全回转拖轮阻力性能试验研究

全回转拖轮阻力性能试验研究

在所有旋转推进器的运行状态下，螺母臂主要应克服本船和被拖动船之间的阻力。在自航行状态下，主要克服船体本身的阻力。通常全回转拖轮在作业时要求有足够大的推力或拖力;在接到作业任务时,特别是消防拖轮接到消防任务时要求能在尽可能短的时间内到达工作地点,这就需要全回转拖轮在给定的主机功率和螺旋桨效率下有好的阻力性能。1．全回转拖轮的兴波特性在船舶阻力性能研究中,按傅汝德数Fr将各类船舶分为低速船(Fr<0.18)、中速船(0.18<Fr<0.30)、高速船(Fr>0.30)。因为全回转拖轮自航状态时,Fr一般在0.40左右,应属于中高速船之列,因此兴波阻力是总阻力中的主要成份,往往占总阻力65%左右,而且此时拖轮的波浪长度一般超过满载水线长度,首尾波系在船尾产生有利或不利干扰作用的可能性均消失。全回转拖轮在全速航行时,常可看到从拖轮船首后产生的波峰,在船尾后以波峰结束唯一一条波浪。由于全回转拖轮为了尽量扩大首部橡胶靠巴在作业时顶靠范围,前体往往设计比较宽大,而船尾因为布置两个DP或ZP装置,也需要有较大的宽度,所以整个船体显得较为肥短,其兴波阻力相比其它类型同样长度或同样排水量中高速船舶来说比较大;而且船首部水线坡度较大,进水角达38°以上,首柱有较大圆弧半径,所以航行时船首破波阻力也很大,全回转拖轮在航行中,首柱前形成一个陡峭的船首波,好象一道弧形的堤埂横卧在船首附近,受到首柱撞击后破碎形成白色泡沫带消失在船首两侧;综上所述,全回转拖轮在航行时,船体的阻力比较大,往往使用2000～3000kW主机只能达到13～14kn航速。2船舶试验为了更好地了解全回转拖轮的阻力性能,委托上海交通大学海洋工程实验室在船模试验池对“甬港消拖3号”进行了阻力性能试验。1设计了评论员4.2mm的水压,5m的水压,5m.4m.4m.5m.5m的高砂仓干产品ss3.2.4.2.4m的水土流失分析,5.5m的科学设计要求设计水线间长Lwl38.5m垂线间长Lbp38.5m船宽B11.0m设计吃水Ts3.8m方型系数Cb0.556设计吃水排水量Δs843.2t湿表面积Ss529.63m22表1显示了船舶静水阻力测试的结果3材料形状因子实船总阻力由模型试验测得静水阻力采用三因次换算法进行换算,摩擦阻力系数Cf采用1957年ITTC公式计算。粗糙度补贴系数取ΔCf=0.5×10-3,形状因子采用渡边公式进行估算KITTC=−0.095+25.6Cb(LwlB)2BT√=0.588ΚΙΤΤC=-0.095+25.6Cb(LwlB)2BΤ=0.588总阻力对应于实船在15℃海水中,并包括空气阻力1.0%,附体阻力3.0%,及壳板排水量增加的阻力0.6%。实船摩擦阻力、兴波阻力和总阻力换算结果见图1。4兴波阻力的变化从图1可知,随着航速增加,“甬港消拖3号”的摩擦阻力增加的幅度不是很大,而兴波阻力在低速航行时,与摩擦阻力数值相差不是很大,随着航速的增加兴波阻力值迅速增长,占总阻力的比例也越来越大,在全速航行时(14.2kn)占总阻力的66%左右,说明全回转拖轮在自航状态时,兴波阻力是总阻力中的主要方面。3几何因素和形状对阻力的影响宁波港油港轮驳有限公司现有典型全回转拖轮主尺度及船型系数见表2。