吳興亞，高霄鵬

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

全回轉(zhuǎn)槳初始安裝偏角對船舶操縱性的影響

吳興亞，高霄鵬

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

針對全回轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計(jì)4種初始安裝方案，通過在開闊水域開展船?；剞D(zhuǎn)、Z形操舵的大尺度自由自航模試驗(yàn)，對比各方案的回轉(zhuǎn)直徑、橫傾角及速降等試驗(yàn)參數(shù)和相關(guān)性能指數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字2°時(shí)，船舶的操縱性能較為優(yōu)異。

全回轉(zhuǎn)螺旋槳；初始安裝偏角；船舶操縱性；自航模試驗(yàn)

一艘船的固有操縱性在設(shè)計(jì)建造完成之初就已經(jīng)確定，主要由船體主尺度、艉部線型，以及槳、舵的尺寸大小、位置布置決定。對于常規(guī)槳、舵分離的船型，合理布置槳、舵的相對位置可極為有效地改善船舶的固有操縱性能，一些驅(qū)護(hù)艦型的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)更直接表明，舵適當(dāng)合理外偏能縮小其定常回轉(zhuǎn)直徑[1-2]。而對于全回轉(zhuǎn)槳吊艙推進(jìn)器這一新型的船舶推進(jìn)系統(tǒng)[3-7]，未見有文獻(xiàn)對全回轉(zhuǎn)槳初始安裝偏角對船操縱性能的影響進(jìn)行研究。

為探究全回轉(zhuǎn)槳不同初始安裝偏角對船舶操縱性能的影響，根據(jù)布置在船尾一對全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)螺旋槳相對位置的變化，設(shè)計(jì)螺旋槳的4種偏角作為初始狀態(tài)，通過船舶自航模試驗(yàn)，分別針對每種螺旋槳初始狀態(tài)進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形操縱試驗(yàn)，探究確定螺旋槳初始偏角的最佳方案，為船舶操縱性能的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4種螺旋槳初始偏角作為初始位置的方案，分別為平行布置(偏角為0°)和相對船艏呈外八字形布置(偏角依次為2°，3°，4°)2種基本狀態(tài)。2種槳基本位置布置見圖1。2槳均為全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)槳，鋁合金材質(zhì)，前槳為5葉螺旋槳，后槳為4葉螺旋槳。4種方案的全回轉(zhuǎn)螺旋槳初始狀態(tài)見表1。

圖1 2種槳位置布置示意

方案編號(hào)2槳相對位置分布槳對應(yīng)偏角/(°)1平行 02外八字形23外八字形34外八字形4

2 自航模試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

自航船模采用玻璃鋼材料制作，船模表面光滑，線型制作符合“水面自航模操縱性試驗(yàn)規(guī)程”CB*/Z 327—82的要求。自航船模量綱一的量化主要參數(shù)見表2。

表2 自航船模量綱一的量化主要參數(shù)

2.2 控制系統(tǒng)

自航模測控系統(tǒng)全部由計(jì)算機(jī)完成對船模的操控及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集。自航?？刂葡到y(tǒng)由岸上基地操縱系統(tǒng)、船載執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中采用GPS定位系統(tǒng)記錄船舶軌跡，標(biāo)稱平面橢圓誤差為2 cm；采用慣導(dǎo)系統(tǒng)測量模型的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；采用超聲波式浪高儀測定試驗(yàn)現(xiàn)場的浪高、流速；采用YGY-FSXY1風(fēng)速風(fēng)向儀測量試驗(yàn)現(xiàn)場風(fēng)速風(fēng)向。數(shù)據(jù)傳輸采用無線通訊設(shè)備，將記錄數(shù)據(jù)及時(shí)傳回岸基控制系統(tǒng)，主要采集數(shù)據(jù)參數(shù)包括：傾角、航速、航向、坐標(biāo)位置、三軸加速度、三軸角速度、舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵時(shí)間和轉(zhuǎn)舵的角度、主推電機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)的運(yùn)行工況等。

3 試驗(yàn)及影響分析

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

圖2 回轉(zhuǎn)速降與直徑的關(guān)系

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中定?；剞D(zhuǎn)航速Vs與定?；剞D(zhuǎn)半徑Rs、橫傾角φs的關(guān)系見圖3。

圖3 定常回轉(zhuǎn)航速與定?；剞D(zhuǎn)半徑和靜橫傾角乘積的關(guān)系

(1)

