一种实用船型设计方法(2)--特殊船尾及其推进性能分析

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Q D卷
第 Q期 . 总第 2 Z 8期 1
杜月中[ 一种实用船型设计方法. ( 1 \\ 特 殊 船 尾 及 其 推 进 性 能 分 析
2 =
若考虑到其所引起的旋转效应 ! 推进效率则表Fra Baidu bibliotek为 " # $%
+ ’ */ * 23 4 " & ’ ,( ( 0 ( % . 8 1 - %6 0 ( -6 7( -6 * -6 & ( ) . */ * 1 23 5( * ( -( 0 " ( ) * " " 式中 " 为船后螺旋桨转矩 ! 各效率因子的下标 9 表示常规方法 ! 表示特殊船尾船型方法 ; 此外 ! 式 2 : 9 ( : */ * 0 定义为反桨因子 ! 其大小表示特殊船尾引起的来流旋转速度对船 ! * 舶推进性能的影响 ;6 则意味着 来流 的 旋 转动 能 被 螺旋 桨吸收 而转化 为推 进船舶 的能量 ! 且当 * *< 2 0 一定时 ! 螺旋桨转速 *越低者 ! 反桨效应越佳 ; 由此可见 ! 用式 . 表示的推进效率充分反映了各种因素 8 1 中多了一项效率成分 6 . 8 1 *% 对特殊船尾船型推进性能的真实影响 ;
耗G 这就与桨前反应鳍或对转桨的原理相类似 G 提高了螺旋桨的推进效率 G 主要是增加了周向诱导效率 G
万方数据
图 $ 双球尾型线
图 2 蜗尾型线
收稿日期 A 修改稿收稿日期 A 2 3 3 ! B 3 $ B $ % D 2 3 3 ! B 3 & B 3 C
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中
国
造
船
学术论文
四种特殊船尾的线型如图 ! 图# 图 $和图 %所示 &双球尾 " 蜗尾和双尾均已在内河运输船型上推广 " " 应用 ’ 双尾鳍已在新设计的沿海客滚船上应用 &
一种实用船型设计方法 # E ’ FF 特殊船尾及其推进性能分析
杜 月 中
武汉 ! H 3 3 & ! ’ 华中科技大学交通科学与工程学院 G 湖北 #
摘
要
介绍了四种具有完全不同尾型的实用双桨船型的优化设计结果G 即双球尾船型I 蜗尾船型I 双尾船型I 双 尾鳍沿海客滚船船型G 都取得了很好的推进性能与节能效果J在设计航速下G 与各自的对比常规双桨船型相 比较 G 提高推进效率分别为 $ " K 以上 G 2 3 K 以上 G $ 3 K 左右 G C L$ 3 KJ文中亦对特殊船尾的推进性能与螺旋桨 设计作了初步分析 J
关
键
词 A船舶 I 舰船工程 D 双球尾 D 蜗尾 D 双尾 D 双尾鳍 D 推进性能 文献标识码 A?
中图分类号 A8% % 2 + 2
$ 引
言
近2 针对常规双桨船型的尾部流场不够均匀 G 船身效率与推进效率较低 G 附体阻力较大的特 3年来 G
$ N 点G 国内外相继研究了双球尾 I 双尾 I 双尾鳍和蜗尾等特殊船尾线型 G 取得了令人满意的结果 M J 本文先
矩分别为 45 6 7 ; ( , )# / , ( 0< 0 )= 1
, : 9 . .
