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 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 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、兩內槳工作外槳自由或者兩外槳工作內槳自由的情況，在開闊靜水水域中進行了大尺度自航模回轉試驗和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律。結果表明，兩內槳工作時的回轉性指數、轉艏指數比四槳工作時高，四槳工作時比兩外槳高；兩內槳工作時的應舵指數比四槳工作時低，四槳工作時比兩外槳低。因此，兩內槳工作模式下自航模的回轉性、穩定性、應舵性均優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包括航向、航速和位置等的能力。預報操縱性一般有3種方法：半理論半經驗估算[1]、自航模試驗[2]和計算機數值模擬方法[3-5]。半理論半經驗方法是基于大量的約束模系列試驗結果，建立水動力導數數據庫或回歸公式，應用這些公式對船舶的水動力導數進行估算，但該方法的有效性受船型限制；計算機數值模擬的方法受數值計算方法、操縱性運動數學模型以及水動力導數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報中較為可靠的方法，已得到廣泛的應用[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，出現了四槳雙舵這種船型，其操縱性能與常規單槳單舵船、雙槳雙舵船有較大的差異。然而，目前國內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時船舶操縱運動性能的數值分析[16]，研究中缺少自航模型試驗的驗證。基于此，本文通過模型試驗的方法對四槳雙舵船的操縱性能進行研究，并對比分析不同螺旋槳工作模式下的船舶操縱運動規律。

1 自航模試驗

1.1 試驗模型與控制系統

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

自航模控制與數據采集系統由岸基控制系統、船載控制及運動參數采集系統和船載執行系統構成，采用無線通訊設備實現岸基上位機和自航模下位機之間的數據傳輸，完成對自航模的控制。下位機負責記錄各種即時數據，上位機接收并顯示下位機傳回的各種實時狀態數據，主要有：經度坐標、緯度坐標、航向角、航向角速度、航速、舵角、橫傾角等。

1.2 試驗內容

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

1.3 試驗數據處理方法

根據上位機所接收的數據，畫出各參數的時歷曲線，圖2為自航模四槳工作、時回轉運動中各參數的時歷曲線，圖3為自航模四槳工作、時橫傾角φ的時歷曲線。可以看出：回轉運動穩定后，各參數均達到穩定，但受風、流等因素的影響，有略微的波動，取值時均取平均值。自航模進入回轉后，航速逐漸降低，待運動穩定后，航速也趨于穩定，取值時取其穩定值。對于橫傾角，打舵后自航模首先向回轉圈內側橫傾，隨后由向回轉圈內側橫傾變為向外側橫傾。向外側橫傾過程中所達到的最大值即為最大橫傾角，穩定后的橫傾角即為穩定橫傾角，當舵角較小時，最大橫傾角不是特別明顯。

圖2 回轉運動中各參數的時歷曲線 (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 試驗結果分析

2.1 回轉試驗

圖5～圖9為四槳、兩內槳及兩外槳工作時各回轉運動參數隨舵角的變化情況。

圖5 無因次定常回轉直徑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直徑顯著降低。四槳工作時，左右舵無因次定常回轉直徑D′隨舵角δ的變化曲線呈現良好的對稱性，而兩內槳、兩外槳工作時，左右舵所得結果有略微差別。這是因為在開闊水域中進行試驗，受風、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常回轉直徑的平均值。四槳工作時的回轉直徑介于兩內槳與兩外槳之間，在小舵角情況下，四槳工作時的回轉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槳工作時。在相同舵角的條件下，兩內槳工作時的無因次定常回轉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，增大了舵在回轉過程中產生的水動力。

圖6 無因次定常回轉角速度γ′隨舵角δ的變化

由圖6可見，同一螺旋槳工作狀態下，隨著舵角的增加定常回轉角速度顯著增加。兩內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，兩內槳工作時的無因次定常回轉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，可得兩內槳工作時回轉直徑最小，兩外槳工作時最大，因此，進一步驗證了圖5中反映出的不同螺旋槳工作狀態下的回轉直徑變化規律。

圖7 定常回轉速降系數隨舵角δ的變化

由圖7可見，同一螺旋槳工作狀態下，隨著舵角的增加，定常回轉速降顯著降低。V′=Vs/V0,Vs為定常回轉時的航速，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、兩內槳和兩外槳工作時，風流對速降產生輕微的影響。在小舵角情況下，兩內槳工作時的回轉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，兩內槳工作時的定常回轉速降系數比四槳工作時低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 穩定橫傾角φs隨舵角δ的變化

由圖8、9可知：回轉過程中穩定橫傾角的變化規律和最大橫傾角的變化規律相似，最大橫傾角為穩定橫傾角的1～1.55倍。隨著舵角的增加，穩定橫傾角均先增加后減小，在δ=20°～25°時，穩定橫傾角達到極大值。在相同舵角的條件下，兩內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%；兩內槳工作時的穩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%。當自航模進入定常回轉后，穩定橫傾角

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種螺旋槳工作狀態下的回轉直徑和回轉速降的規律，進一步驗證了穩定橫傾角的變化規律。

2.2 Z形試驗

表2～表4為四槳、兩內槳及兩外槳工作時各運動參數隨舵角δ的變化情況。

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

表2 無因次回轉性指數隨舵角δ的變化

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

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

表3 無因次應舵指數隨舵角δ的變化

表4 無因次轉首指數隨舵角δ的變化

3 結論

1)同一航速下，兩內槳工作時回轉直徑最小，四槳工作時次之，兩外槳最大；兩內槳工作時回轉角速度、穩定橫傾角及最大橫傾角最大，四槳工作時次之，兩外槳最小；兩內槳工作時回轉速降系數最小，兩外槳工作時次之，四槳最大。

2)同一舵角下，兩內槳工作時回轉性指數和轉首指數最大，四槳工作時次之，兩外槳最小；兩內槳工作時應舵指數最小，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，船模的穩定橫傾角均在舵角20°～25°時達到極大值。

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

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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