低速作業(yè)工況船模拖帶自航試驗(yàn)

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(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 南海水產(chǎn)研究院，廣州 510250；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

隨著海洋油氣資源開發(fā)、魚類捕撈逐漸向深遠(yuǎn)海發(fā)展，近海供應(yīng)船、錨作拖船、鋪管船、物探船、挖泥船、拖網(wǎng)漁船等各類船舶得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些船舶均屬于典型的多工況船舶，其常用的工況包括自由航行工況和低速拖帶航行工況(對于帶有動(dòng)力定位要求的船舶則還包括系柱工況)，以往的研究大多只關(guān)注自由航行工況，而對于拖帶航行工況則較少涉及。不同于自由航行工況，船舶在拖帶作業(yè)工況下往往對應(yīng)著較低的航速(甚至零航速)和較大的螺旋槳負(fù)荷，船槳相互影響表現(xiàn)出明顯不同的特征，在系柱工況下，伴流分?jǐn)?shù)和相對旋轉(zhuǎn)效率也失去其原有意義[1]。雖然第26th國際拖曳水池會議(ITTC)在其自航試驗(yàn)推薦規(guī)程“7.5-02-03-01.1”中給出了系柱拖力試驗(yàn)和拖帶自航試驗(yàn)的建議方法，但并沒有涉及實(shí)船拖力預(yù)報(bào)[2-3]。為此，提出一套船模拖帶自航試驗(yàn)方法。

1 船模拖帶自航試驗(yàn)及實(shí)船拖力預(yù)報(bào)方法

1.1 船模拖帶自航試驗(yàn)方法

船模拖帶自航試驗(yàn)與一般意義上的自航試驗(yàn)流程基本一致，采用相同的船模、螺旋槳及測試系統(tǒng)，兩者最主要的區(qū)別在于進(jìn)行船模拖帶自航試驗(yàn)時(shí)需在船模上施加一向后的船模拖力FPM。船模速度為VM，拖帶自航下的力系平衡關(guān)系見圖1。

圖1 拖帶自航下的力系平衡示意

在低速拖航工況下，對于指定的實(shí)船拖力FPS，施加于模型的船模拖力FPM為一定值，兩者滿足縮尺比的三次方關(guān)系，

(1)

式中：ρM,ρS——模型和實(shí)船對應(yīng)的水密度；

λ——縮尺比。

在考慮推力減額t后，力的平衡關(guān)系為

T(n)×(1-t)=FPM+RM-Z(n)

(2)

拖帶自航試驗(yàn)雖然對應(yīng)于較低的航速，但仍需進(jìn)行摩擦阻力修正以確定實(shí)船自航點(diǎn)。其確定方式與常規(guī)自航試驗(yàn)一致，即強(qiáng)制力Z(n)與拖航航速對應(yīng)的摩擦阻力修正FD平衡時(shí)正好對應(yīng)于實(shí)船的自航點(diǎn)，試驗(yàn)中需記錄的數(shù)據(jù)包括螺旋槳的轉(zhuǎn)速nM，推力TM以及轉(zhuǎn)矩QM。摩擦阻力修正值按下式進(jìn)行計(jì)算[4]

(3)

式中：RM,RS——同弗氏數(shù)船模和實(shí)船阻力。

由式(3)可見，對于某一確定的拖帶航速VM，RM與FD均為定值。根據(jù)公式(1)和(2)，當(dāng)要求的實(shí)船拖力發(fā)生變化時(shí)，船模拖力、螺旋槳所需發(fā)出的推力，以及螺旋槳需要的轉(zhuǎn)速均隨之變化，螺旋槳工作點(diǎn)的變化意味著其將產(chǎn)生不同的抽吸作用，從而通過對流場產(chǎn)生影響，一定程度上也將改變最終的船槳相互影響特征。

對于系柱工況，船模阻力和強(qiáng)制力均為零，螺旋槳的有效推力等于船模系柱拖力

T(n)×(1-t)=FBPM

(4)

