螺旋槳工作模式對四槳船操縱性影響試驗研究

王慧婷，畢 毅

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢430033)

螺旋槳工作模式對四槳船操縱性影響試驗研究

王慧婷，畢 毅

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢430033)

針對四槳船航行過程中存在著四槳工作、兩內(nèi)槳工作外槳自由或者兩外槳工作內(nèi)槳自由的情況，在開闊靜水水域中進(jìn)行了大尺度自航模回轉(zhuǎn)試驗和Z形試驗，對比分析了不同螺旋槳工作模式下自航模型操縱運動規(guī)律。結(jié)果表明，兩內(nèi)槳工作時的回轉(zhuǎn)性指數(shù)、轉(zhuǎn)艏指數(shù)比四槳工作時高，四槳工作時比兩外槳高；兩內(nèi)槳工作時的應(yīng)舵指數(shù)比四槳工作時低，四槳工作時比兩外槳低。因此，兩內(nèi)槳工作模式下自航模的回轉(zhuǎn)性、穩(wěn)定性、應(yīng)舵性均優(yōu)于四槳及兩外槳工作模式下的值。

四槳船；螺旋槳工作模式；自航模試驗；操縱性

船舶操縱性是船舶重要的水動力性能之一，它是船舶在控制裝置的作用下，保持或改變船舶運動狀態(tài)包括航向、航速和位置等的能力。預(yù)報操縱性一般有3種方法：半理論半經(jīng)驗估算[1]、自航模試驗[2]和計算機數(shù)值模擬方法[3-5]。半理論半經(jīng)驗方法是基于大量的約束模系列試驗結(jié)果，建立水動力導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)庫或回歸公式，應(yīng)用這些公式對船舶的水動力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估算，但該方法的有效性受船型限制；計算機數(shù)值模擬的方法受數(shù)值計算方法、操縱性運動數(shù)學(xué)模型以及水動力導(dǎo)數(shù)的求解精度等各方面因素的影響；相對而言，大尺度自航模試驗是船舶操縱性預(yù)報中較為可靠的方法，已得到廣泛的應(yīng)用[6]。

隨著船舶裝載量的大幅增加，以及對船舶快速性及操縱性的要求提高，出現(xiàn)了四槳雙舵這種船型，其操縱性能與常規(guī)單槳單舵船、雙槳雙舵船有較大的差異。然而，目前國內(nèi)外對于單槳單舵船及雙槳雙舵船的操縱性能研究較多[7-9]，而對四槳雙舵船的操縱性能研究相對較少，研究主要集中在四槳雙舵船靜水中操縱運動仿真[10-15]、不同螺旋槳工作狀態(tài)時船舶操縱運動性能的數(shù)值分析[16]，研究中缺少自航模型試驗的驗證?；诖?，本文通過模型試驗的方法對四槳雙舵船的操縱性能進(jìn)行研究，并對比分析不同螺旋槳工作模式下的船舶操縱運動規(guī)律。

1 自航模試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ团c控制系統(tǒng)

該自航模型采用玻璃鋼材料制作，量綱一的量化主要參數(shù)見表1。船后對稱布置四槳兩舵，舵位于內(nèi)槳的正后方。槳舵相對位置見圖1，其中L為船模總長。

自航模控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由岸基控制系統(tǒng)、船載控制及運動參數(shù)采集系統(tǒng)和船載執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，采用無線通訊設(shè)備實現(xiàn)岸基上位機和自航模下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成對自航模的控制。下位機負(fù)責(zé)記錄各種即時數(shù)據(jù)，上位機接收并顯示下位機傳回的各種實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要有：經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、航向角、航向角速度、航速、舵角、橫傾角等。

1.2 試驗內(nèi)容

自航模試驗在木蘭湖開闊水域中進(jìn)行，水深15～20 m，蒲氏二級風(fēng)以下。本試驗設(shè)計了3種不同螺旋槳的工作模式：四槳、兩內(nèi)槳及兩外槳工作，開展了航速為1.502 m/s時的自航模回轉(zhuǎn)試驗和Z形試驗，向右打舵時舵角為正。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)上位機所接收的數(shù)據(jù)，畫出各參數(shù)的時歷曲線，圖2為自航模四槳工作、時回轉(zhuǎn)運動中各參數(shù)的時歷曲線，圖3為自航模四槳工作、時橫傾角φ的時歷曲線?？梢钥闯觯夯剞D(zhuǎn)運動穩(wěn)定后，各參數(shù)均達(dá)到穩(wěn)定，但受風(fēng)、流等因素的影響，有略微的波動，取值時均取平均值。自航模進(jìn)入回轉(zhuǎn)后，航速逐漸降低，待運動穩(wěn)定后，航速也趨于穩(wěn)定，取值時取其穩(wěn)定值。對于橫傾角，打舵后自航模首先向回轉(zhuǎn)圈內(nèi)側(cè)橫傾，隨后由向回轉(zhuǎn)圈內(nèi)側(cè)橫傾變?yōu)橄蛲鈧?cè)橫傾。向外側(cè)橫傾過程中所達(dá)到的最大值即為最大橫傾角，穩(wěn)定后的橫傾角即為穩(wěn)定橫傾角，當(dāng)舵角較小時，最大橫傾角不是特別明顯。

