操纵方法类似。掌握静水无风的理想环境下横移操纵方法是进行斜向平移和有风、浪、流的复杂环境下平移操纵的基础。在进行斜向平移时,纵向速度通过调整正车转速来调整,同时调节两台喷水推进器的转向角把定航向。在有风、浪、流的环境下,需根据当时的环境和船体运动的具体情况进行灵活调整来实现平移操纵。作者曾采用上述操纵方法和步骤成功地进行了某喷水推进双体船实船海上平移操纵试验。3.3安平中根据变化的方向进行推广应力平移操纵性是喷水推进船在机动性方面优异于螺旋桨船的特点之一。要实现平移操纵,操纵方法要从传统的螺旋桨船操纵方法改变为喷水推进船的操纵方法。平移包括横向平移和斜向平移。根据船模试验,同样航速下横向平移与斜向平移的水动力作用中心不一样,而且随着排水量、横移速度、平移方向而变化。船体平移方向发生变化后水动力作用中心也随着变化。因此,在航向发生变化后需及时调整喷水推进器的转向角度来维持平移方向。平移操纵时驾控台操纵手柄需在独立模式下操控,左手柄控制左侧喷水推进器,右手柄控制右侧。平移运动时船体阻力是同航速直航阻力的十倍以上,而正车喷水推进器和倒车喷水推进器的平移合力又较小,故平移速度很低,不易用肉眼明显观察到。在风、浪、流影响较大的环境下,喷水推进器的推力有可能被风、浪、流的影响抵消,无法实现平移。判别船体进行平移运动(包括横向平移和斜向平移)的依据包括:1)左、右两舷喷水推进器互为正、倒车,各自的喷口转向角大小相等、方向相反。2)航向保持不变。3)船体前进舷侧的水面与跟随舷侧的水面波浪形状不同,前进侧水面呈自然波浪,跟随侧水面呈微弱的翻水状。4)船体左、右片体前端平移绕流形成明显的涡旋。目测平移操纵时,这些标准一般应同时满足。4使用矢量控制器进行平行操纵装有两台(或两台以上)喷水推进器的船舶可进行包括平移操纵在内的各种机动操纵。提出的平移操纵方法能够为船体提供较大的平移力和控制航向的力矩。熟练掌握该方法可有效