陳偉民， 蔣曙暉

(航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

0 引 言

為增強海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競爭力，推動海洋資源開發(fā)和海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展，國家制定了《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略(2011-2020)》。其中，對于量大面廣、占市場總量80%以上的海洋工程裝備(包括物探船、工程勘察船、自升式鉆井平臺、自升式鉆井作業(yè)平臺、半潛式鉆井平臺、半潛式生產(chǎn)平臺、半潛式支持平臺、鉆井船、浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)、半潛運輸船、起重鋪管船、風車安裝船、多用途工作船、平臺供應船等)要重點突破自主開發(fā)設計的核心技術，以具備概念設計、基本設計和詳細設計能力。

此類船舶的特點是設備、設施復雜繁多，具有動力定位的要求。因此，尾部設計上一般采用縱流型設計思路，配置2套甚至多套推進系統(tǒng)，以滿足多工況需求。為滿足造船市場對此類船舶性能研究的需求，研制開發(fā)了可配置三個全回轉(zhuǎn)推進器船舶的模型水動力試驗設施，可為此類船舶提供水動力試驗研究，為船廠和設計院所提供船型開發(fā)和技術儲備。

1 技術現(xiàn)狀

上海船舶運輸科學研究所(以下簡稱船研所)從2005年開始與荷蘭MARIN水池開展密切合作，至今已陸續(xù)進行了一系列針對吊艙推進水動力性能的理論計算和研究。為更好地對吊艙推進方式進行研究，該所在2009年引進了荷蘭MARIN水池的吊艙六分力動力儀，并自行開發(fā)了與之配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，形成了一套初步的吊艙推進試驗方法，并運用到了實際項目之中，進行了采用吊艙/全回轉(zhuǎn)推進方式船舶的模型試驗。根據(jù)在吊艙儀器上使用的經(jīng)驗，2011年再次引進了六分力天平和直角傳動機構(gòu)，以適應不同類型和用途的吊艙推進模型試驗。船研所現(xiàn)已具備進行多吊艙的船舶模型試驗的能力，在國內(nèi)吊艙推進模型試驗的應用和研究領域占有一定優(yōu)勢。

2 模型水動力試驗的相關技術

2.1 試驗方法

吊艙推進模型試驗主要參照ITTC吊艙式電力推進船模試驗的方法，將整個吊艙推進單元作為整體推進器;在進行阻力試驗時,不需要安裝吊艙推進單元模型，與常規(guī)船型的阻力試驗一致，船模由拖車牽引，計算機實時記錄各個航速下作用在船模上的力;船模艏部裝有激流裝置,將層流變?yōu)橥牧?。阻力試驗一般測量10個點，包含船模速度Vm和該速度下的船?？傋枇m[1]。

自航試驗時，仍然保留阻力試驗中船模上安裝的激流裝置和附體，并將整個吊艙推進單元安裝到船模上。自航試驗按強迫自航方法進行，在包含設計航速的航速范圍內(nèi)變換五個船速，每個船速Vm下變換4個螺旋槳轉(zhuǎn)速；計算機分別實時記錄推進單元的推力Tum、螺旋槳推力Tpm、扭矩Qm、轉(zhuǎn)速nm，以及作用在船模上的強制力Z；隨后，對測量數(shù)據(jù)進行插值，得到實船自航點Z=Fd處的Tum、Tpm、Qm和nm。

三槳船的自航試驗分析方法與常規(guī)雙槳、單槳船的分析方法有所不同，關鍵在于確定各個螺旋槳的阻力分配情況。為此，在對三槳船進行自航試驗時，除了進行三槳自航試驗，還需進行雙槳(去除中間槳)和單槳(去除邊槳)的自航試驗。在進行雙槳和單槳的自航試驗時，螺旋槳轉(zhuǎn)速要與之前三槳自航試驗時對應螺旋槳的轉(zhuǎn)速基本保持一致。

2.2 分析方法

三槳、雙槳和單槳自航試驗需分別滿足以下平衡條件：

三槳：

Rm-Z3=2TB(1-tB)+TM(1-tM)

(1)

雙槳：

Rm-Z2=2TB2(1-tB2)

(2)

單槳：

Rm-Z1=TM1(1-tM1)

(3)

式(1)～式(3)中：TB、tB為三槳試驗時邊槳的推力和推力減額；TM、tM為三槳試驗時中槳的推力和推力減額；TB2、tB2為雙槳試驗時邊槳的推力和推力減額；TM1、tM1為單槳試驗時中槳的推力和推力減額；Z1、Z2、Z3分別對應單槳、雙槳和三槳自航試驗時的強制力。

中槳的阻力分配系數(shù)

(4)

邊槳的阻力分配系數(shù)

(5)

CB+CM=1

(6)

由式(7)可得到邊槳和中槳的推力減額分數(shù)tB和tM：

2TB(1-tB)=CB×(RM-Z3)TM(1-tM)=CM×(RM-Z3)

