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某50 m近海運輸船船機槳匹配分析

2024-01-16 12:39:44劉丹丹仉永超史艷軍
中國修船 2023年6期
關(guān)鍵詞:船機航速系泊

劉丹丹,仉永超,史艷軍

(1.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261000;2.濰柴重機股份有限公司,山東 濰坊 261108)

近海運輸船航行區(qū)域為沿海,常會遇到風(fēng)浪,船機槳匹配不當可能會造成安全問題。本文根據(jù)船體型線圖,進行船體三維建模;使用Star-CCM+軟件,仿真計算船體阻力,并使用NavCad 軟件對船機槳匹配情況進行校核;在新船試航階段測試軸功,分析測試數(shù)據(jù)與理論計算吻合度,為近海運輸船的船機槳匹配提供參考。

1 船機槳匹配

船舶線型設(shè)計完成、船體主要參數(shù)確定后,就可以對船舶阻力進行預(yù)報。常見的船舶阻力計算方法可分為經(jīng)驗公式法和船模試驗法。經(jīng)驗公式法是使用計算公式計算得到船體阻力,并在總結(jié)、分析大量的船模試驗或?qū)嵈囼灮A(chǔ)上得到的,計算結(jié)果的準確性很大程度上依賴于設(shè)計人員對母型船的選取。船模試驗是船舶性能研究最普遍和有效的方法[1]。將實船按一定的縮尺比制作成幾何相似的船模,在滿足弗勞德數(shù)相等的條件下,在船池中拖曳以測得船模阻力和速度之間的關(guān)系。船模試驗得到的船體阻力結(jié)果比較準確,但費用較高。

接下來進行螺旋槳的設(shè)計。一般而言,螺旋槳的設(shè)計問題可以歸結(jié)為2類:一類是要求設(shè)計效率最佳的螺旋槳,能滿足航速要求,又可以使選取的主機功率最??;另一類是船體和主機已定,要求設(shè)計螺旋槳,保證最高航速能滿足設(shè)計任務(wù)書的要求[1]。

船機槳匹配校核是船舶螺旋槳設(shè)計的逆向過程,可運用已形成的設(shè)計方案,通過航行特征或系泊特征計算,得出船機槳匹配的合理性[2]。系泊特征校核,通過計算系泊狀態(tài)下的主機最大轉(zhuǎn)速,初步評估主機和螺旋槳匹配情況是否合理,同時計算船舶的系柱拖力。航行特征校核,通過計算不同主機轉(zhuǎn)速、不同航速時需要的主機功率,可以進一步判斷船舶與機槳匹配是否合理。

常見的螺旋槳匹配誤區(qū)有2 種:螺旋槳匹配過重和過輕。如果螺旋槳完全吸收主機的轉(zhuǎn)矩,但主機轉(zhuǎn)速未達到額定轉(zhuǎn)速,導(dǎo)致螺旋槳不能完全吸收主機的轉(zhuǎn)速,這種情況稱為螺旋槳匹配過重;如果主機轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到額定值,但螺旋槳吸收的主機功率遠小于額定功率,這種情況稱為螺旋槳匹配過輕。無論過重或過輕都將導(dǎo)致螺旋槳不能完全吸收主機的動力,船舶航速達不到設(shè)計航速,船舶經(jīng)濟性也會受到影響[3]。

近海運輸船工況比較單一,分為進出港工況和自由航行工況。進出港工況時,船舶航速較低,頻繁脫合排,此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏低,柴油機運行在推進特性曲線附近,但不應(yīng)超過外特曲線。自由航行工況時,船舶航速較高,以設(shè)計航速前行,此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高,在額定轉(zhuǎn)速附近,主機功率略有儲備,以應(yīng)對海上惡劣天氣。自由航行工況占整個工況的90%以上,船機槳匹配時常選取自由航行工況進行匹配[3]。

2 某50 m近海運輸船概況

某50 m近海運輸船(以下簡稱某船)用于為海洋牧場運輸飼料、提供設(shè)備,在榮成近海區(qū)域航行、作業(yè)。船長50 m,總質(zhì)量1 262 t,凈質(zhì)量703 t,水面以上最大高度16.8 m。某船參數(shù)見表1。

表1 某船參數(shù)

該船主機功率809 kW,采用單機單槳推進形式,其推進系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 某船推進系統(tǒng)參數(shù)

3 船機槳匹配情況分析

3.1 船舶阻力計算

在使用Star-CCM+軟件對船體阻力進行流體動力學(xué)仿真分析前,要先根據(jù)船體型線圖,進行三維建模。為提高仿真計算效率,本案例采用λ=7的縮尺比將模型進行縮放,得到船模三維。

計算域中的網(wǎng)格類型為切割體網(wǎng)格,對船體近域與自由面附近進行加密,計算域網(wǎng)格總數(shù)為200萬左右,計算域網(wǎng)格場景如圖1所示。

