基于模型自航試驗(yàn)的自升式平臺(tái)主機(jī)功率估算

徐帥陵，葉紀(jì)超，侯 方

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

自升式海洋平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)主要是所需要的鋼材少，造價(jià)低，在各種海況下都能平穩(wěn)作業(yè)，根據(jù)其移動(dòng)方式可分為自航、助航和非自航。自升式勘察平臺(tái)在完成一個(gè)站點(diǎn)預(yù)定工作后，將收起樁靴遷航至下一個(gè)工作點(diǎn)。由于定位準(zhǔn)確、工作效率高，具有自航能力的自升式勘察平臺(tái)在海洋工程勘察領(lǐng)域越來(lái)越具有優(yōu)勢(shì)[1-3]。早在20 世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始在半潛式鉆井平臺(tái)上安裝推進(jìn)器，以方便平臺(tái)的拖航和定位。從1973年后，我國(guó)建造的平臺(tái)大多都具有自航功能[4]。可見(jiàn)自航式勘察平臺(tái)逐漸發(fā)展為一種潮流趨勢(shì)。

自航式勘察平臺(tái)是結(jié)合一般自升式平臺(tái)與自航式勘察船的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)時(shí)不需要拖航，可單獨(dú)完成海上作業(yè)任務(wù)，效率高。但自升式勘察平臺(tái)在自航過(guò)程中，安裝于平臺(tái)后面的螺旋槳與平臺(tái)之間會(huì)彼此影響附近的水流速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，而且這種影響非常復(fù)雜，迄今還不能用理論計(jì)算方法求得。因此，模型試驗(yàn)是主要的研究手段之一。船模自航試驗(yàn)是分析研究各種推進(jìn)效率成分的重要手段，其能夠預(yù)報(bào)自航因子，預(yù)估實(shí)船的快速性和判斷螺旋槳與主機(jī)、船體之間配合的是否良好。雖然船模自航試驗(yàn)的要求較高，但它得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)推算船模主機(jī)功率等具有重要的意義[5]。國(guó)內(nèi)對(duì)船舶自航試驗(yàn)方面的研究工作開(kāi)展較多。劉洋等[6]為了解決潛艇自航模型制作過(guò)程中系統(tǒng)設(shè)備布局問(wèn)題，保證重心位置準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，保證了船模內(nèi)部構(gòu)建測(cè)量問(wèn)題，運(yùn)用ISIGHT 數(shù)據(jù)優(yōu)化軟件消除工裝誤差影響，使自航試驗(yàn)?zāi)軌蚋訙?zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)艇的操縱性能。楊素軍等[7]通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)自航模型操縱系統(tǒng)來(lái)完成多種操縱性試驗(yàn)。尚留賓等[8]為某型潛艇自航模型設(shè)計(jì)一套在試驗(yàn)中可對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，使得潛艇在自航的過(guò)程中能夠精準(zhǔn)定位。依照目前的研究水平，船模自航試驗(yàn)仍然是研究船體和螺旋槳之間相互作用的最好方法[9-11]。船模試驗(yàn)主要是在試驗(yàn)水池內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)試驗(yàn)，即選擇快速性較好的船型與設(shè)計(jì)配合船型的最佳的推進(jìn)器，在船模拖曳水池中進(jìn)行自航試驗(yàn)，可以對(duì)船舶在航行中所發(fā)生的物理過(guò)程有更加深刻的了解[12]。但針對(duì)具有自航能力的平臺(tái)開(kāi)展自航試驗(yàn)的研究較少。

本文為更好地研究帶自航能力自升式平臺(tái)船體與螺旋槳的配合情況，準(zhǔn)確估算實(shí)際平臺(tái)總主機(jī)功率，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的縮尺比模型開(kāi)展不同航速下的自航試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得不同航速狀態(tài)下螺旋槳推力與平臺(tái)航行阻力相等的點(diǎn)，即平臺(tái)的自航點(diǎn)，同時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)的推進(jìn)器電機(jī)功率，然后再換算得到實(shí)際平臺(tái)的推進(jìn)器主機(jī)功率，為實(shí)際平臺(tái)推進(jìn)器主機(jī)功率的選擇提供依據(jù)。

1 自航試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方案

以自升式勘察平臺(tái)為研究對(duì)象，在江蘇科技大學(xué)船模拖曳水池中開(kāi)展縮尺比模型試驗(yàn)。根據(jù)水池的長(zhǎng)度、拖車的速度范圍確定平臺(tái)模型的縮尺比為1∶25。

