艦船更換主機后的快速性預(yù)報

周 煜

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通226010)

0 引 言

艦船由于其特殊的使命要求，其快速性是諸多性能中的主要性能之一。為了提高航速，通常采用多槳推進。雖然越來越多的艦船采用多槳推進，但是目前為止，多槳船螺旋槳的設(shè)計仍然是依據(jù)單槳船螺旋槳的設(shè)計方法，然后根據(jù)實驗進行修正，還沒有直接用于多槳船螺旋槳設(shè)計的系列圖譜。其實，多槳船的螺旋槳設(shè)計過程和單槳船相通，只不過是單槳船螺旋槳設(shè)計時只考慮船體和螺旋槳的設(shè)計而已，而多槳船螺旋槳設(shè)計除了考慮上述因素外，還要考慮槳和槳之間的干擾，所以還不完全一樣。因此，有必要提出多槳船螺旋槳的設(shè)計方法。

Labberton［1］針對四槳艦船中采用相同尺度的螺旋槳會導(dǎo)致不同軸系所需要的功率不等而提出了一種更改螺距比的設(shè)計方法。高秋新等［2］探索了船尾流動與多個螺旋槳之間的相互作用，并給出了一艘四槳船模的實例分析。覃新川、單鐵兵等［3－5］從理論方向研究了四槳兩舵推進系統(tǒng)的水動力干擾，并對某大型艦船的四槳兩舵推進系統(tǒng)的水動力進行分析研究。王展智等［6］以四槳水面艦船為研究對象，研究了螺旋槳的相對縱向分布位置和橫向分布位置的變化對螺旋槳水動力性能的影響。本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用圖譜設(shè)計法對更換主機艦船的螺旋槳進行設(shè)計，達到了預(yù)定的航速要求，表明螺旋槳圖譜設(shè)計法對預(yù)報艦船快速性的適用性。

1 設(shè)計工況

原艦船的主尺度和船型系數(shù)如表1所示，螺旋槳和主機參數(shù)如表2所示，取原艦船最大功率95%和相應(yīng)主機最大轉(zhuǎn)速為設(shè)計工況，然后校核在主機額定轉(zhuǎn)速下的功率貯備，確保滿足規(guī)范中額定功率留有5%～10%貯備的要求。

表1 艦船主尺度和船型系數(shù)Tab.1 Principle dimensions and coefficients of ship form

表2 艦船螺旋槳及主機參數(shù)Tab.2 Parameters of propellers and main engines

由艦船主機和螺旋槳參數(shù)可知，計算轉(zhuǎn)速N =1 500 r/min/2.064 5 = 726.6 r/min = 12.109 r/s，槳的收到功率PD=1 000 ×95% ×0.98 ×0.975 =907.7 kW，由于本艦船允許設(shè)計2 套螺旋槳(共4組)，其螺旋槳的基本要素如表3所示，主機限制曲線負荷數(shù)據(jù)如表4所示，主機使用負荷限制曲線如圖1所示。

表3 艦船螺旋槳基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of propellers

表4 主機限制曲線負荷數(shù)據(jù)Tab.4 Limit curves of main engines' electric load

圖1 主機使用負荷限制曲線Fig.1 Limit curve of electric load used by main engines

2 快速性指標(biāo)預(yù)報

使用TBD620V8型柴油機，根據(jù)給定的主機負荷限制曲線和負荷數(shù)據(jù)對該艦船進行快速性預(yù)報，得到進行四槳同時工作時快速性指標(biāo)，如表5所示;側(cè)槳工作，中槳自由旋轉(zhuǎn)時快速性指標(biāo)，如表6所示，中槳工作，側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)時快速性指標(biāo)，如表7所示。

表5 四槳同時工作時快速性指標(biāo)Tab.5 Rapidity index of four propellers working together

表6 側(cè)槳工作，中槳自由旋轉(zhuǎn)時快速性指標(biāo)Tab.6 Rapidity index of side propellers working

表7 中槳工作，側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)時快速性指標(biāo)Tab.7 Rapidity index of middle propellers working

根據(jù)表5～表7的數(shù)據(jù)可繪制航行特性曲線，如圖2所示。根據(jù)圖2 螺旋槳航行特性曲線和主機負荷限制曲線得出如下結(jié)論:

