習琪航,吳如坤
(海軍潛艇學院,山東 青島 266042)
全墊升氣墊船是一種能夠高速航行的特種船舶,最大航速可超過100 節(jié),它可以克服大多數(shù)不利的環(huán)境航行,具有其他一般艦船無法比擬的優(yōu)勢[1]。全墊升氣墊船之所以能夠具有這樣的優(yōu)勢,是由于它有一套常規(guī)船舶不具備的系統(tǒng)——墊升系統(tǒng)。
在墊升系統(tǒng)中有專門使氣墊船能浮在接觸面上的墊升風機,其將產(chǎn)生的高壓氣流持續(xù)注入氣墊船底部的圍裙中,使氣墊船底部有一層薄薄的空氣層,船體不再與航行面接觸,通過船尾部的空氣螺旋槳提供推動力供船舶高速航行。氣墊船結(jié)特殊,功能優(yōu)異,能夠適應多樣化的環(huán)境,非常適合海上兵力和補給的快速運輸,具有重要的經(jīng)濟和軍事價值[2-3]。雖然國內(nèi)外對氣墊船的研究都做了不少,但是全墊升氣墊船模型試驗中墊升系統(tǒng)的研究難度和工作量很大,國內(nèi)相關(guān)的研究較少,很難滿足全墊升氣墊船模型試驗對墊升系統(tǒng)的相似性要求。本文基于相似性理論,針對全墊升氣墊船模型試驗中墊升系統(tǒng)的風機性能進行試驗,為進一步研究全墊升氣墊船模型試驗墊升系統(tǒng)的相似性問題提供一種可行性方案。
墊升系統(tǒng)包括墊升風機、風道、圍裙三個部分,要進行風機性能模型試驗,模型風道要與實船風道滿足幾何尺寸和形狀的相似,即相似性要求。這樣模型風道內(nèi)空氣流的流量和壓力與實船的大致相同,在雷諾數(shù)超過某一值時,風道在突擴部分的損失和彎頭部分的損失可看作與雷諾數(shù)無關(guān)。
墊升風機的性能特性曲線決定了氣墊船的飛升特性,根據(jù)氣墊船模型試驗的基本相似準則中的壓長比和流量系數(shù)相似,墊升風機應該滿足在風機工作區(qū)域附近的風機壓頭和流量無因次特性曲線相似。
風機總壓與墊升比:pf/pc=pfpb/pbpc,這個指標決定氣道效率。
根據(jù)幾何相似,模型墊升風機的葉輪直徑可直接由縮尺比計算得到,實船所采用的風機葉輪直徑是2.5m,根據(jù)縮尺比計算出模型應選取葉輪直徑為125mm 的風機。但在實際過程中,因為氣墊船內(nèi)部氣道空氣的雷諾數(shù)無法達到相似條件,再加上風扇的葉片形式、驅(qū)動軸形式、風道粘性也無法做到完全一致,模型中墊升風機的壓頭、流量與氣道效率都會偏低[4]。根據(jù)第16 屆ITTC 國際水池會議的建議,對風機轉(zhuǎn)速進行了必要的修正來滿足模型流量壓頭的相似性要求。采用穆迪公式模型與實船風機效率的關(guān)系1-ηm/1-ηs=λ0.2,式中下標是s、m 分別代表實船和模型,該式在最高效率點流量的±25%范圍內(nèi)是比較正確的。為了解決由于雷諾數(shù)無法達到相似條件而引起的風機效率與氣道效率降低的問題,必須把模型風機轉(zhuǎn)速提高5%左右,即。同時,目前已有的試驗風機沒有葉輪直徑為125mm 的,若要滿足葉輪直徑完全按縮尺比計算得出的尺寸則需要定制,定制成本很高,生產(chǎn)制造時間較長,不太滿足經(jīng)濟性要求。葉輪直徑太小也無法提供與實船相當?shù)倪M氣量,因此我們采用現(xiàn)有的葉輪直徑為148mm 的風機進行試驗。
圖1 試驗所參照的裝置圖
本次模型試驗所依照的實船采用四個墊升風機將重約80 千克的船體墊起,每個墊升風機流量為250m3/s。風機葉輪直徑2.5m,轉(zhuǎn)速1285r/min。在前文已經(jīng)說明了本次模型試驗會選擇現(xiàn)有葉輪直徑為148mm 的風機,而單個現(xiàn)有的風機條件無法滿足測試的工作條件,為進一步提高風機的全壓,可以采用將兩臺相同風機串聯(lián)的方式來實現(xiàn)。從理論上來說,兩臺風機串聯(lián)后的特性曲線相當于是一臺風機在相同體積流量時,將壓力提高兩倍。但實際上由于第一臺風機提供的氣流在第二臺風機處密度增大了,氣體體積流量會有所減少,風機性能特性曲線越平緩串聯(lián)的效果就越差。對于本次試驗來說,風機性能曲線在流量變化較大時,壓力的變化也較大,因此可采用將兩臺風機串聯(lián)的方式進行試驗[6]。
根據(jù)工業(yè)通風機標準化風道性能試驗中所提供的一些實驗裝置圖,選取出一個能固定住風筒且連接簡單的實驗總體裝置圖作為參照[7]。考慮到串聯(lián)風機的使用和測點的位置等因素,確定本次風機性能特性測試試驗的裝置圖和連接方式。
先測試初始條件數(shù)值,即用密封膠帶封住所有開孔,待風機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在5600r/min 附近,記錄此時的頻率和轉(zhuǎn)速,用風速儀和流量計測出此種情況下的壓力和流量,記錄在表格中。