模型與實(shí)際平臺(tái)各個(gè)物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)主尺度表

在平臺(tái)縮尺比模型安裝上動(dòng)力裝置，包括螺旋槳、電機(jī)和電池等。通過(guò)測(cè)量縮尺比平臺(tái)模型某一速度穩(wěn)定航行時(shí)，螺旋槳模型發(fā)出的推力恰好克服阻力的點(diǎn)稱為自航點(diǎn)，也就是螺旋槳發(fā)出的推力，克服船的總阻力。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，各種力之間都存在縮尺比3 次方的關(guān)系。確定自航點(diǎn)的目的是為了計(jì)算出達(dá)到自航點(diǎn)所需的主機(jī)功率，進(jìn)而推算實(shí)際平臺(tái)若想達(dá)到設(shè)計(jì)航速所需的主機(jī)功率。根據(jù)自航試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)實(shí)際平臺(tái)推進(jìn)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)。

基于上述原理，結(jié)合江蘇科技大學(xué)拖曳水池的試驗(yàn)條件確定本項(xiàng)目的自航拖曳試驗(yàn)方案。本自航拖曳試驗(yàn)方案是利用拖車將模型穩(wěn)定在目標(biāo)航速，通過(guò)調(diào)節(jié)船模推進(jìn)器功率大小，最終實(shí)現(xiàn)拖曳繩上的拉力恰好為0，以此獲取推進(jìn)器的功率。

同時(shí)，在設(shè)計(jì)航速的附近增加2 個(gè)自航試驗(yàn)工況，即試驗(yàn)中分別選取0.35 m/s、0.41 m/s、0.45 m/s等3 個(gè)模型速度來(lái)進(jìn)行自航試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

自航試驗(yàn)是在阻力試驗(yàn)之后，是測(cè)定螺旋槳在尾部工作的航行性能，以此可檢驗(yàn)該平臺(tái)模型、主機(jī)和螺旋槳之間的配合情況。一般情況下，自航試驗(yàn)主要解決以下問(wèn)題：

1）分析研究各種推進(jìn)效率成份，研究槳、船兩者的相互作用，從而為螺旋槳的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，或從若干船體與螺旋槳的組合方案中選最優(yōu)方案。

2）預(yù)報(bào)實(shí)船性能。即通過(guò)試驗(yàn)給出主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和船速之間的關(guān)系，得出實(shí)船的航速預(yù)報(bào)。

3）判斷螺旋槳、主機(jī)、船體之間配合是否良好。

本次自航試驗(yàn)通過(guò)螺旋槳推動(dòng)平臺(tái)，找到螺旋槳推力與平臺(tái)航行時(shí)阻力相等的點(diǎn)即為自航點(diǎn)，并推算出實(shí)際平臺(tái)達(dá)到自航點(diǎn)設(shè)計(jì)航速所需的主機(jī)功率。

1.3 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行，船模拖曳水池全長(zhǎng)100 m，寬度6 m，最大水深2 m，最小水深0.3 m。軌道全長(zhǎng)100 m，中央測(cè)橋可以向左側(cè)池壁移動(dòng)，能上下升降，行程1.5 m，可用于完成淺水和狹窄航道試驗(yàn)。拖車最高車速6.00 m/s，最低車速0.03 m/s，穩(wěn)速走車距離大于40 m，波動(dòng)誤差1‰。水池頂端裝有推板式造波機(jī)，模擬規(guī)則波以及單向不規(guī)則波，頻率0.2～1.6 Hz，最大波高0.3 m。

自航試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃谧枇υ囼?yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上在模型尾部對(duì)稱安裝2 個(gè)螺旋槳，模型內(nèi)部安裝電機(jī)，其余裝置與阻力試驗(yàn)相同，通過(guò)螺旋槳推力帶動(dòng)模型前進(jìn)。拖曳水池及自航試驗(yàn)裝置具體情況見(jiàn)圖1～圖5。船模配套的推進(jìn)器參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 江蘇科技大學(xué)拖曳水池

圖2 螺旋槳整體圖

圖3 螺旋槳實(shí)物圖和平面圖

圖4 自航試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表2 平臺(tái)模型配備的推進(jìn)器參數(shù)選型

1.4 試驗(yàn)相似定律

在模型阻力試驗(yàn)時(shí)，需要滿足弗勞德數(shù)Fr相同的條件，即

式中：下標(biāo)s 和m 分別代表實(shí)際值和模型值；g為重力加速度；Ls為實(shí)際平臺(tái)水線長(zhǎng)；Lm為模型水線長(zhǎng)；Vs為實(shí)際平臺(tái)的航行速率；Vm為模型的航行速率。