1)采用第2 組槳作外側(cè)槳、第3 組槳作內(nèi)側(cè)槳，四槳同時工作，在主機最大允許轉(zhuǎn)速1 446 r/min，功率895 kW 時，最大航速可達27.5 kn，較原來降低0.9 kn;

2)在外側(cè)槳工作、內(nèi)側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)，在主機最大允許轉(zhuǎn)速1 230 r/min、功率750 kW 時，可達航速18.3 kn;

3)在內(nèi)側(cè)槳工作、外側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)，在主機最大允許轉(zhuǎn)速1 225 r/min、功率747 kW 時，可達17.7 kn;

4)建議2)和3)都可作為巡航狀態(tài);

5)根據(jù)以上結(jié)論，如不重新設(shè)計螺旋槳，建議選螺距較小的第3 組槳作外側(cè)槳、第4 組槳作內(nèi)側(cè)槳要好些;

6)選TBD620V8 柴油機，重新設(shè)計螺旋槳，對提高航速意義不大。

圖2 螺旋槳航行特性曲線Fig.2 Navigation characteristics curves of propellers

3 選新機進行計算

由上述結(jié)論看出，選擇TBD620V8型柴油機達不到28 kn 以上的航速要求，因此再重新選機進行計算。該型號主機功率1 016 kW，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，為保證螺旋槳的性能，因此齒輪箱的減速比必須為i =2.477，才能保證螺旋槳設(shè)計轉(zhuǎn)速N=1 800/2.477=726.7 r/min。

該主機的使用負荷限制線如圖3所示，螺旋槳航行特性曲線如圖4所示。

表8 主機使用負荷限制曲線數(shù)據(jù)Tab.8 Limit curve of electric load used by main engines

圖3 主機使用負荷限制曲線Fig.3 Limit curve of electric load used by main engines

圖4 螺旋槳航行特性曲線Fig.4 Navigation characteristics curves of propellers

由以上計算可得出如下結(jié)論:建議選TBD620V8型柴油機，最大功率940 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。但該型號沒有這種機，因此選型TBD620V8 柴油機，最大功率1 016 kW，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，齒輪箱轉(zhuǎn)速比為2.477，這時最大航速可達28.4 kn，巡航速度為18 kn 左右。

4 結(jié) 語

本文研究了四槳艦船更換主機后快速性的預(yù)報，采用螺旋槳的圖譜設(shè)計法根據(jù)給定的設(shè)計工況和主機參數(shù)進行預(yù)報，達到了預(yù)定的航速，獲得了滿意的結(jié)果，表明螺旋槳圖譜設(shè)計法在艦船快速性預(yù)報的優(yōu)越性。

［1］LABBERTON J M.A method for determining proper pitch for the inboard and outboard propellers on a four screw ship［J］.Journal of the American Society for Naval Engineers，1973，49(4):576－584.

［2］高秋新，周連第.船舶尾部流動與多個螺旋槳相互干擾的數(shù)值模擬［J］.中國造船，1998(1):16－24.GAO Qiu-xin，ZHOU Lian-di.Numerical simulation of interaction between ship stern flow and multi-propellers［J］.Shipbuilding of China，1998(1):16－24.

［3］覃新川.短翼水動力計算模型與多槳多舵水動力干擾研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2006.QIN Xin-chuan.Research on numerical hydrodynamic short-foil model and the inference between multipropeller and multirudder ［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2006.

［4］覃新川，黃勝，常欣.四槳兩舵推進系統(tǒng)的水動力干擾研究［J］.中國造船，2008，49(1):112－116.QIN Xin-chuan，HUANG Sheng，CHANG Xin.Research on hydrodynamic interaction between four propellers and two rudders［J］.Shipbuilding of China，2008，49 (1):112－116.

［5］單鐵兵.四槳兩舵船舶螺旋槳不同工況下水動力性能及船體操縱性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.SHAN Tie-bing.Research on hydrodynamic performance with four propellers and double rudders in different work condition and maneuverability of ship［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2008.

［6］王展智，熊鷹，齊萬江，等.船后槳的布局對螺旋槳水動力性能的影響［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2012，33(4):427－431.WANG Zhan-zhi，XIONG Ying，QI Wan-jiang，et al.The effect of propeller arrangement arrangement behind the hull on propeller hydrodynamic performance［J］.Journal of Harbin Engineering University，2012，33(4):427－431.