!= > ? @ A) C , 3 ( 8 * # + 3 D5 6 7 ; , )- < ( !< > E ? @ A) , C , 8( * #+
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9
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图 2 叶切面水流速度多边形
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N4 5 ND 5 O 15
4 # % 7 ( 0< 0 ) P 1 D # 2 7 ( 0< 0 ) P 1
( % )
4 N4 R . 5 Q DQ# / ( 0< 0 ) ND # / 1 分析特殊船尾船模自航试验结果时 ’ 与船后螺旋桨的推力 4 对应的推力系数为 N4 ’ 根据等推力法 应用桨模的敞水特性曲线 ’ 容易得到对应的进速系数 R’ 此时的进速 与轴向的实效伴流分数 S 分别 . 为 P( 0< 0 ) . 5 R 1 S 5 !=
( 2 ) . 式中 P 为螺旋桨直径 ( 显然 ’ 若不计入 0 用常规分析方法得到的 ’ -为航速 ( ) & I) IH T 1的影响 ’ .!将偏 小’ 而 S! 则偏大 & 特殊船尾船型的推进效率按常规方法可表达为
万方数据 4 != V D 9 .! ! ! D U J5 5 Q Q 5O 1 ! QO W! QO 9 ! / 0 != S! D ! Q# D # / 0 D
K L
为桨前有预旋流
K L K
L
Q 船模试验结果
对球尾 R 蜗尾 R 双尾和双尾鳍四种特殊船尾船型 ! 分别制成模型长度 S F 0 D F 2 F 2 U! U!D U! T %Q 特 殊船 尾船型 与各 自的 对 比 常 规 双 桨 型 分 别 保 持 主 尺 度 不 变 ! 排 水 体 积 相 同 或 略 大! 以 Q F = U 的 船模 ! 提高其可比性 ; 螺旋桨敞水试验与自航试验在华中科技大学船模试验水池中进行 ! 敞水试验采用等推力 法! 自航试验采用强迫自航法 ! 部分模型还探讨过纯粹自航法 ; 四 种特殊船尾船型及其相应的对比常规双桨船型的自航试验结果列于表 2至表 8中 ;表中 V * 为佛 汝德数 ! 为推力减额分数 !6 ’ 1 ! 5 为伴流分数 ! 4 X UI Y W为船速 . 0 为敞水效率 !6 & 为相对旋转效率 !6 7 为船身效率 ! " # $为推进效率 ; 万方数据
( D B"C . */ * 1 A % 0
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. E 1
2 I ( B" # J A 2 I ( = I ( -6 . 2 0 1 & ( -6 * D % D I ( G ’ ,( = I ( 由上式可见 ! 桨前有预旋流动的螺旋桨的收到功率系数表达式中多了一项 6 为了便 6 * ! *称为反桨因子 ; 于进一步分析 ! 式. 也可写成 2 0 1
表 1 双尾 : 蜗尾对比常规双桨船 " 母型船 # 自航试验结果
$ % & ’ 2 3 4 ( 4 5 4 6 7 8 9 ( ) * ! . * + ) / ( ) ! ( / 0 ( ) ! , / 0 ( ) / ! . 1 ! ) ( 1 , 0 ( ) . + + * ( ) / ! * * ( ) * , * 0 ) . 0 ( ) ! ( 0 ! ( ) ! * ( ) / ! 1 ! ! ) ( ! 1 . ( ) . * * + ( ) + 1 , ( ) * / ! 1 ( ) / , ( ) ( , . ( ) ( , , + ( ) / * , . ( ) . ! , , ! ) ( ( + + ( ) + 0 ( ) * 0 1 1 1 ) ! * ( ) ( / + + ( ) ! * * / ( ) / ! ( 0 ( ) . + . ( ) . , ( ( ( ) + + ! (
( # )
$ 式中 6为螺旋桨叶数 F7为水的密度 ( 为切面的阻 H F9 为螺旋桨半径 ( F, F> G @ I) I) I) : 为桨毂半径 ( 且 升比 FA ( , )为桨叶切面的环量 ’ B为叶切面的水动力螺距角 F;
3 ! 4 # M J L# !< ? @ A ( $ ) / , ( 0< 0 )= K B 1 # # 式中 J 为切面弦长 & 螺旋桨的推力系数 N4 " 转矩系数 ND 及其效率 O L K 为切面的升力系数 ’ 1 分别为 ; ( , )5