在模型自航試驗(yàn)時(shí)，模型和實(shí)際平臺(tái)的Fr要相同，螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)也要相同，即

式（2）～式（4）中：λ為實(shí)際平臺(tái)與模型的比例；nm為模型螺旋槳的轉(zhuǎn)速；ns為實(shí)際平臺(tái)螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

1.5 試驗(yàn)步驟

1）準(zhǔn)確稱重模型質(zhì)量及壓鐵質(zhì)量，以達(dá)到按照模型縮尺比要求實(shí)平臺(tái)相應(yīng)的排水量。

2）將已備好的裝有螺旋槳的試驗(yàn)?zāi)Ｐ头旁谒小?/p>

3）將模型安裝在拖車上，應(yīng)使其縱中剖面與前進(jìn)方向一致，拖力作用線應(yīng)位于縱中剖面內(nèi)，其作用點(diǎn)在水線面附近的位置上保持水平，將所有儀器連接好，檢查無(wú)誤時(shí)，開(kāi)啟所有儀器，將模型置于自由狀態(tài)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行平衡，然后清零，等待試驗(yàn)。

4）選定3 個(gè)模型速度（平臺(tái)設(shè)計(jì)航速包括在內(nèi)），分別按選定的速度啟動(dòng)拖車，同時(shí)啟動(dòng)螺旋槳，通過(guò)遙控裝置改變螺旋槳功率來(lái)保證在此航行速度下模型與拖車勻速前進(jìn)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)找到阻力為零的點(diǎn)并記錄下該點(diǎn)螺旋槳所消耗的功率。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，航速0.35 m/s 工況經(jīng)過(guò)4 組試驗(yàn)找到了自航點(diǎn)；航速0.41 m/s 工況經(jīng)過(guò)5 組試驗(yàn)找到了自航點(diǎn)；航速0.45 m/s 工況經(jīng)過(guò)3 組試驗(yàn)找到了自航點(diǎn)。

自航試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)以及換算到實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率值分別見(jiàn)表3～表5。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 模型電機(jī)功率數(shù)據(jù)標(biāo)定表

表5 平臺(tái)功率數(shù)據(jù)

考慮到模型縮放比例為25，根據(jù)相似準(zhǔn)則，拖曳模型符合Fr相等。

此外，因模型試驗(yàn)螺旋槳與實(shí)船使用的螺旋槳在槳型上有差別，因此推進(jìn)效率上有較多差距，在計(jì)算時(shí)需要提供修正系數(shù)k（模型推進(jìn)效率/實(shí)船推進(jìn)效率）。本模型螺旋槳的推進(jìn)效率為0.25，船用螺旋槳推進(jìn)效率一般為0.50，因此，修正系數(shù)k=0.50。

計(jì)算實(shí)際平臺(tái)主機(jī)的有效功率公式為

式中：Ps為實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率；Pm為縮尺比模型的主機(jī)功率。

表4 數(shù)據(jù)為單個(gè)主機(jī)的功率，平臺(tái)裝有2 臺(tái)推進(jìn)器。設(shè)計(jì)航速4 kn時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為472 kW；設(shè)計(jì)航速3.4 kn 時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為328 kW；設(shè)計(jì)航速4.38 kn時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為698 kW。

3 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展縮尺比平臺(tái)模型的自航試驗(yàn)，測(cè)得不同航速下螺旋槳推力與平臺(tái)阻力相等的自航點(diǎn)，進(jìn)一步計(jì)算出實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率。通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

1）模型試驗(yàn)中螺旋槳與實(shí)船使用的螺旋槳在槳型上有差別，其推進(jìn)效率上存在一定誤差，因此在計(jì)算實(shí)際總功率時(shí)需要提供修正系數(shù)k，本模型的修正系數(shù)k=0.5。

2）針對(duì)本目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行了不同航速的自航試驗(yàn)，最終得出在各航速下實(shí)際平臺(tái)所需的主機(jī)總功率。設(shè)計(jì)航速4 kn時(shí)，實(shí)際平臺(tái)主機(jī)總功率為472 kW。

3）通過(guò)自航試驗(yàn)可以獲得模型在設(shè)計(jì)航速下的主機(jī)功率，從而推算出實(shí)際平臺(tái)的主機(jī)功率，為自升式勘察平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造提供了依據(jù)。