注意船模系柱拖力FBPM不同于低速拖航工況下的船模拖力FPM，前者根據(jù)模型試驗(yàn)測得，而后者是根據(jù)實(shí)船拖力要求按公式(1)計(jì)算所得并預(yù)先施加于船模上。由式(4)不難看出，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速不同時(shí)，螺旋槳發(fā)出的推力不同，船模系柱拖力不同，隨之變化的還包括推力減額分?jǐn)?shù)。為此，第26th ITTC建議在進(jìn)行系柱拖力試驗(yàn)時(shí)，需進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)以充分考慮不同負(fù)荷對推力減額分?jǐn)?shù)的影響，并建議從100%MCR依次遞減至40%MCR，這也從側(cè)面表明業(yè)內(nèi)已逐漸認(rèn)識并重視螺旋槳負(fù)荷對推進(jìn)因子的影響。

1.2 實(shí)船拖力預(yù)報(bào)方法

常規(guī)自航試驗(yàn)通常是在設(shè)計(jì)航速附近選定幾個(gè)航速，分別進(jìn)行自航試驗(yàn)，然后根據(jù)自航試驗(yàn)結(jié)果預(yù)報(bào)實(shí)船達(dá)到該航速所需的收到功率，再通過與實(shí)船主機(jī)能夠提供的收到功率進(jìn)行比較以完成最終的航速預(yù)報(bào)。對于拖帶航行工況同樣可采用上述方法進(jìn)行航速預(yù)報(bào)，其惟一的區(qū)別在于計(jì)算螺旋槳需要發(fā)出的推力時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮實(shí)船阻力RS與實(shí)船拖力FPS，其量綱一的量形式為

(5)

式中:N，D——實(shí)船螺旋槳轉(zhuǎn)速和直徑。

RS可根據(jù)RM按二因次或三因次方法進(jìn)行換算，需注意的是此時(shí)FPS為給定值，不隨航速變化。另外，在進(jìn)行實(shí)船性能預(yù)報(bào)時(shí)，仍假定推力減額分?jǐn)?shù)和相對旋轉(zhuǎn)效率不受尺度效應(yīng)影響，而實(shí)船伴流分?jǐn)?shù)可根據(jù)笹島秀雄方法進(jìn)行換算[3]

(6)

式中：wS,wM——實(shí)船和船模伴流分?jǐn)?shù)；

CFS，CFM——實(shí)船和船模的摩擦阻力系數(shù)。

根據(jù)以上步驟可預(yù)報(bào)給定主機(jī)功率，且穩(wěn)定輸出指定拖力的情況下實(shí)船所能達(dá)到的航速。但實(shí)際情況往往是拖航工況的航速一般根據(jù)作業(yè)要求而設(shè)定，如2 kn鋪管工況、5 kn挖泥工況、6 kn拖網(wǎng)工況，等等，相反實(shí)船的拖力預(yù)先是未知的，且鋪管設(shè)備、耙頭/絞盤、網(wǎng)具等設(shè)備的阻力隨航速的變化也不可能固定不變。因此，對于拖航性能預(yù)報(bào)而言更具現(xiàn)實(shí)意義的應(yīng)該是在給定的航速下預(yù)報(bào)所能提供的拖力，而非在給定的拖力下預(yù)報(bào)所能達(dá)到的航速。

考慮到螺旋槳負(fù)荷對船艉流場的影響，并結(jié)合上述拖航作業(yè)實(shí)際情況，筆者認(rèn)為在進(jìn)行拖帶自航試驗(yàn)時(shí)，不應(yīng)按照常規(guī)自航試驗(yàn)采取變航速固定拖力的方式進(jìn)行，而應(yīng)采取固定航速變拖力的方式來進(jìn)行。其步驟大致如下。

1)在作業(yè)工況對應(yīng)的船模速度下，假定若干個(gè)實(shí)船拖力，根據(jù)式(1)計(jì)算船模拖力并分別施加于船模，進(jìn)行拖帶自航試驗(yàn)。

2)根據(jù)要求的實(shí)船拖力及自航試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算實(shí)船所需要的主機(jī)功率。

3)將上一步所得要求拖力-需要主機(jī)功率曲線與實(shí)船主機(jī)功率相交，可得最終實(shí)船拖力。

2 案例船分析

2.1 主尺度及工況說明

選取一艘拖網(wǎng)漁船開展拖帶自航模型試驗(yàn)研究，該船采用圓舭線型，帶球艏，雙機(jī)雙槳，表1給出了實(shí)船主尺度及相關(guān)參數(shù)。

