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(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院,武漢 430033)
因海洋運(yùn)輸、科考及勘測業(yè)的需要,船舶拖帶作業(yè)越來越頻繁,研究拖帶對船舶操縱性能的影響,探索和開發(fā)操縱性優(yōu)良的拖帶船型具有重要的應(yīng)用價值。迄今為止國內(nèi)還沒有關(guān)于拖帶對船舶操縱性能影響方面的試驗研究見諸報告,也沒有能夠比較準(zhǔn)確地用于預(yù)報拖帶情形下船舶操縱性能的理論方法。而模型試驗相對簡單、科學(xué)、可靠并且能夠檢驗理論分析的正確性。為此,制作自航船模,在檢驗其操縱性能的基礎(chǔ)上分別對比進(jìn)行了未拖帶與在不同拖纜長度下拖帶的相關(guān)操縱性試驗,研究單船雙側(cè)拖帶操作對船舶操縱性能的影響。
自航模拖帶兩拖帶物進(jìn)行直航運(yùn)動時,兩拖纜分開一定的角度,并隨著船模航速的增加,拖纜所拖帶的拖帶物逐漸“外漂”,拖纜間張開的角度增大。在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動時,發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)拖纜滯后而外側(cè)拖纜向內(nèi)回旋,兩拖帶物間距離減小,兩拖纜逐漸靠近;同時自航模的漂角與未拖帶時相比變小,船模轉(zhuǎn)首同未拖帶時相比變得相對困難;自航模航速降低,在船首轉(zhuǎn)過角度接近90°時,內(nèi)側(cè)拖纜失效。
在拖帶操作時,船體除了受到流體作用于自身的力和力矩外,還受到拖纜施加于船體的力和力矩。直航時由于采用單船雙側(cè)拖帶系統(tǒng),拖纜對船舶的作用僅相當(dāng)于增加船模航行的阻力;回轉(zhuǎn)運(yùn)動時,由于兩側(cè)拖纜作用力的不對稱,船體受到拖纜施加力矩的作用,回轉(zhuǎn)性能發(fā)生改變。
船舶航行在無限深廣水域,自由液面為靜水面。視船體為剛體,忽略船的縱搖及升沉[1]。
圖2 坐標(biāo)
在以上基礎(chǔ)上建立船舶拖帶操縱運(yùn)動基本公式[1]。
假定α1、α2及ψ分別為拖纜1和拖纜2在定坐標(biāo)系中與X0軸夾角及船舶航向角。
因此船在拖帶時,其操縱性能受到拖纜拉力及力矩的影響,且這種影響與拖纜拉力大小及其與船航向所夾角度有關(guān)。
如圖2所示,若在拖纜拉力一定時進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗,則因(α1-ψ)↑,YT1↑,XT1↓而(α2-ψ)↓,YT2↓,XT2↑,因而產(chǎn)生一個與回轉(zhuǎn)方向相反的力矩,阻礙船舶的回轉(zhuǎn)。
自航模為雙舵、雙槳、帶軸支架木質(zhì)船模,表面光滑,無舭龍骨和減搖鰭。
船模長3.72 m,水線寬0.567 m,重136.5 kg,吃水138.9 mm,縱搖周期2.56 s,橫搖周期16.20 s。
試驗采用機(jī)翼型螺旋槳,該槳的主要特征及參數(shù)如下:
直徑 105 mm; 側(cè)斜 39.11°
葉數(shù) 5; 縱斜 非線性
螺距比 1.4; 螺距分布 非線性
盤面比 0.75; 旋向 內(nèi)旋
轂徑比 0.33; 材料 巴氏合金
舵模剖面形式為NACA0015,安裝位置為舵軸向船中內(nèi)偏11 mm。
拖帶物為漂浮于水面的特制小浮體,拖纜拉力為28 N。
船模遙控設(shè)備FP-T8SGA-P;數(shù)據(jù)遙測設(shè)備YCF-3C;數(shù)據(jù)采集設(shè)備DH-5932;數(shù)據(jù)測量設(shè)備為航向陀螺C-12、YT-3;操舵設(shè)備為MD3-2舵機(jī)。
1) 回轉(zhuǎn)操縱性試驗。在未拖帶時進(jìn)行高速(v=2.18 m/s)和低速(v=1.46 m/s)的回轉(zhuǎn)試驗及在拖纜長分別為10、20、30 m時進(jìn)行低速(v=1.46 m/s)回轉(zhuǎn)試驗,舵角分別為±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°(受條件限制±5°的回轉(zhuǎn)無法進(jìn)行)。
2) Z形操縱試驗。在未拖帶情形下進(jìn)行高速(v=2.18 m/s)和低速(v=1.46 m/s)的Z形操縱試驗及在拖纜長度分別為20、30 m時進(jìn)行低速(v=1.46 m/s)的Z形操縱性試驗,舵角分別為±10°、±20°,試驗過程記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
