三桨船船模自航试验分析

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())&$)&$)! 谭廷寿 （!%&" F ） ， 男， 博士， 副教授
航点处按同转速、 同航速， 分别测量双桨和单桨的 推力、 转矩与强制力， 则三桨、 双桨和单桨自航时
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三桨船船模自航试验分析— — —谭廷寿
陈宾康
需分别满足下面的平衡条件 （’ " $ ) ） 三桨： ! ! " " # $ % #（ ( #) & ’ " $&） 双桨： （’ " $ &% ） ! ! " " % $ % # &% （’ " $ )’ ） 单桨： ! ! " " ’ $ # )’ 力； — — 三桨自航试验时的强 "# 、 #& 、 #)、 $&、 $)— 制力 （等于摩擦阻力 修正值） 、 边桨推力、 中桨推力、 边桨推力 减额分数、 中桨推力 减额分数； — — 双桨自航试验时强制力、 边 "% 、 # &% 、 $ &% — 桨推 力、 边桨推力减额分 数； — — 单桨自航试验时强制力、 中 "’ 、 # )’ 、 $ )’ — 桨推 力、 中桨推力减额分 数。 这里认为左右边桨的推力减额分数相同， 应 保证螺 旋 桨 模 型 的 加 工 精 度 （如 误 差 小 于 * + ’ ， 其敞水性征曲线将基本相同， 其次左右桨的 !!） 推力测 量 值 应 基 本 相 同 （误 差 应 控 制 在 ’*, 以 内） ， 否则应考虑是否螺旋桨的安装有问题。表 ’ 为相当实船自航点的船模三桨、 双桨和单桨自航 时的推力和强制力测量值， 其中边桨推力为左右 桨推力之平均值。
常三桨船中桨的推进因子与边桨不相同， 实船螺 旋桨通常与备用螺旋桨不同， 因而各桨的阻力分 配系数与船模自航试验的情况也不一样， 则每个 桨的推力不能确定。实船性能预估时通常假定推 力减额分数和相对旋转效率不计尺度影响， 即实 船与船模的值相同， 对三桨船必须满足船桨平衡 条件 （# $ & ’ ） （#3） $ ) ! #（ " #’ & # $ &&） 显然从上面的方程不能确定边桨和中桨的推 力， 为了满足此平衡条件， 只能通过迭代方法来确 定各桨的推力。具体做法为： 给定实船航速， 对于 边机和中机， 边桨和中桨相同的情况， 仅当三个螺 旋桨的转速相同， 每个主机发出的功率才大致相 同， 因此螺旋桨的转速须通过迭代来确定， 首先给 出转速的初值， 对中桨和边桨分别计算出进速系 数， 根据实桨敞水性征曲线确定其推力及转wk.baidu.com系 数， 求出推力， 若不满足方程 （#3） ， 修改螺旋桨转 速， 重新计算， 直到收敛为止。然后由转矩系数确 定螺旋桨的转矩和收到功率， 即可得到中桨和边 桨所需要的主机功率与航速的关系曲线。 二因次换算中取实船伴流分数 "/ ) (・ "* ， 其中 ( 可视为伴流相关系数， 对于内河船， 可取 (
’0 + ’* %* + *# %6 + 9* #2 + #% ’1 + 96 %% + ’8 %2 + 60 #8 + 11 ’’ + 19 ’9 + 8# %’ + 28 #’ + 6* #’ + #’ #8 + 0* 99 + *2 6# + 82
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船海工程
（总第 !"G 期） ())& 年第 & 期
文章编号
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三桨船船模自航试验分析
谭廷寿 陈宾康
武汉 *’))"’ 武汉理工大学交通学院 摘 要
三桨船船模自航试验时不能确定各桨所克服的阻力， 各桨的推力减额分数不能直接得到， 使自 三桨船 自航试验 阻力分配 文献标识码 -
为了得到三桨船每个桨的推力减额分数， 首 先需要确定每个桨克服的阻力， 根据表 ’ 所得到 的测量数据， 可采用下面的方法确定每个桨克服 的阻力。首先由 （%） 与 （#） 相加得到
船海工程
（总第 #45 期） !++- 年第 - 期
边桨的阻力分配系数分别是 ! ! " ! # $ ! ! % 时， 中桨的阻力分配系数分别是 " ’# 和 " ’! ， " &# 和 " &! ， 当负荷 # ( ) $ * $ ! % 时， 有 # (# ) # ( $ !#% ， # (! ) # ( " !#% ， （##） # ( ) + , - .（ # (# " # (! ） 三桨实际状态的负荷正好是负荷 # (# 和 # (! 的平均值， 采用线性内插方法可得负荷为 # ( 的 边桨和中桨的阻力分配系数 " & 和 " ’ " ’ ) + , - .（ " ’# " " ’! ） " & ) + , - .（ " &# " " &! ） "& " "’ ) # 于是由下式可解出边桨和中桨的推力减额分 数 && 和 &’ （ $ * $ !% ） ! #（ & # $ & & ）) " & . （# $ & ’ ）) " ’ .（ $ * $ !% ） #’ （#%） （#!）
航试验分析难以进行。本文提出了一个确定阻力分配系数的方法， 试验分析结果说明本方法是合理的。 关键词 中图分类号 +""! , ’!’