式中：h——船的橫穩(wěn)定中心高； ZG——船重心距船基線的垂直距離； ZH——水動(dòng)力作用點(diǎn)到船基線的垂直距離。

圖2、3體現(xiàn)出的曲線關(guān)系表明本試驗(yàn)4種方案的設(shè)計(jì)能滿足船舶的一般操縱規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果的離散程度可以滿足工程上的要求，為測量結(jié)果的分析比較開展提供了理論支持。

3.2 試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)處理分析

3.2.1 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

根據(jù)船模作定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，作出4種方案下各參數(shù)的時(shí)歷曲線，如圖4所示為方案1下打左舵15°時(shí)船體作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的各參數(shù)時(shí)歷曲線。由圖4分析可得船體作左向15°的定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)角速度穩(wěn)定在6.1～6.2rad/s。在回轉(zhuǎn)過程中由于船舶所受水動(dòng)力的變化，船在打舵后2.4s時(shí)先向回轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)橫傾，在3.8s時(shí)達(dá)到最大角度為-1.3°，然后轉(zhuǎn)為向外側(cè)橫傾，在8.2s時(shí)橫傾角達(dá)到最大值度，此時(shí)的角度稱為最大橫傾角，繼而船舶進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)狀態(tài)，橫傾角穩(wěn)定在3.0°～3.2°，此時(shí)的角度為定?；剞D(zhuǎn)橫傾角，同時(shí)，縱傾角也經(jīng)歷相似的變化過程，最后穩(wěn)定在0.45°～0.48°，以上各參數(shù)在受到試驗(yàn)現(xiàn)場風(fēng)、浪、流等外在因素的影響下會(huì)有微小的波動(dòng)，但均符合船舶作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一般操縱規(guī)律，同樣方案2～4也遵循上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這也為下文各方案測量結(jié)果的分析比較的開展提供了理論支持。

圖5為4種方案下無因次定常回轉(zhuǎn)直徑隨舵角的變化關(guān)系曲線，圖6為不同回轉(zhuǎn)角度下無因次定常回轉(zhuǎn)直徑各方案的對比。

圖4 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中各參數(shù)的時(shí)歷曲線 (U=2.3 m/s 、δ=-15° )

圖5 各方案下無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑與舵角的關(guān)系

圖6 +25°回轉(zhuǎn)舵角下無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑各方案對比

由圖5分析可得：在4種方案下，均遵循隨著所操舵角的不斷增大，無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑不斷減小的船舶操縱規(guī)律；結(jié)合圖6知，試驗(yàn)中操相同舵角，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字3°、4°時(shí)，船舶的無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑較安裝位置為平行、外八字2°時(shí)明顯變大，其中當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字2°時(shí)最小，相比平行位置減小3%～5%，呈外八字3°時(shí)最大，相比平行位置增大56.9%～58.6%。

各方案下橫傾角隨舵角的變化以及不同回轉(zhuǎn)角度下橫傾角的各方案對比見圖7～10。

圖7 各方案下靜橫傾角與舵角的關(guān)系

圖8 +25°回轉(zhuǎn)角度下靜橫傾角各方案對比

由圖8分析可得：在同一全回轉(zhuǎn)槳初始安裝偏角下，隨著所操舵角的不斷增大，靜橫傾角均不斷減小，結(jié)合圖9知，同一舵角下，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈平行、外八字2°時(shí)靜橫傾角值較為相近，相對較小，呈外八字3°、4°時(shí)靜橫傾角值也較為相近，相對較大，比較小時(shí)提高50.0%～58.6%。

圖9 各方案下最大橫傾角與舵角的關(guān)系

圖10 +25°回轉(zhuǎn)角度下最大橫傾角各方案對比

由圖9分析可得：在同一全回轉(zhuǎn)槳初始安裝偏角下，隨著所操舵角的不斷增大，船舶的最大橫傾角不斷增大。結(jié)合圖10所體現(xiàn)出的變化規(guī)律可知，在同一舵角下，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字2°,3°時(shí)，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的最大橫傾角相對較小，其中當(dāng)呈外八字2°時(shí)最小，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為平行和相對船艏呈外八字4°時(shí)，在回轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的最大橫傾角相對較大，其中當(dāng)呈平行時(shí)最大，約比初始位置為外八字2°時(shí)大6.2%～18.2%。