3.1全回转拖轮的稳定性全回转拖轮船长L对阻力影响较大,主要体现在长宽比L/B和排水量长度比d(d=Δ(0.01L)3)d(d=Δ(0.01L)3)的变化上,d代表了全回转拖轮船的排水体积和船长的关系,因而较之L/B更能表示船体的肥瘦程度,所以一般用d而不用L/B来体现船长对阻力的影响,而全回转拖轮船宽B、吃水T对阻力的影响常体现在B/T的变化上。1)d代表了全回转拖轮的瘦长程度,d大意味着在同样的长度内分布更多的排水量,或者把同样的排水量分布在较短的船长范围内,因此表示船体肥而短,相反该系数小者表示船体瘦而长,全回转拖轮由于前述的工作特点,d一般在20000左右,显得较为肥而短,这样在自航状态时,占总阻力很大比重的兴波阻力就显得很大,粘压阻力也较大,阻力性能变得很差。在船舶设计中,常通过对母型船的尺度进行变化,如增加船长、同时减少船宽和吃水而使排水量保持不变;或使船长保持不变、同时减少船宽和吃水而使排水量减少,从而使d减小,使船体变得瘦长些,减少兴波阻力和粘压阻力,从而改善拖轮的阻力性能。对于中高速船,常会提出一个最佳船长或d,因为船长增加到一定程度,将使摩擦阻力增加值超过剩余阻力的增加值,对总阻力反而不利,全回转拖轮Fn一般在0.40左右,根据桑地公式接近最佳排水量长度系数的设计范围,最佳d应在1435到2152之间,全回转拖轮d要达此最佳设计范围,就必须在给定排水量条件下,把现有母型拖轮船长拉长一倍以上,而全回转拖轮的船长设计更多从工作要求及其设备安装布置、回转性及耐波性要求来考虑,从这点来看,全回转拖轮的d很难达到最佳,因此船舶的阻力性能就显得较差。2)B/T主要表征全回转拖轮的扁平程度。当全回转拖轮舯剖面积一定时,B增大,意味着全回转拖轮船体的散波波高增加,T增大,意味着全回转拖轮船体的横波波高增加,所以B、T对剩余阻力的影响是相反的,B/T对剩余阻力的影响是较小的;在一般情况下,舯剖面积一定时,B/T在2.20～3.75范围内对摩擦阻力影响很小,B/T在3.00附近时船舶的湿面积最小。因此B/T在一定范围内变化时,对总阻力影响是很小的,全回转拖轮B/T一般为2.67～3.16,所以B/T的变化对全回转拖轮的阻力影响很小。3.2全回转拖轮的兴波作用和cm主要的船型系数包括棱形系数Cp、船中横剖面系数Cm和方形系数Cb。1)Cp主要表征排水体积沿船长方向的分布情况,Cp小表示排水体集中于船中部,首尾两端较瘦削。Cp对摩擦阻力影响较小,但对剩余阻力影响很大。全回转拖轮在自航状态时,处于中高速范围内,整个船体都产生兴波作用,因为此时首波峰位置后移至横剖面面积曲线转折点处,而全回转拖轮Cp一般较大,为0.59～0.65左右,船中部不是很凸起,水压力不产生突变,在运动方向的分量较小,所以产生兴波阻力较小。一般在设计中应使全回转拖轮Cp在0.60～0.65范围内。2)Cm主要表征全回转拖轮船中横剖面的丰满程度。对阻力影响不是很明显,对于象全回转拖轮这样在自航时处于高速的船,Cm选取主要考虑使船体线型能光顺,Cm在0.96～0.75较为合适,随Cb的减少而减少,公司所设计的全回转拖轮Cm在0.80～0.92之间,处于合适范围之内。