尾板节能在舰船水动力性能试验中的应用

尾板节能在舰船水动力性能试验中的应用

自20世纪70年代以来，尾板在高速水中用作高速船上的节能装置，并取得了良好的效果。如果主机的功率不变，设计速度可提高1kn以上。由于尾板的节能效果及低廉的改装费用,美国投入相当人力、物力进行模型试验,研究尾板对舰船水动力性能的影响并获得成功。最典型的应用是将试验所得到的尾板优化方案安装在现役FFG-7级护卫舰FFG-25USSCOPELAND号上,节能效果明显。安装尾板可以在不对船体作大幅改动情况下,达到提高航速、减少螺旋桨空泡和噪声、改善发动机可靠性及节约燃料的目的;并且该装置有结构简单、安装方便的特点,可适用于多种舰船。1尾板的设计参数尾板的作用使船体尾部的船底表面向后作相对小的延伸。尾板设计参数的选定采用以下两个原则:一是利用选定的参数能够设计出工程上实用的尾板方案;二是这些参数对船舶快速性能有较显著影响。通过分析,本试验选择了3个尾板设计参数:尾板弦长、展长和下反角(尾板和静水面间的夹角)。尾板设计主要根据船舶的任务要求及船型而定。模型试验表明尾板主要设计参数与船舶阻力性能有一定的关系。在低速时,尾板对阻力不利;在中速时,尾板有一个使阻力从不利转为有利的转折点;在高速时,尾板使阻力下降。增加尾板弦长和下反角,对低速时的阻力不利,并延伸阻力影响的转折点,但对高速的阻力明显有利。因此,尾板的设计必须在减小高速阻力的同时使低速时的阻力增加最小。要说明的是,尾板在某些速度下对阻力不利,这仅是从模型试验得出的结论。至今,所有的实船试验表明,尾板在试验速度范围内均未发现对阻力有不利的影响。另外尾板的设计应考虑从船体外侧边缘来决定尾板的平面形状及尾板和船体之间的光顺配合。为了简化尾板的结构和降低制造费用,大多数情况下,尾板端部采用简单的圆弧形。2试验模型和试验方案2.1试验方法见图2母型船主尺度及系数见表1。试验船模缩尺比λ=8.571,船长L=3.5m。船模为木质,表面油漆光洁,船首19站处设置半径r=0.5mm激流丝。试验在中国航空航天工业部第605研究所高速水动力实验室进行。该实验室水池长510m、宽6.5m、深6.8m、水深5.0m;拖车速度范围为0.5～22.0m/s,速度精度为0.2%。2.2试验计划1阻力测试编号如下0:船模带附体;1:带附体船模加尾板1;2:带附体船模加尾板2;3:带附体船模加尾板3。2表2显示了在船模型中安装三种不同参数的场景2.3实船船模相关因子船模阻力换算采用傅汝德阻力换算方法,其中摩擦阻力系数按1957年ITTC平板摩擦阻力公式计算,即Cf=0.075/(lgRn-2)2,实船船模相关因子ΔCf取0.4×10-3,试验结果换算为15℃淡水实船数据。在测定船模阻力的同时测定船模尾下沉量及尾倾角。2.4实船速度vsn由船模试验数据换算为实船结果,并分别用实船单位排水量总阻力Rts/Δs与实船速度vs、剩余阻力系数Cr与傅氏数Fr、有效功率Pe与实船速度vs两两之间的关系曲线表示。3尾板模型试验图1～3分别为加装三种不同参数尾板方案下Rts/Δs～vs,Cr～Fr,Pe～vs的试验结果比较曲线,其中减阻效果最理想的为船模加装弦长52mm,10°下反角的尾板方案。图4～6分别为船模加装弦长52mm,10°下反角的尾板与未加装尾板两种状态下Rts/Δs～vs,Cr～Fr,Pe～vs的试验结果比较曲线。其中,当设计航速vs=32kn时,有效功率减小率ΔPe达9.10%。试验所得的部分数据见表3、4及图1～6。通过三种不同参数方案尾板的模型试验研究,定量分析了尾板的节能效果。高速双体船加装尾板后有利于船舶性能改善的流体动力机理可归纳如下。1)尾板的主要作用在于抑制“鸡尾流”,减小尾浪,使尾波能量损耗减少。2)尾板的安装相当于增加了船长,有利于兴波阻力降低。3)加装尾板后,船舶的尾倾有一定程度的减小,调整了船舶航行姿态。4)尾板可改变船后体流场,使得船体尾部下方流体减速,引起船体尾部压力增加,从而产生作用在后体上的推力。同时,由于流速降低,并扩展至螺旋桨盘面处使压力增加,有利于螺旋桨效率和抗空泡性能。通过试验观察及分析发现,对于高速双体船,尾板对调整船舶航行姿态的作用很敏感,尤其是高速时更为显著,当船模速度较大时下反角适当减小可能更为有利,因此采用下反角可随航速调整的尾板装置可能是一项有益的探索。另外,从国内外关于尾板的研究成果知,一般尾板实船试验的效果要优于模型试验的效果,这是由其尺度效应所致。4反角在防旋转板上的应用由试验结果可知,三种不同方案的尾板均取得一定的减阻效果,其中减阻效果最理想的为弦长52mm、10°下反角的尾板方案,在设计航速下有效功