圖2 回轉(zhuǎn)運動中各參數(shù)的時歷曲線 (U0=1.502 m/s,δ=-15°)

圖3 橫傾角的時歷曲線 (U0=1.502 m/s,δ=-35°)

圖4 Z形試驗艏向角Ψ和舵角δ時歷曲線

2 試驗結(jié)果分析

2.1 回轉(zhuǎn)試驗

圖5～圖9為四槳、兩內(nèi)槳及兩外槳工作時各回轉(zhuǎn)運動參數(shù)隨舵角的變化情況。

圖5 無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑D′隨舵角δ的變化

由圖5可知：同一螺旋槳工作模式下，隨著舵角的增加定常回轉(zhuǎn)直徑顯著降低。四槳工作時，左右舵無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑D′隨舵角δ的變化曲線呈現(xiàn)良好的對稱性，而兩內(nèi)槳、兩外槳工作時，左右舵所得結(jié)果有略微差別。這是因為在開闊水域中進(jìn)行試驗，受風(fēng)、流等的影響，但這種影響是很小的，綜合分析時取左右舵無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑的平均值。四槳工作時的回轉(zhuǎn)直徑介于兩內(nèi)槳與兩外槳之間，在小舵角情況下，四槳工作時的回轉(zhuǎn)直徑更接近于兩外槳工作時，而在大舵角下其更接近于兩內(nèi)槳工作時。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的無因次定常回轉(zhuǎn)直徑比四槳工作時低17.5%～23.5%，比兩外槳工作時低28.2%～52.1%。這主要是由于舵位處于內(nèi)槳的正后方，受螺旋槳尾流速度的影響，提高了舵的來流速度，增大了舵在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的水動力。

圖6 無因次定?；剞D(zhuǎn)角速度γ′隨舵角δ的變化

由圖6可見，同一螺旋槳工作狀態(tài)下，隨著舵角的增加定?；剞D(zhuǎn)角速度顯著增加。兩內(nèi)槳工作時曲線斜率最大，兩外槳工作時曲線斜率最小。在小舵角情況下，四槳工作時的回轉(zhuǎn)角速度與雙外槳工作時很接近，而隨著舵角的增加兩者間的差值增大。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的無因次定?；剞D(zhuǎn)角速度比四槳工作時高20.2%～30.4%，比兩外槳工作時高39.5%～109.1%。由于，可得兩內(nèi)槳工作時回轉(zhuǎn)直徑最小，兩外槳工作時最大，因此，進(jìn)一步驗證了圖5中反映出的不同螺旋槳工作狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑變化規(guī)律。

圖7 定?；剞D(zhuǎn)速降系數(shù)隨舵角δ的變化

由圖7可見，同一螺旋槳工作狀態(tài)下，隨著舵角的增加，定?；剞D(zhuǎn)速降顯著降低。V′=Vs/V0,Vs為定?；剞D(zhuǎn)時的航速，V0為直線航行時的航速，V′較大時表示速度降低較少，V′較小時表示速度降低較多。在向左打小舵角、兩內(nèi)槳和兩外槳工作時，風(fēng)流對速降產(chǎn)生輕微的影響。在小舵角情況下，兩內(nèi)槳工作時的回轉(zhuǎn)速降與兩外槳工作時很接近，而隨著舵角的增加兩者間的差值增大。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的定?；剞D(zhuǎn)速降系數(shù)比四槳工作時低37.8%～43.1%，比兩外槳工作時低0.9%～24.1%。

圖8 最大橫傾角φm隨舵角δ的變化

圖9 穩(wěn)定橫傾角φs隨舵角δ的變化

由圖8、9可知：回轉(zhuǎn)過程中穩(wěn)定橫傾角的變化規(guī)律和最大橫傾角的變化規(guī)律相似，最大橫傾角為穩(wěn)定橫傾角的1～1.55倍。隨著舵角的增加，穩(wěn)定橫傾角均先增加后減小，在δ=20°～25°時，穩(wěn)定橫傾角達(dá)到極大值。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的最大橫傾角比四槳工作時高21.5%～50.1%，比兩外槳工作時高35.3%～53.1%；兩內(nèi)槳工作時的穩(wěn)定橫傾角比四槳工作時高9.2%～38.1%，比兩外槳工作時高17.9%～42.9%。當(dāng)自航模進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)后，穩(wěn)定橫傾角