(7)

確定了阻力分配系數(shù)CB和CM，就可以根據(jù)自航槳模的敞水性征曲線，采用常規(guī)的等推力法分別對邊槳和中槳的推進因子進行分析。

而對全回轉(zhuǎn)推進船舶的自航試驗修正方法與常規(guī)推進的船舶有所不同，主要體現(xiàn)在實船摩擦阻力修正值的計算與全回轉(zhuǎn)吊艙包的阻力修正上。

其中摩擦阻力修正值Fd為：

(8)

修正完吊艙包阻力后的單元推力：

Tm=Tum+(Tpm-Tum)×β

(9)

β為吊艙阻力修正系數(shù)，根據(jù)艙體的外形特征進行選取[2]。

其余試驗結(jié)果分析與常規(guī)推進方式類似，船舶有效功率Pe的換算采用二因次方法；自航分析采用等推力法；實船預估采用1978年ITTC實船性能的預估方法進行。考慮到全回轉(zhuǎn)推進船艉部線型的特點，一般不考慮實船伴流的修正。

3 模型試驗及結(jié)果分析

為研發(fā)三槳全回轉(zhuǎn)模型，對水池的控制系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)進行了更新和擴充，形成了一套先進、可靠的吊艙推進試驗平臺，可為最多配置3POD/全回轉(zhuǎn)推進器的船舶提供水動力試驗服務。

采用的三槳船船型主尺度及船型參數(shù)見表1。

表1 船舶的主尺度

由表1可知，該船方形系數(shù)Cb=0.753 2，長寬比為L/B=3.286，寬度吃水比為B/T=7.273；設計航速為12 kn時Fn=0.172，屬于典型的中低速海工類船舶。此類船舶在快速性上有一定的要求，對于穩(wěn)性和操縱性以及作業(yè)航行時所能輸出的最大功率也有較高的要求。因此，配置多個全回轉(zhuǎn)吊艙推進器可以很好地滿足此類船舶的需求，提高船舶作業(yè)及靠港時的靈便性；同時，可以有效降低單個螺旋槳上的負荷，減少振動等方面的影響。

該船模艉部的布置特點見圖1。一般情況下，全回轉(zhuǎn)推進器的螺旋槳會配置導管，但本項目主要出發(fā)點是解決全回轉(zhuǎn)三槳推進快速性試驗的問題，因此進行了適當簡化，推進器的配置暫未考慮導管。

圖1 三槳船艉部布置圖

該船模型試驗在船研所拖曳水池中進行。試驗船模為木制，槳模采用庫存的MAU槳。阻力試驗在裸船體下進行，移除了整個推進單元(包含螺旋槳、艙體、吊柱等)，用剛性阻力儀測量船模阻力Rm；自航試驗采用強迫自航方法，用六分力天平和直角傳動軸測量螺旋槳的推力Tpm，扭矩Qm，吊艙單元推力Tum；用剛性阻力儀測量強制力Z。由于三槳船的三槳之間存在互相干擾因素，試驗參照常規(guī)船型三槳推進模型試驗的方法，分別進行了三槳狀態(tài)模型自航試驗以及單獨邊槳和單獨中槳的自航試驗，結(jié)合全回轉(zhuǎn)推進器的特點，對全回轉(zhuǎn)吊艙包的阻力進行了修正。試驗儀器安裝見圖2，模型試驗見圖3。

對試驗數(shù)據(jù)進行計算分析后，得到了該船各槳的自航因子，其中設計航速附近的自航因子結(jié)果見表2，圖4為實船航行特性曲線。

圖2 三吊艙推進船模型艉部布置

圖3 三吊艙推進船模型自航試驗

表2 自航因子計算結(jié)果

圖4 實船航行特性曲線

4 結(jié) 語

全回轉(zhuǎn)推進船的模型試驗比常規(guī)推進船舶的試驗復雜，采用三槳全回轉(zhuǎn)后變得更加困難。通過試驗技術的提升和儀器設備的開發(fā)，有效解決了全回轉(zhuǎn)三槳船的模型水動力試驗的需求問題。結(jié)合常規(guī)推進船三槳的分析方法，可以為采用全回轉(zhuǎn)三槳推進的船舶進行實船功率預報，為設計部門提供技術參考。

參考文獻：

[1] 陳建挺.船用推進器的水動力試驗技術[J].船舶設計師,2013,3(10):52-58.

[2] 車霖源，陳昌運.基于CFD的拖式吊艙推進器尺度效應研究[C].西安：第二十三屆全國水動力學研討會暨第十屆全國水動力學學術會議文集,2011.

[3] 馬騁,楊晨俊,錢正芳,等.POD推進器推進性能預報理論研究[J].華中科技大學學報：自然科學版,2004,32(3)：29-31.