后对四种具有完全不同尾型的实用双桨船型进行优化设计 G 得到的内河 双球尾 新船型 I 蜗 尾新船 型 I 双 尾新船型和双尾鳍沿海客滚船新船型 G 提高推进效率达 $ 都存在 3 KL2 3 K 以上 J与常规双桨船型相比 G 有不同程度的桨前预旋流动 G 并且都省去了尾轴支架 G 附体阻力减小 J 双球尾的舭涡有明显减弱 G 粘性阻 力降低 G 伴流分数增加并且变得更均匀 G 船身效率与推进效率提高 G 同时减小 了因伴 流不 均匀而 引起的 船身效率与推进效率明显提高 G 而且其总阻力增加不大甚至不 船体振动 J 双尾与双尾鳍的预旋流增强 G 增加 J 至于蜗尾船型 G 由于在尾部采用蜗槽尾 G 使来流在蜗槽的诱导作用下 G 形成一个在螺旋桨前方的较 强预 旋 流动 G 其 方向向 外 G 再 将桨 叶 设 置 成 与 预 旋 流 相 反 的 方 向 旋 转 G 消 除 尾 流 旋 转 运 动G 减少能量损 俗称反桨效应 D 蜗尾可以容纳大径深比 # 的螺旋桨 G 提高了螺旋桨的敞水效率 G 等同于隧道尾的作 OP Q’ 用D 蜗尾还类似于球尾 G 使伴流分数增大且变得更均匀 G 提高了船身效率 G 减小了振动 D 当然 G 蜗尾会增大 使摩擦阻力增加 J 湿表面积 G
图 $ 双尾型线
图 % 双尾鳍型线 ( 海船 )
# + # 特殊船尾的推进性能分析 *
设螺旋桨桨盘上半径 , 处的来流速度由进速 螺旋桨以转速 0朝相反方 / , 0 . 和周向速度 # 1 组成 ’
. 向旋 转 ’ 该处叶切面 的水流 相 对 速 度 多 边 形 如 图 2所 示 &3 与 # 3 4 分别为螺旋桨操作引起的轴向与周向诱导速度 &若已知螺旋 # 则 产生 的 推 力 和 转 桨 各半径切面的几何 特性和流体 动 力 特性 ’
= 桨前有预旋流动的螺旋桨的设计
利用图谱法设计常规船舶的螺旋桨时 ! 大都用收到功率系数 > ? 作为设计参数 ; 对桨前有预旋流动 的特殊船尾的螺旋桨而言 ! > ? 的表达式需要重新确定 ; 桨前有预旋流动的螺旋桨的敞水转矩可写成 " ( " % "-6 ( % "& ( " 现将式中的 " 表示 ! 则有 " 用收到功率 # ( 用螺旋桨的敞水特性代入 ! A 与尾轴转速 * 8 D # A -6 & ( ( ) * 经过整理 ! 可以得到桨前有预旋流动的螺旋桨的收到功率系数
表 * 双球尾船型自航试验结果
$ % & ’ 2 3 4 ( 4 5 4 6 7 8 9 ( ) * + + * , ) , , ( ) * * * ( ) ! , ! ( ) / * , ( ) . ( / ! ) ! ( , ( ) / * , ( ) * ! * + ) . / ( ) ! * + ( ) ( + . ( ) / , / ( ) 0 + ! ) ( + ( ) + . + ( ) * 0 * ) , . ( ) ! / * ( ) ( 0 + ( ) / * + ( ) 0 ! ) ( . * ( ) + . 0 ( ) 1 ( 1 * . ) ( * ( ) ! + . ( ) ! ! ( ( ) / ! 1 ( ) . ! ( ! ) ( + 0 ( ) + . (
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2 I ( = I ( 6 M %6 & 2 为采用常规分析方法所得的收到功率系数 ! * -
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D I ( I ( ’ 23 5( D ,( 为桨前有预旋流动的轴向伴流影响因子 ; % ’ 23 52 ,2 一般而言 ! 如果按常规分析方法设计桨前有预旋流动的特殊船尾船型的螺旋桨 ! 若> 则设 ? 2O > ?! 计桨的负荷偏轻 P 若> 则设计桨的负荷偏重 ; ? 2< > ?!
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学术论文
表 ! 双球尾的对比常规双桨船 " 母型船 # 自航试验结果
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总第 $ ! "卷 第 !期 # % &期 ’ 2 3 3 !年 $ 2月
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文章编号 A$ 3 3 3 B ! C C 2 # 2 3 3 ! ’ 3 ! B 3 3 $ $ B 3 %