圖1 計算域網(wǎng)格場景

使用Realized k-Epsilon 湍流模型,合理劃分邊界層附近的網(wǎng)格以保證Wall Y+值在30~300 范圍內(nèi)。船體表面的Y+值分布圖如圖2所示。

圖2 船體表面Y+值分布圖

對自由面網(wǎng)格局部加密使自由面處波系傳播,開爾文波角等波形細節(jié)得到很好的捕捉,圖3為實船航速為10 kn時計算域興波場景。

采用二因次換算法對數(shù)值計算結(jié)果進行換算,得到船體阻力曲線,船體阻力曲線如圖4所示。

圖4 船體阻力曲線

3.2 系泊特征校核

該近海運輸船采用MAU4-55 標準槳,為了解主機與螺旋槳的匹配情況,以100%等轉(zhuǎn)矩線為限值,進行系泊特征校核。通過計算不同轉(zhuǎn)速下的主機功率,并求得與等轉(zhuǎn)矩線的交點,得到主機系泊時的轉(zhuǎn)速,將其與額定轉(zhuǎn)速做對比,從而評估柴油機和螺旋槳匹配合理性。系泊特征校核曲線圖如圖5所示。

圖5 系泊特征校核曲線圖

由計算結(jié)果可知,在系泊工況下,主機轉(zhuǎn)速最大為1 280 r/min,為額定轉(zhuǎn)速的85.3%,基本滿足系泊轉(zhuǎn)速為80%~85%額定轉(zhuǎn)速的要求[4],主機和螺旋槳匹配合理。

3.3 航行特征校核

本案例使用NavCad 軟件,對滿載狀態(tài)船舶的自由航行特征進行校核,得到不同航速下需要的主機功率-轉(zhuǎn)速曲線,并將其與主機功率-轉(zhuǎn)速曲線進行對比,評估船機槳匹配合理性。航行特征校核曲線如圖6所示。

圖6 航行特征校核曲線

滿載自由航行時,主機轉(zhuǎn)速能達到額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,此時船舶航速10.6 kn,所需主機功率765 kW,功率儲備5.4%,基本滿足要求。

3.4 實船測試

為驗證上述校核結(jié)果,在試航階段,對該船進行實船跟蹤測試。試航時少量壓載,滑油艙、燃油艙均為空,艏吃水約2.4 m,舯吃水約2.8 m。

航行路線為從大黑石出發(fā),前往養(yǎng)魚池灣區(qū)域,全程約12 km,在養(yǎng)魚池灣完成試航后,又返回大黑石。自由航行工況曲線圖如圖7所示。

圖7 自由航行工況曲線圖

由圖7知,自由航行工況,主機轉(zhuǎn)速1 050 r/min時,主機功率約250 kW,主機轉(zhuǎn)速1 350 r/min 時,主機功率約533 kW,經(jīng)計算可得到主機轉(zhuǎn)速1 500 r/min 時,主機功率為729 kW,即額定轉(zhuǎn)速下,功率儲備9.9%。

試航過程中,主機轉(zhuǎn)速和航速見表3。

表3 主機轉(zhuǎn)速與航速

由于試航狀態(tài)為少量壓載,而設(shè)計校核為滿載吃水,為保證狀態(tài)一致,還需計算試航狀態(tài)時的船舶阻力曲線,部分壓載時該船阻力曲線見圖8,并進行部分壓載狀態(tài)時航行特征校核見圖9。

圖8 部分壓載時該船阻力曲線

圖9 部分壓載狀態(tài)時航行特征校核

由圖8可知,部分壓載自由航行時,主機轉(zhuǎn)速1 500 r/min,航速11.5 kn,所需主機功率733 kW,功率儲備9.4%,與試航實測轉(zhuǎn)速1 450 r/min、航速11.3 kn基本吻合。

此外,還對怠速合排工況進行數(shù)據(jù)采集,怠速合排工況曲線圖見圖10。

圖10 怠速合排工況曲線圖

主機怠速合排沖擊轉(zhuǎn)矩2 286 N·m,為額定轉(zhuǎn)矩的44.3%,主機轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間約10 s。

4 結(jié)束語

本文基于Star-CCM+、NavCad 軟件,對現(xiàn)有的船機槳進行匹配校核,并通過實船測試驗證計算的準確性,得到如下結(jié)果。

1)根據(jù)系泊特征校核和滿載航行特征校核結(jié)果,該50 m 近海運輸船船機槳匹配基本合理。但考慮到近海區(qū)域惡劣天氣以及船體積污等影響,建議近海運輸船以主機額定轉(zhuǎn)速時,儲備10%~15%的主機功率為螺旋槳的設(shè)計工況點。

2)部分壓載狀態(tài)下,實船測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。

3)受當時條件所限,未能驗證滿載狀態(tài)時的船機槳匹配情況。建議新船試航時,以滿載狀態(tài)或船舶運營狀態(tài)進行試航。

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