3)Cb主要表征全回转拖轮水下部分肥瘦程度,它主要影响剩余阻力,对摩擦阻力影响不大,当Cb>Cbc=1.05-1.68Fr=0.4左右时,兴波阻力会增加得很快,而全回转拖轮Cb一般超过0.5,所以全回转拖轮的Cb常使阻力性能恶化。3.3兴波阻力随立地分区的变化主要由浮心纵向座标Xcb、平行中体和横剖面面积曲线两端的形状。1)Xcb主要表征全回转拖轮的排水体积对于船中分布不对称程度,直接明了船体前后部分的肥瘦程度,浮心离船中越后,则表示船尾部越肥,首部越瘦,一般来说首部丰满,兴波阻力越大,尾部丰满,粘压阻力越大,因为全回转拖轮兴波阻力占很大比例,从表3可知全回转拖轮Xcb都在舯后,这对减少兴波阻力是有利的。2)平行中体的存在将使高速船前体变得尖瘦,过分尖瘦的船首将使首部波浪的水压力水平分量增大,因而阻力增大,而且容易产生首肩波和肩部旋涡使阻力性能恶化,所以全回转拖轮都不应设计存在平行中体的3)首端形状主要影响兴波阻力及其首波峰的水压力在水平方向分力大小,尾端形状主要影响粘压阻力及后体的压力梯度,一般两端取直线或微凹对阻力是有利的,但“甬港消拖2号”首部横剖面曲线内凹较大,这样船首波峰处就凸起,水水压力产生突变,在运动方向的分量较大,产生兴波阻力就会很大。全回转拖轮曲线应光顺,不应有凸起之处,见图2,“甬港消拖3号”“甬港拖21号”尾部有较大起伏,就易形成肩波,产生较大的粘压阻力。3.4全回转拖轮的水线面特征1)从阻力观点出发,满载水线面系数Cw=(0.97～1.01)Cp较为合适,对全回转拖轮来说Cw应在0.60～0.70较为合适,而实际上所设计建造的全回转拖轮Cw往往在0.97左右,对阻力是不利的,而对耐波性和抗沉性是有好处的。2)全回转拖轮各水线面通常设有平行中段长度,自满载水线至龙骨基线各平行中段长度逐渐减小,见图3。3)同横剖面曲线一样,首端形状主要影响兴波阻力,尾端形状主要影响粘压阻力,所以全回转拖轮首端取直线或微凸(见图3)对阻力是有利的。4)满载水线首端半进角表示水线在船首水平面上与船纵中剖面间的夹角(不计首柱具体形状),全回转拖轮一般如“甬港消拖3号”首端半进角达38°以上,半进角较大对阻力不利。3.5转拖轮二次排放的影响横剖面形状对摩擦阻力影响较小,对兴波阻力影响较大,全回转拖轮除首端因布置靠巴需要适度外飘而采用V形剖面,这样使较多排水体积分布于满载水线附近,满载水线处较肥胖,对兴波阻力不利。全回转拖轮尾部因为设计成方尾,所以常采用V形剖面,使湿面积减少,相应摩擦阻力略有减少,V形剖面与较宽满载水线相配合,使水下部分较尖瘦,使尾部纵剖线较平顺不易产生分离,相应减少粘压阻力,而且较宽的水线易于布置双浆。同以往全回转拖轮常采用圆舭部横剖面不同,新造的“甬港众联6号”为了改善横摇性能按可展船体表面原理的采用“锥式”简易线型,不过这种简易线型的阻力性能对船舶的吃水变化较为敏感,因为为了避免水流分离和尾涡,常将其折角线沿水流方向,因此按某一吃水设计的折角线,在其它吃水时就不符合折角线沿流线这一基本要求,所以此类全回转拖轮吃水不能变化太大。3.6抗拉纵摇系统全回转拖轮船船首形状一般以倾斜式为主,少数也有采用飞剪式的,倾斜式和飞剪式船首可使满载水线以上部分的水线较为瘦削,能降低波浪中的阻力增值,对纵摇也有利,但倾斜式和飞剪式船首缩短了满载水线以下部分水线长度,如果满载水线以下切去过多,就会对阻力性能不利。全回转拖轮尾部常采用方