圖11～14為4種方案下回轉(zhuǎn)角速度、回轉(zhuǎn)速降系數(shù)隨舵角的變化關(guān)系曲線以及+35°下回轉(zhuǎn)角速度、回轉(zhuǎn)速降系數(shù)各方案對比。

圖11 各方案下無因次定?；剞D(zhuǎn)角速度與舵角的關(guān)系

圖12 +35°回轉(zhuǎn)角度下無因次定?；剞D(zhuǎn)角速度各方案對比

由圖11分析可得：在同一全回轉(zhuǎn)槳初始安裝偏角下，隨著所操舵角的不斷增大，回轉(zhuǎn)過程中的回轉(zhuǎn)角速度顯著增大，其中當(dāng)當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈平行和外八字2°時(shí)規(guī)律性較為穩(wěn)定。結(jié)合圖12的變化規(guī)律可知，在同一舵角下，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈平行、外八字2°時(shí)，回轉(zhuǎn)過程中的回轉(zhuǎn)角速度較大，其中當(dāng)呈外八字2°時(shí)最大，而當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字3°、4°時(shí)回轉(zhuǎn)角速度較小，其中當(dāng)呈3°時(shí)最小，約比呈外八字2°時(shí)小40%～43.2%。同時(shí)各方案下圖11、圖12中回轉(zhuǎn)角速度體現(xiàn)出的規(guī)律形也與圖9、圖10中定?；剞D(zhuǎn)直徑體現(xiàn)的規(guī)律性相符，即船舶作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)回轉(zhuǎn)角速度越大時(shí)，回轉(zhuǎn)直徑越小。

圖13 各方案下定常回轉(zhuǎn)速降系數(shù)與舵角的關(guān)系

圖14 +35°回轉(zhuǎn)角度下定?；剞D(zhuǎn)速降系數(shù)各方案對比

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，回轉(zhuǎn)速降系數(shù)即為船舶定?；剞D(zhuǎn)時(shí)的航速與回轉(zhuǎn)前船舶直線航行時(shí)穩(wěn)定航速之比，所以同一試驗(yàn)航速下，速降系數(shù)越小，船舶定?；剞D(zhuǎn)時(shí)的航速越小。由圖13分析可得：在同一全回轉(zhuǎn)槳初始安裝偏角下，隨著所操舵角的不斷增大，速降系數(shù)均逐漸變小。結(jié)合圖14可知，同一舵角下，從方案1到方案4，速降系數(shù)不斷增大，即回轉(zhuǎn)航速不斷增大，其中當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字4°時(shí)比平行時(shí)大7.8%～20.0%。

3.2.2Z形操縱試驗(yàn)

根據(jù)船模作Z形運(yùn)動(dòng)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，作出4種方案下各參數(shù)的時(shí)歷曲線，方案1下+20°時(shí)軌跡時(shí)歷曲線、舵角以及艏向角的時(shí)歷曲線見圖15、16。

圖15 +20°軌跡時(shí)歷曲線

圖16 +20°舵角與艏向角時(shí)歷曲線

由時(shí)歷曲線可直接測量初轉(zhuǎn)期ta、超越時(shí)間ts、超越角ψs,以及周期T等特征值，并由時(shí)歷曲線及各特征值分析出4種方案下的Z形操縱試驗(yàn)符合船舶的一般操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為進(jìn)行的K、T指數(shù),以及轉(zhuǎn)艏性指數(shù)P的求解分析比較提供了理論支持。

通常用轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)或回轉(zhuǎn)性指數(shù)等技術(shù)參數(shù)評估船舶的機(jī)動(dòng)性，用航向穩(wěn)定性指數(shù)或穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)來表示船舶的航向糾正及保持能力，評估其航向穩(wěn)定性。其中回轉(zhuǎn)性指數(shù)K越大，定?；剞D(zhuǎn)角速度越大，回轉(zhuǎn)直徑越小，船的回轉(zhuǎn)性越好；應(yīng)舵-航向穩(wěn)定性指數(shù)T越小，表示船舶的穩(wěn)定性和跟從性越好，操舵后船能很快的進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)；轉(zhuǎn)艏性指數(shù)P越大，船的轉(zhuǎn)艏性越好，船越容易改變航向。不同舵角的Z形操縱試驗(yàn)中所求K、T指數(shù)不同，但兩者變化率近似相同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)艏性指數(shù)P比較穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)艏性指數(shù)P僅與舵效及船的慣性相關(guān)，與船的穩(wěn)定性無直接關(guān)系。4種方案下無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′、無因次應(yīng)舵-航向穩(wěn)定性指數(shù)T′以及轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)P在不同舵角下的數(shù)值見表3～5。