表1 實(shí)船主尺度及相關(guān)參數(shù)

2.2 系柱拖力試驗(yàn)

針對系柱工況，選取300～700 r/min轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行系柱拖力試驗(yàn)，在不考慮尺度效應(yīng)的前提下，根據(jù)式(6)可初略估計(jì)實(shí)船所需收到功率，所選轉(zhuǎn)速對應(yīng)的主機(jī)負(fù)荷范圍為11%～138%MCR。

(6)

圖2給出了不同主機(jī)負(fù)荷情況下的船模拖力及推力減額分?jǐn)?shù)曲線。可以看出，隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加，船模系柱拖力逐漸增加，推力減額分?jǐn)?shù)同樣呈增加趨勢，在達(dá)到80%MCR后趨于穩(wěn)定，但由于該船底部非常平坦，推力減額絕對量級很小，其總的變化并不明顯。

圖2 系柱拖力試驗(yàn)結(jié)果

2.3 拖帶自航試驗(yàn)

1)變航速固定拖力方式。按照常規(guī)變航速固定拖力的方式進(jìn)行拖帶自航試驗(yàn)。根據(jù)給定的實(shí)船要求拖力FPS=78.5 kN，由式(1)計(jì)算得船模拖力FPM=41.85 N，并施加于船模，依次在5個(gè)速度下進(jìn)行拖帶自航試驗(yàn)。表2和圖3分別給出了實(shí)船船型因子隨航速變化特征，圖4給出了實(shí)船螺旋槳凈拖力為78.5 kN時(shí)的航速預(yù)報(bào)結(jié)果，在主機(jī)功率儲備10%，軸系及齒輪箱效率均為0.97時(shí)，實(shí)船航速可達(dá)6.53 kn。

表2 FPS=78.5 kN時(shí)船型因子及所需收到功率

圖3 FPS=78.5 kN時(shí)船型因子隨航速變化曲線

圖4 FPS=78.5 kN時(shí)航速預(yù)報(bào)

2)固定航速變拖力方式。針對指定的6 kn拖網(wǎng)工況，隨后進(jìn)行了變拖力的拖帶自航試驗(yàn)研究。表3和圖5分別給出了實(shí)船船型因子隨拖力變化特征。不難看出，隨負(fù)荷的增加，螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，船型因子均呈現(xiàn)出比較明顯的變化。圖6給出了實(shí)船航速為6 kn時(shí)的拖力預(yù)報(bào)結(jié)果，在相同的主機(jī)功率儲備及機(jī)械傳遞效率下，螺旋槳凈拖力為85.8 kN。

表3 VS=6 kn時(shí)船型因子及所需收到功率

圖5 VS=6 kn時(shí)船型因子隨拖力變化

圖6 VS=6 kn時(shí)拖力預(yù)報(bào)

相比較變航速固定拖力方式，采用固定航速變拖力方式可更真實(shí)地模擬實(shí)際螺旋槳負(fù)荷狀態(tài)，從而準(zhǔn)確地反映船槳相互影響特征，為后續(xù)船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)或拖力預(yù)報(bào)提供合理的輸入?yún)?shù)。另一方面其預(yù)報(bào)實(shí)船拖力更為直觀，在圖6上可直接讀出實(shí)船主機(jī)功率對應(yīng)的實(shí)船拖力，使用更為方便。

3 結(jié)論

1)船模拖力變化時(shí)，螺旋槳工作點(diǎn)發(fā)生變化，將對船型因子產(chǎn)生一定的影響。

2)采用固定航速變拖力的方式進(jìn)行拖帶自航試驗(yàn)，進(jìn)而預(yù)報(bào)實(shí)船拖力，可更真實(shí)地模擬實(shí)際螺旋槳負(fù)荷，從而準(zhǔn)確地捕捉拖航工況下的船型因子，且預(yù)報(bào)實(shí)船拖力更為方便，使用也更為直觀。但由于本文選擇的船型艉部比較平坦，推力減額和伴流分?jǐn)?shù)絕對值均比較小，在試驗(yàn)中各量總的變化均不大，后續(xù)研究中可選擇艉型相對豐滿的船型來進(jìn)行研究，以便充分地證明本文提出方法的合理性和適用性。

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