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式中： — — 实船自航点对应的带附体的船模阻 !!—
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（9）
由 （’） 减 （%） 和由 （’） 减 （#） 分别有 （’ " $ ) ）( % #（ "% " "# $ # ) & ’ " $&） （’ " $ &% ）$ # ) （’ " & ) $ ) ） （1） " % # &% （’ " $ ) ） "’ " "# $ % #（ ( #) & ’ " $&） （’ " $ )’ ）$ % #（ （6） " # )’ & ’ " && $&） 与 （6） 相加可得 由 （1） （’ " $ ) ） "’ ( "% " % "# $ 0 #（ ( % #) & ’ " $&） （’ " $ &% ）" # )’ （’ " $ )’ ） " % # &% （’ " & ) $ ) ） $ % #（ ( #) & ’ " && $&） （2） 反映了两倍的三桨自航试验时的有 方程 （2） 效推力减去边桨和中桨间无相互干扰时的三个桨 的有效推力， 则边桨和中桨相互干扰时的有效推 力增量为 （’ " $ ) ） ( #) !# : $ % #（ & ’ " $&） （’ " $ &% ）" # )’ （’ " $ )’ ）（8） " % # &% 可理解为三桨有效推力加上边 因此方程 （ 2） 桨和中桨相互干扰时的推力增量， 相当于三桨在 推力减额分数发生变化时所克服的 “总阻力” ， 而 此时的边桨和中桨所克服的阻力分别为 "’ " "# 和 "% " "# ， 此时中桨和边桨的阻力分配系数为 % )% $ % &% "% " "# "% ( "’ " % "#
表! 项 三桨、 双桨和单桨自航试验测量值 目 ’0 ’ *1* 数 ’1 ’ %#2 值 ’2 ’ 0#* %* ’ 16#
（’ " $ &% ）( # )’ （’ " $ )’ ） % ! ! " "% " "’ $ % # &% （0） 方程 （0） 可理解为边桨和中桨之间无相互干 扰时， 三个桨所克服的阻力， 且边桨和中桨克服的 定义中桨和边桨 阻力分别为 ! ! " "% 和 ! ! " "’ ， 的阻力分配系数 % )’ $ % &’ ! ! " "’ % ! ! " "% " "’ （’） （%） （#）
［(］ 。 法确定
为了正确分析三机三桨船的推进因子， 自航 试验首先做了三桨自航试验， 由摩擦阻力修正值 （等于强制力 &’ ） 确定出实船自航点对应的模型 螺旋桨的转速、 推力和转矩。仅由三桨自航试验 无法分析得出边桨和中桨的推力减额分数， 还必 须进行双桨 （摘掉中桨） 及单桨 （摘掉两个边桨） 的 自航试验， 此时应满足来流条件相同， 即在实船自
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三桨船自航试验及分析方法
为了便于阐述和分析， 以一艘三桨船为例， 该
船是航行于长江上游的超浅吃水三尾三桨船， 专 门用来运输三峡大坝的大型发电机， 设计航速要 求大于 !G H<I;， 由于吃水太浅， 双桨船不能满足 要求， 只能采用三桨的推进方式。 自航试验采用强迫自航试验方法， 选取 * 个 船模试验速度 !" 分别为! , ’!&、 ! , &)(、 ! , "%)、 ! , G#G 相应的实船速度 !# J !*、 <I2， !"、 !G、 () H<I;。试 验时船后螺旋桨的推力 $ 和转矩 % 用应变式动 力仪测量， 强制力 & 用机械式阻力仪测量。实船 自航点对应的摩擦阻力修正值按常规自航试验方
（’*）
和 （ 2） 相当于两种负荷状态， 在这两 方程 （0） 种负荷状态下有各自的阻力分配系数， 但是当负 ） ， 其阻力分配 荷状态为三桨实际状态时 （即式 （’） 系数则不同。 如果把三桨所克服的 “总阻力” 作为航态的负 荷， 则阻力分配系数与负荷有关， 可认为是负荷的 函数， 当负荷分别为 # ;’ $ % !’ " "% " "’ 和 # ;% $ %’
实船航速 -.! ・ /" ’ 桨模转速测量值 -3 ・ !45 " ’ 三桨时边桨推力 -7 三桨时中桨推力 -7 强制力 -7 双桨时边桨推 -7 双桨时强制力 -7 单桨时中桨推力 -7 单桨时强制力 -7
’0 + ’’ %* + %’ %6 + *2 #6 + 8% ’’ + 98 ’6 + #* %% + #6 #’ + 0% 2 + ** 8 + 81 ’% + *8 ’0 + #6
船模自航试验的主要目的之一是确定船舶的 推进因子 （包括伴流分数， 推力减额分数， 相对旋 转效率） 。对于单桨船或双桨船而言， 推进因子的 确定比较容易， 但是对于三桨船来说， 就存在一定 的困难。其关键是要首先确定每个螺旋桨所克服 的阻力， 也即总阻力在各个桨上的分配问题， 这正 是本文所要解决的问题。 在三桨船的自航试验分析中， 阻力分配是不 确定的， 因此各家水池有自己的一套分析处理方 法， 但正式发表的方法较少。其中有些方法， 存在 一些人为的因素， 如阻力按各桨推力的大小来分 配 （即各桨的推力减额分数相同） ， 或假定阻力平 均分配给各桨， 显然这样的处理很难令人信服。 文献 ［!］ 在分析三桨船自航试验时， 除进行三桨自 航试验， 还进行了双桨 （摘去中间桨） 和单桨 （摘去 边桨） 的自航试验， 这是很必要的， 可以得到更多 的信息来分析三桨船的自航试验。接下来的问题 是如何根据这些信息来进行分析， 确定阻力的分 配 （确定各桨的推力减额分数） 。