在+20°角度下無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′、無因次應(yīng)舵-航向穩(wěn)定性指數(shù)T′以及轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)P各方案對比見圖17～19。

表3 無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′在不同舵角δ下的數(shù)值

圖17 10°/10°無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′各方案對比

由表3可得：在各方案下，無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)隨著舵角δ從10°增大到20°明顯減小。根據(jù)《艦船通用規(guī)范》規(guī)定，水面艦船轉(zhuǎn)艏性能是以其最大設(shè)計(jì)航速下作10°/10°Z形試驗(yàn)的轉(zhuǎn)艏性指數(shù)來衡準(zhǔn)，結(jié)合圖17，10°/10°下無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)各方案對比可知，在相同舵角下，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈平行、外八字2°時(shí)，K′相對較大，呈外八字3°，4°時(shí)，K′相對較小，其中當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈外八字2°時(shí)最大，回轉(zhuǎn)性最好，外八字3°時(shí)最小，回轉(zhuǎn)性最差。

表4 無因次應(yīng)舵-航向穩(wěn)定性指數(shù)在不同舵角δ下的數(shù)值

圖18 10°/10°下無因次應(yīng)舵-航向穩(wěn)定性指數(shù)各方案對比

由表4分析可得：在各方案下，無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)T′隨著舵角δ從10°增大到20°明顯減小，即應(yīng)舵時(shí)間明顯減少。結(jié)合圖18，10°/10°下無因次應(yīng)舵-航向穩(wěn)定性指數(shù)T′各方案對比所示，同一舵角下，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈平行、外八字2°時(shí)，T′相對較大，呈外八字3°、4°時(shí)，T′相對較小，且值較為接近，其中當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏平行時(shí)最大，應(yīng)舵性最差，外八字3°時(shí)最大，應(yīng)舵性最好。

表5 轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)P在不同舵角δ下的數(shù)值

圖19 10°/10°轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)P各方案對比

由表5分析可得：由于轉(zhuǎn)艏性指數(shù)P僅與舵效及船的慣性相關(guān)，故在4種方案下不同舵角的Z形操縱試驗(yàn)中轉(zhuǎn)艏性指數(shù)P均比較穩(wěn)定，均滿足《艦船通用規(guī)范》中P值大于0.3的規(guī)范要求。結(jié)合圖19，10°/10°下轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)P各方案對比表明，同一舵角下，當(dāng)螺旋槳的初始安裝位置為相對船艏呈平行、外八字2°時(shí)，P值較為接近，相對較??；呈外八字3°，4°時(shí)，P值也較為接近，相對較大，約提高超過71.6%。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該裝有全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)槳的船的直線航行性能較常規(guī)槳舵分開船型較差，而對于直線不穩(wěn)定或穩(wěn)定性較差的船，轉(zhuǎn)艏指數(shù)必須與表示穩(wěn)定性的指數(shù)聯(lián)合應(yīng)用，才能全面反應(yīng)操縱性能。

4 結(jié)論

在自航模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了具體的的分析對比，得出初步的全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器操縱性能優(yōu)化的安裝方法，下一步將采用數(shù)值模擬仿真的方法分析螺旋槳周圍的流場變化，并從水動(dòng)力出發(fā)重點(diǎn)分析不同安裝偏角下的螺旋槳及船體的受力情況，以期待能在安裝此類新型推進(jìn)裝置的船舶操縱性能方面得出更好的優(yōu)化方案。

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Influence of Initial Installation Angle of the Full-revolving Propeller upon the Ship Maneuvering

WU Xing-ya, GAO Xiao-peng

(Dept. of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Specific to the influence of different full-revolving propeller’s initial installation angle of the ship maneuverability, four initial installation schemes of propeller were designed. In each case, the free-running model tests, including circle test and the zigzag test were carried out in the open and still water to investigate its test parameters, such as tactical diameter, roll angle, speed drop and relative performance index. Experimental results showed that the ship’s maneuverability is excellent when the initial installation site of propeller is toe-out 2° relative to the bow.

full-revolving propeller; initial installation angle; ship maneuverability; free-running model test

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.003

2016-04-13

吳興亞(1992—)，男，碩士生

U661.33

A

1671-7953(2016)06-0009-06

修回日期：2016-05-11

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造

E-mail:282294867@qq.com