式中:ZG——重心垂向高度;ZH——水動力作用點垂向高度。

通過圖5、圖7中3種螺旋槳工作狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑和回轉(zhuǎn)速降的規(guī)律，進(jìn)一步驗證了穩(wěn)定橫傾角的變化規(guī)律。

2.2 Z形試驗

表2～表4為四槳、兩內(nèi)槳及兩外槳工作時各運動參數(shù)隨舵角δ的變化情況。

表2為3種螺旋槳工作狀態(tài)下的無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′隨舵角δ的變化情況。由表可知：舵角δ由10°增加到20°，無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′明顯降低；在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的回轉(zhuǎn)性指數(shù)比四槳工作時高14.2%～14.3%，比兩外槳工作時高22%～38%?；剞D(zhuǎn)性指數(shù)越大說明該工作模式下回轉(zhuǎn)性能越好。

表2 無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)隨舵角δ的變化

表3為3種螺旋槳工作狀態(tài)下的無因次應(yīng)舵指數(shù)T′隨舵角δ的變化情況。由表可知：舵角δ由10°增加到20°，無因次應(yīng)舵指數(shù)T′明顯降低；在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的應(yīng)舵指數(shù)比四槳工作時低16.7%～17.6%，比兩外槳工作時低57.3%～61.8%。應(yīng)舵指數(shù)越小則轉(zhuǎn)首時船對操舵響應(yīng)越快，則應(yīng)舵性越好。同時，穩(wěn)定性指數(shù)T越小，則航向穩(wěn)定性越好。

表4為3種螺旋槳工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)首指數(shù)P隨舵角δ的變化情況。由表可知：各工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)首指數(shù)P均比較穩(wěn)定，在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時的轉(zhuǎn)首指數(shù)比四槳工作時高36.9%～38.8%，比兩外槳工作時高219.7%～221.6%。轉(zhuǎn)首指數(shù)越大，船的轉(zhuǎn)首性越好，則船越容易改變航向。這主要是因為轉(zhuǎn)首指數(shù)僅與舵效及船的搖艏慣性有關(guān)，兩內(nèi)槳工作時船的舵效較大，速降較小則慣性較大，因此，轉(zhuǎn)首指數(shù)較大。

表3 無因次應(yīng)舵指數(shù)隨舵角δ的變化

表4 無因次轉(zhuǎn)首指數(shù)隨舵角δ的變化

3 結(jié)論

1)同一航速下，兩內(nèi)槳工作時回轉(zhuǎn)直徑最小，四槳工作時次之，兩外槳最大；兩內(nèi)槳工作時回轉(zhuǎn)角速度、穩(wěn)定橫傾角及最大橫傾角最大，四槳工作時次之，兩外槳最?。粌蓛?nèi)槳工作時回轉(zhuǎn)速降系數(shù)最小，兩外槳工作時次之，四槳最大。

2)同一舵角下，兩內(nèi)槳工作時回轉(zhuǎn)性指數(shù)和轉(zhuǎn)首指數(shù)最大，四槳工作時次之，兩外槳最??；兩內(nèi)槳工作時應(yīng)舵指數(shù)最小，四槳工作時次之，兩外槳最大。

3)針對本文研究的航速，3種不同螺旋槳工作模式下，船模的穩(wěn)定橫傾角均在舵角20°～25°時達(dá)到極大值。

本文通過自航模試驗對比分析了不同螺旋槳工作狀態(tài)時船舶的操縱性能，以確保各個狀態(tài)下的安全航行。下一步將采用計算機數(shù)值模擬的方法對各螺旋槳工作狀態(tài)時船體周圍的精細(xì)流場進(jìn)行計算，以分析產(chǎn)生此種現(xiàn)象的內(nèi)在機理，為今后四槳雙舵船的操縱性理論分析和研究奠定基礎(chǔ)。

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Experimental Study on Influence of Propellers' Operating Modes upon Maneuvering Characteristics for a Quadruple-screw Ship

WANG Hui-ting, BI Yi

(Dept. of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

There are different operating modes of propeller for the quadruple-screw ship, such as operating conditions with four propellers, two inner propellers and two outer propellers. The turning test and zigzag test of a self-propelled model are carried out in the open still water to investigate its maneuvering characteristics under different operating modes. Experimental results show that the dimensionless turning ability index and the yawing index by two inner propellers is greater than that by four propellers which is greater than that by two outer propellers; the dimensionless steering quality index by two inner propellers is lower than that by four propellers which is lower than that by two outer propellers. Therefore, the turning performance, sailing stability and steering quality by the operating mode of two inner propellers are all superior to the other two modes.

quadruple screw vessel; operating modes of propellers; self-propelled model test; maneuverability

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.014

2015-07-22

水動力學(xué)重點基金 (9140A14030712JB11044)

王慧婷(1990-)，女，碩士生。

U661.1

A

1671-7953(2015)06-0060-05

修回日期：2015-08-17

研究方向:艦船流體動力性能

E-mail:whut_wht@163.com