萬柳梅 于涵 耿建寧 姚帥 榮凱

（1.中船航?？萍加邢挢?zé)任公司 北京市 100070 2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所 天津市 300131）

1 前言

一般有兩種途徑獲得螺旋槳推力，一是利用流體力學(xué)進(jìn)行理論計算，另一是進(jìn)行試驗直接測量。螺旋槳的理論計算方法現(xiàn)在還不完善，因此目前無論是進(jìn)行螺旋槳設(shè)計，還是研究船舶操縱運動特性，都是采用試驗方法求螺旋槳的推力。在船舶駕駛模擬器、船舶自動控制仿真研究中建立船舶運動數(shù)學(xué)模型通常采用四象限法計算螺旋槳的推力[1][2]，該方法對螺旋槳前進(jìn)中正車、前進(jìn)中倒車、后退中進(jìn)車、后退中倒車等各種工況計算精度高，但對螺旋槳的敞水試驗數(shù)據(jù)依賴大，且計算復(fù)雜，無模型試驗或試驗數(shù)據(jù)不詳?shù)拇笆褂迷摲椒ㄟM(jìn)行計算受到限制。

螺旋槳的圖譜通常用于螺旋槳的設(shè)計，圖譜設(shè)計法是根據(jù)螺旋槳模型敞水試驗所得到的圖譜或公式來確定實船螺旋槳主要參數(shù)和性能的傳統(tǒng)設(shè)計方法。當(dāng)船舶螺旋槳的類型與尺寸確定之后，采用基于圖譜的回歸公式計算螺旋槳的推力精度高、計算簡便。當(dāng)前世界上比較著名、應(yīng)用交廣的性能優(yōu)良的螺旋槳系列有：荷蘭的B 型螺旋槳、日本的AU 型螺旋槳和英國的高恩螺旋槳，B 型和AU 型螺旋槳適用于商船，高恩螺旋槳則適用于水面高速軍艦。

2 船舶運動數(shù)學(xué)模型

2.1 坐標(biāo)系與符號

如圖1 所示，船舶運動數(shù)學(xué)模型采用兩種坐標(biāo)系：固定坐標(biāo)系O0X0Y0Z0和隨船坐標(biāo)系Gxyz。其中固定坐標(biāo)系的原點O0可以任意選擇，O0X0軸指向正北，O0Y0軸指向正東，O0Z0軸垂直向下為正X0O0Y0平面位于靜水面內(nèi)；隨船坐標(biāo)系Gxyz 的原點G 為船舶重心，Gx 軸指向船艏，Gy 軸指向右舷，Gz 軸垂直向下指向龍骨。在t=0時選取坐標(biāo)系原點O0和G 的位置一致。

2.2 船舶三自由度運動模型

本文只研究船舶螺旋槳產(chǎn)生的力與力矩作用，因此僅在螺旋槳作用下船舶的三自由度MMG 模型如下[3]：

其中，m、mx、my、Izz、Jzz分別為船舶質(zhì)量、附加質(zhì)量和附加慣性矩；u、v、r 分別表示縱移速度、橫移速度與艏向角；分別表示縱向加速度、橫向加速度與艏搖角速度；XH、YH、NH為船舶水動力與水動力矩，XP、YP、NP為螺旋槳產(chǎn)生的力與力矩。

船舶水動力的計算見文獻(xiàn)[1]，本文不作介紹。

2.3 螺旋槳推力計算模型

考慮螺旋槳與船體間的相互作用，常規(guī)定距螺旋槳產(chǎn)生的推力和力矩可表示為：

表1：B 系列螺旋槳回歸公式系數(shù)與指數(shù)

圖1：船舶運動坐標(biāo)系

其中Kt(J)為螺旋槳的推力系數(shù)，船速，n-螺旋槳轉(zhuǎn)速，D-螺旋槳直徑，ω-伴流分?jǐn)?shù)，t-推力減額分?jǐn)?shù)。

表2：AU 系列螺旋槳回歸公式系數(shù)與指數(shù)

伴流分?jǐn)?shù)ω 與推力減額分?jǐn)?shù)t 均有多種公開的近似公式，這里分別采用適用于各種海船計算的泰勒公式[4]計算ω，桑海公式[4]計算t。

單槳船：

k=0.5~0.7（流線型舵或反應(yīng)舵）、k=0.7~0.9（方形舵柱的雙板舵）、k=0.9~1.05（單板舵）雙槳船：

圖2：計算工況1 航速曲線

圖3：計算工況1 位移曲線

圖4：直航試驗計算與試驗航速對比

3 基于系列圖譜的推力系數(shù)計算

3.1 B系列螺旋槳回歸公式

B 系列螺旋槳的敞水性能曲線按進(jìn)速系數(shù)J、螺距比P/D、盤面比AE/AO、槳葉數(shù)Z 進(jìn)行回歸分析，當(dāng)雷諾數(shù)Rn=2×106時表達(dá)式為[4]：

式中各項系數(shù)與指數(shù)見表1。

當(dāng)雷諾數(shù)Rn>2×106，按照下式對在Rn=2×106的KT增加Δ KT進(jìn)行修正：

表4：某型船舶主要參數(shù)

表5：惰性試驗計算

表6：直航試驗計算

3.2 AU系列螺旋槳回歸公式

AU 系列螺旋槳敞水性能曲線按不同葉片數(shù)分別進(jìn)行回歸精確度較高，其回歸多項式表達(dá)如下[4]：

不同葉片數(shù)的回歸系數(shù)見表2。

3.3 高恩系列螺旋槳回歸公式

高恩系列螺旋槳回歸公式同B 系列，其各項系數(shù)與指數(shù)見表3。

4 計算案例

采用基于系列圖譜回歸公式的方法對某型船舶進(jìn)行數(shù)值計算，與實船試驗結(jié)果對比，以驗證該方法的可行性。該船部分主要參數(shù)與試驗數(shù)據(jù)見表4。

對該船進(jìn)行惰性計算，與試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表5 及圖2~4。

從惰性試驗計算結(jié)果來看，該船的水動力計算精度較高，可為螺旋槳計算結(jié)果的檢驗做鋪墊。

進(jìn)一步對該船進(jìn)行直航試驗計算，采用高恩系列螺旋槳回歸公式計算螺旋槳推力，結(jié)果見表6 與圖4。

可見采用螺旋槳回歸公式在船舶直航試驗計算中取得較高的計算精度，在缺少四象限螺旋槳敞水試驗數(shù)據(jù)時采用該方法進(jìn)行船舶運動數(shù)學(xué)模型的計算十分方便。

5 總結(jié)

對B 型槳、AU 系列槳、高恩系列槳采用基于系列圖譜的回歸公式計算船舶螺旋槳推力，對缺少螺旋槳敞水試驗數(shù)據(jù)的船舶而言，該方法具有計算精度高、計算簡便等優(yōu)點，但由于已知圖譜數(shù)據(jù)僅針對螺旋槳正車試驗數(shù)據(jù)，因此采用該方法具有一定局限性，可根據(jù)使用目的在船舶駕駛模擬器、船舶自動控制等需要對船舶運動數(shù)學(xué)建模計算的研究內(nèi)容得到一定應(yīng)用。