將試驗變量依次設(shè)置為風機的轉(zhuǎn)速、風孔的位置、風孔的總面積(即風孔數(shù)量)和風孔的密集程度。每次控制單一變量,采用不同直徑的擋風板放置在風筒尾端,保證擋風板開孔圓心和風筒截面圓心在一條直線上。記錄每次試驗條件下的壓力和流量。
將所有實驗數(shù)據(jù)進行曲線繪制,挑選出誤差較大和存在異常的數(shù)據(jù),重新測量這些數(shù)據(jù)并進行對比修正。
將試驗的所有數(shù)據(jù)進行歸類,可分為在相同開孔位置和面積下,轉(zhuǎn)速為4800、5200 和5600r/min 時的流量和壓力;在相同轉(zhuǎn)速和開孔面積下,不同區(qū)域內(nèi)開孔時的流量和壓力;在相同轉(zhuǎn)速和開孔區(qū)域下,不同開孔面積時的流量和壓力。將各組數(shù)據(jù)整理繪制對應的風機特性曲線,探究其規(guī)律。
在相同排氣面積和區(qū)域情況下,對比數(shù)據(jù)探究風機轉(zhuǎn)速對風機性能特性曲線的影響。具體實施為在區(qū)域2 分別開兩圈孔,轉(zhuǎn)速設(shè)置成4800、5200 和5600r/min。
分析曲線圖可以發(fā)現(xiàn),在開孔位置和開孔面積相同的情況下,風機轉(zhuǎn)速越大,在相同流量下壓力越大,曲線走勢也基本相同,但是風機轉(zhuǎn)速對有效工作區(qū)間的影響并不明顯,在轉(zhuǎn)速越大時,有效工作區(qū)間會稍大一點。
在風機轉(zhuǎn)速和相同排氣面積情況下,對比數(shù)據(jù)探究風孔位置對風機性能特性曲線的影響。具體實施為將轉(zhuǎn)速設(shè)置為4800r/min,三個區(qū)域分別開一圈孔。
分析發(fā)現(xiàn),凡是進行開孔所測的數(shù)據(jù),其有效工作區(qū)間都要比未進行開孔時的初始狀態(tài)下有效區(qū)間長。且在轉(zhuǎn)速相同時,無論在哪個區(qū)域開孔,開孔面積越大,其喘振區(qū)越小,有效工作區(qū)間越大。而在相同轉(zhuǎn)速和開孔面積的情況下,開孔位置離風機的距離對風機性能的影響并不明顯,它們的性能曲線走勢基本相同。
在開孔區(qū)域和風機轉(zhuǎn)速相同的情況下,對比數(shù)據(jù)探究不同排氣面積對風機性能特性曲線的影響。具體實施為將轉(zhuǎn)速設(shè)置為4800r/min,在區(qū)域1 分別開1、2和3 圈孔。
圖2 開孔面積相同區(qū)域2 處兩圈開孔時風機性能特性曲線圖
分析發(fā)現(xiàn),在風機轉(zhuǎn)速和開孔位置相同的情況下,開孔面積越大,其喘振區(qū)越小,風機的有效工作區(qū)間越大,可調(diào)控的流量范圍越大。
當流量增大時,壓力會有減小的趨勢,這符合流體力學中氣體流速越快壓力越小的規(guī)律。但當流量增大到一定程度后,壓力會出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,之后再按符合流體力學規(guī)律的情況繼續(xù)減小。這種在一定范圍內(nèi)流量增大壓力不降反升的現(xiàn)象被稱為喘振,喘振是因為氣流發(fā)生倒流,在整個過程中產(chǎn)生了周期性振動[8]。
在實際氣墊船墊升過程中,要避免喘振區(qū)的出現(xiàn),若把所繪曲線壓力隨著流量增大,第二次減小的點默認為是喘振結(jié)束的點,之后壓力隨流量增大而減小的區(qū)間則完全符合流體力學的一般規(guī)律,我們把這個區(qū)間看作風機在對應轉(zhuǎn)速下的有效工作區(qū)間。分析性能曲線可以看出:
1.氣道的開孔面積對風機性能特性曲線中的喘振區(qū)和有效工作區(qū)的范圍有明顯的影響,開孔面積越大,有效工作區(qū)間越大,其他三個參數(shù)對曲線的喘振區(qū)和有效工作區(qū)基本沒有影響。
2.風機轉(zhuǎn)速對風機性能特性曲線中的相同流量時的壓力大小有較大影響,風機轉(zhuǎn)速越大,相同流量下的壓力越大。
3.風筒開孔位置、氣孔密集程度對風機性能特性曲線整體幾乎無影響,在所設(shè)置的幾種情況中所得到的曲線基本重合。
本次試驗以風機為研究對象,對氣墊船墊升系統(tǒng)的設(shè)計有一定參考作用,為進一步研究全墊升氣墊船模型試驗關(guān)鍵的墊升系統(tǒng)相似性問題提供思路和可行性方案。在實船設(shè)計過程中,風機為額定轉(zhuǎn)速下且氣孔位置確定時,可增大氣孔面積來提高有效工作區(qū)間的調(diào)控范圍。然而墊升系統(tǒng)還包括氣道和圍裙結(jié)構(gòu),從氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化和圍裙的材料特性等角度著手進行氣墊船模型墊升系統(tǒng)的研究,也是日后可以探究的方向。