3) 航向穩(wěn)定性試驗。在未拖帶情形下進(jìn)行低速(v=1.46 m/s),舵角為±15°的航向穩(wěn)定性試驗,試驗過程記錄數(shù)據(jù)并繪制出首向角隨時間變化的關(guān)系曲線圖。
4) 保持航跡能力操縱性試驗。在未拖帶情形下進(jìn)行舵角為±15°的回直操縱性試驗和在拖纜長為20 m時進(jìn)行兩次零度舵角的直航試驗,航速均為v=1.46 m/s[3]。
相對回轉(zhuǎn)直徑對比試驗曲線見圖3。
圖3 相對回轉(zhuǎn)直徑對比曲
由圖3知,未拖帶時,當(dāng)船以35°舵角高速進(jìn)行回轉(zhuǎn)時相對回轉(zhuǎn)直徑約為3.0,以低速回轉(zhuǎn)時約為2.8,由Davidson 所提出的船舶在最小相對回轉(zhuǎn)直徑約為3.0時回轉(zhuǎn)性,能優(yōu)良的結(jié)論可知[4],該船具有良好的操縱回轉(zhuǎn)性能。拖帶時船的相對回轉(zhuǎn)直徑與未拖帶時相比有明顯變化,當(dāng)船以小舵角低速進(jìn)行回轉(zhuǎn)時,相對回轉(zhuǎn)直徑幾乎增大一倍,而在大舵角時也增大了約50%,顯然拖帶使得船舶回轉(zhuǎn)性能惡化。
同時,由圖3可知回轉(zhuǎn)速度及拖纜長度對回轉(zhuǎn)性能的影響不大,原因有:
1) 自航模操舵回轉(zhuǎn)時,由于拖纜拉力的作用,產(chǎn)生了一個與回轉(zhuǎn)方向相反的回轉(zhuǎn)力矩,該力矩阻礙了船舶的回轉(zhuǎn),使得船舶航行時的漂角減小,回轉(zhuǎn)半徑增大。
2) 改變拖纜長度,在自航?;剞D(zhuǎn)運(yùn)動中并未改變拖纜拉力的大小及拉力的方向,而且拖纜拉力一定,所以拖纜長度對回轉(zhuǎn)性能的影響不大。
相對縱距和相對橫距的對比曲線見圖4、5。
圖4 相對縱距對比曲線
圖5 相對橫距對比曲
由圖4、5可知,拖帶使得相對回轉(zhuǎn)縱距和相對橫距發(fā)生較大的改變,變化趨勢與相對回轉(zhuǎn)直徑的相同,即在小舵角時增加約1倍,而在大舵角時也增加了約50%。拖帶長度對相對縱距和相對橫距的影響不大,在大舵角時基本相當(dāng),并相互交錯。
為了更好表示船舶對舵作用的應(yīng)答性,將其從執(zhí)行操舵點起至回轉(zhuǎn)圈中心的距離,稱為進(jìn)程R′,R′=v(T+t1/2)=S3-R0。式中:S3、R0分別為回轉(zhuǎn)縱距和定?;剞D(zhuǎn)半徑。R′越小則應(yīng)答性越好。若用操舵來改變船的航向,則R′可代表在原航向上,由轉(zhuǎn)舵瞬時的重心位置直至新、舊航向交點之距離。當(dāng)R′/L<1時,船具有很好的應(yīng)答性[4]。
由圖6知,不論是拖帶還是未拖帶,該船均有良好的應(yīng)答性。
圖6 相對進(jìn)程對比曲
以低速進(jìn)行Z形試驗所得結(jié)果見表1。
經(jīng)驗表明,一般壓載船和油船K′為0.7~1.3、T′為0.4~1.1時,具有較好的操縱性[4],顯然未拖帶時K′、T′均在上述范圍內(nèi),可知該船操縱性良好;而在拖帶時K′、T′均減小,其中K′減小了20%~50%,而T′改變不太明顯。
表1 Z形操縱試驗性能指數(shù)
由圖7、圖8知,自航模以低速v=1.46 m/s進(jìn)行±15°舵角的回直試驗,最終都能達(dá)到直航,顯然其具有零舵角穩(wěn)定直航能力。
圖7 自航模低速右15°回直曲線
圖8 自航模低速左15°回直曲
由圖9可知,自航模以v=1.46 m/s、零度舵角及拖帶20 m航行歷時約40 s、行程60 m(約16倍船長),僅偏航8°??紤]到自航模拖帶回轉(zhuǎn)時,兩拖帶物不可能做到完全相同,而且拖帶開始時兩拖纜與船模航向所成角度不一樣,由此造成小角度偏斜,仍可認(rèn)為其保持航跡能力很好[6]。
圖9 20 m拖帶低速直航航向角變化曲
1) 該船自航模具有良好的回轉(zhuǎn)性能,滿足相對回轉(zhuǎn)半徑小于3.5的要求且直線穩(wěn)定性能、轉(zhuǎn)首性能、應(yīng)舵性能均良好。
2) 拖帶使船回轉(zhuǎn)性能惡化,在小舵角使相對回轉(zhuǎn)半徑、相對橫距和相對縱距值增加了近1倍,而在大舵角時也近50%。
3) 在拖帶情形下,該船自航模仍具有直線運(yùn)動穩(wěn)定性。
4) 除必須緊急回轉(zhuǎn)外,不允許作大舵角(大于15°)、長時間回轉(zhuǎn)機(jī)動。
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