三槳船水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

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船模自航試驗(yàn)是分析研究各種推進(jìn)效率成分的重要手段，自航試驗(yàn)的目的是正確估計(jì)船模的伴流分?jǐn)?shù)、推力減額、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率等推進(jìn)因子，對(duì)實(shí)船的性能進(jìn)行預(yù)報(bào)以及判斷螺旋槳、主機(jī)以及船體之間的配合情況。選取合理的推進(jìn)因子是船舶螺旋槳設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是決定螺旋槳設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵之一。對(duì)于單槳船或雙槳船來(lái)說(shuō)，推進(jìn)因子的確定比較容易，國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)于1978 年提出“1978 年ITTC單槳船性能預(yù)報(bào)方法”，對(duì)單船的自航試驗(yàn)及實(shí)船預(yù)報(bào)提供了依據(jù)并獲得較好的效果，對(duì)雙槳船來(lái)說(shuō)，左右螺旋槳相對(duì)于船中是對(duì)稱分布的，一般都將阻力一分為二進(jìn)行處理，雖然這樣做忽略了兩槳之間的相互干擾，但基本能滿足工程需求，對(duì)三槳船來(lái)說(shuō)推進(jìn)因子的確定就比較困難，主要是各槳阻力分擔(dān)的不均勻?qū)е聰?shù)據(jù)處理時(shí)如何對(duì)各槳進(jìn)行阻力分配有一定的難度。對(duì)于采用導(dǎo)管螺旋槳的三槳船，除了阻力分配方面的困難外，敞水導(dǎo)管槳的螺旋槳推力、導(dǎo)管推力與船后導(dǎo)管槳的螺旋槳推力、導(dǎo)管推力差異的處理也有一定的困難。

1 模型試驗(yàn)研究

為了便于分析闡述，本文以一艘三槳船為例進(jìn)行分析，該船為淺吃水船舶，采用的是三機(jī)三槳形式，為了提高推進(jìn)效率，選用了導(dǎo)管螺旋槳。由于多槳船的內(nèi)側(cè)槳和外側(cè)槳因在船后的位置及布置方式不同，相互之間的干擾不同，工作處的流場(chǎng)不同，使得各狀態(tài)下船舶的阻力不同，因此，在對(duì)光體船模阻力進(jìn)行測(cè)量之后，也對(duì)帶導(dǎo)管的船模阻力進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)改變內(nèi)側(cè)導(dǎo)管和外側(cè)導(dǎo)管的相對(duì)位置，探討了導(dǎo)管間距對(duì)船模阻力的影響，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看到，加上導(dǎo)管后船模阻力明顯增加，內(nèi)外側(cè)導(dǎo)管之間的間距的變化對(duì)阻力也有一定的影響，因此在后續(xù)的試驗(yàn)中采用的是阻力最小的方案，即中槳位于3.5 號(hào)肋位。

表1 內(nèi)外側(cè)導(dǎo)管間距對(duì)阻力的影響

受吃水限制，導(dǎo)管上緣一部分嵌入了船體，因此這部分對(duì)導(dǎo)管的推力沒(méi)有貢獻(xiàn)，應(yīng)予以扣除，具體計(jì)算是按幾何比例關(guān)系予以扣除如下式:

式中:KTP——嵌入船體導(dǎo)管槳有效推力系數(shù);KT——導(dǎo)管螺旋槳總推力系數(shù);KTN——導(dǎo)管總推力系數(shù);θ——嵌入角。圖1 和圖2分別為左右槳及邊槳扣除嵌入船體部分后的敞水性征曲線.

圖1 外側(cè)槳敞水性征曲線圖

圖2 內(nèi)側(cè)槳敞水性征曲線圖

2 自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

三槳船自航試驗(yàn)采用的是強(qiáng)制自航方法，其試驗(yàn)方法與單槳船相同。一般選取四個(gè)船模自航速度，對(duì)某一選定的船模試驗(yàn)速度，一般需要外加五個(gè)強(qiáng)制力，當(dāng)z=0 時(shí)，即為自航點(diǎn)。對(duì)于三槳船來(lái)說(shuō)，除了對(duì)三個(gè)槳進(jìn)行自航試驗(yàn)外，還需對(duì)邊槳(摘除中槳)和中槳(摘除邊槳)進(jìn)行自航試驗(yàn)，此時(shí)應(yīng)滿足來(lái)流條件相同，即在實(shí)船自航點(diǎn)處按同轉(zhuǎn)速、同航速，分別測(cè)量雙槳和單槳的推力、轉(zhuǎn)矩與強(qiáng)制力。在對(duì)導(dǎo)管的處理方面，摘除中槳或摘除邊槳時(shí)，由于導(dǎo)管的翼型剖面特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生一定的推力，因此在處理時(shí)需扣除這部分推力。船模在三槳、雙槳及單槳自航試驗(yàn)是滿足如下平衡方程:

三槳時(shí):

其中:Rm——船模帶附體(舵)總阻力;

Z3、Z2、Z1——分別為三槳同轉(zhuǎn)、僅邊槳轉(zhuǎn)、僅中槳轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)制力，由于僅邊槳轉(zhuǎn)或中槳轉(zhuǎn)時(shí)，僅摘除了槳，導(dǎo)管并沒(méi)有摘除，因此Z2=Z＇2－TDM2，Z1=Z＇1－TDS1，Z＇2、Z＇1為實(shí)際測(cè)量的強(qiáng)制力，TDM2、TDS1分別為僅邊槳轉(zhuǎn)時(shí)中導(dǎo)管產(chǎn)生的推力和僅中槳轉(zhuǎn)時(shí)邊導(dǎo)管產(chǎn)生的推力;

TPL、TPR、TM、TDL、TDR、TDM——分別為三槳同轉(zhuǎn)時(shí)左槳、右槳、中槳、左導(dǎo)管、右導(dǎo)管、中間導(dǎo)管產(chǎn)生的推力;

tL、tR、tM——分別為三槳同轉(zhuǎn)時(shí)左槳、右槳、中槳的推力減額;

TPL2、TPR2、TDL2、TDR2——分別為摘除中槳、兩邊槳轉(zhuǎn)時(shí)左槳、右槳、左導(dǎo)管、右導(dǎo)管產(chǎn)生的推力;

tL2、tR2——分別為摘除中槳、兩邊槳轉(zhuǎn)時(shí)左槳、右槳的推力減額;

TPM1、TDM1——為摘除邊槳、中槳轉(zhuǎn)時(shí)中槳、中間導(dǎo)管產(chǎn)生的推力;

tM1——為摘除邊槳、中槳轉(zhuǎn)時(shí)中槳的推力減額;

從前面的敞水?dāng)?shù)據(jù)可以左右螺旋槳的敞水性征曲線基本相同，左右槳的推力測(cè)量值基本相同，因此在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)認(rèn)為左右邊槳的推力減額相同，因此(2)、(3)式可簡(jiǎn)化為

TPS、TDS、tS——分別為三槳轉(zhuǎn)時(shí)邊槳、邊導(dǎo)管產(chǎn)生的推力，邊槳的推力減額;

TPS2、TDS2、tS2——分別為邊槳轉(zhuǎn)時(shí)邊槳、邊導(dǎo)管產(chǎn)生的推力，邊槳的推力減額;、

(7)式表示的是邊槳與中槳無(wú)相互干擾時(shí)，工況為2Rm－Z2－Z1下，邊槳克服的阻力為Rm－Z2，中槳克服的阻力為Rm－Z1，此時(shí)邊槳和中槳的阻力分配系數(shù)分別為:

(11)式表示的是三槳同轉(zhuǎn)時(shí)槳產(chǎn)生的推力與僅邊槳轉(zhuǎn)槳產(chǎn)生的推力之差加上三槳同轉(zhuǎn)時(shí)槳產(chǎn)生的推力與僅中槳轉(zhuǎn)槳產(chǎn)生的推力之差，即兩倍的有干擾時(shí)槳產(chǎn)生的推力與無(wú)干擾時(shí)槳產(chǎn)生的推力之差，這樣可認(rèn)為在工況為Z1+Z2－2Z3下，計(jì)及干擾下中槳克服的阻力為Z2－Z3，邊槳克服的阻力為Z1－Z3，此時(shí)邊槳和中槳的阻力分配系數(shù)分別為:

令ΔT=2(TPS+TDS)(1－tS)+(TPM+TDM)(1－tM)－2(TPS2+TDS2)(1－tS2)－(TPM1+TDM1)(1－tM1)則在工況2Rm－Z2－Z1下，推力T1=T－ΔT;在工況Z1+Z2－2Z3下，推力T2=T+ΔT，則T=0.5×(T1+T2)，則在近似認(rèn)為阻力分配系數(shù)與產(chǎn)生的有效推力為線性關(guān)系的情況下(這一關(guān)系在譚等文章中有驗(yàn)證)，可得實(shí)際工況下邊槳和中槳的阻力分配系數(shù)分別為:

通過(guò)上述方法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列處理，如下:

表2 自航試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

?

表3 根據(jù)上述方法計(jì)算的各槳阻力分配系數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)三槳船三槳之間相互干擾，對(duì)船模阻力有一定的影響;(2)三槳船自航試驗(yàn)分析與單槳船自航試驗(yàn)分析不同，其三個(gè)槳的克服的阻力不同，因此其推力減額、伴流分?jǐn)?shù)等不盡相同。

［1］王興權(quán)，陳秋芝，王德恂.三槳船船模自航試驗(yàn)推進(jìn)因子分析方法探討［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(02).

［2］譚廷壽，陳賓康.三槳船船模自航試驗(yàn)分析［J］.船海工程，2005(05).