王慧婷，畢 毅

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢430033)

螺旋槳工作模式對(duì)四槳船操縱性影響試驗(yàn)研究

王慧婷，畢 毅

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢430033)

針對(duì)四槳船航行過程中存在著四槳工作、兩內(nèi)槳工作外槳自由或者兩外槳工作內(nèi)槳自由的情況，在開闊靜水水域中進(jìn)行了大尺度自航?；剞D(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同螺旋槳工作模式下自航模型操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明，兩內(nèi)槳工作時(shí)的回轉(zhuǎn)性指數(shù)、轉(zhuǎn)艏指數(shù)比四槳工作時(shí)高，四槳工作時(shí)比兩外槳高；兩內(nèi)槳工作時(shí)的應(yīng)舵指數(shù)比四槳工作時(shí)低，四槳工作時(shí)比兩外槳低。因此，兩內(nèi)槳工作模式下自航模的回轉(zhuǎn)性、穩(wěn)定性、應(yīng)舵性均優(yōu)于四槳及兩外槳工作模式下的值。

四槳船；螺旋槳工作模式；自航模試驗(yàn)；操縱性

船舶操縱性是船舶重要的水動(dòng)力性能之一，它是船舶在控制裝置的作用下，保持或改變船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括航向、航速和位置等的能力。預(yù)報(bào)操縱性一般有3種方法：半理論半經(jīng)驗(yàn)估算[1]、自航模試驗(yàn)[2]和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法[3-5]。半理論半經(jīng)驗(yàn)方法是基于大量的約束模系列試驗(yàn)結(jié)果，建立水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)庫或回歸公式，應(yīng)用這些公式對(duì)船舶的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估算，但該方法的有效性受船型限制；計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法受數(shù)值計(jì)算方法、操縱性運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以及水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的求解精度等各方面因素的影響；相對(duì)而言，大尺度自航模試驗(yàn)是船舶操縱性預(yù)報(bào)中較為可靠的方法，已得到廣泛的應(yīng)用[6]。

隨著船舶裝載量的大幅增加，以及對(duì)船舶快速性及操縱性的要求提高，出現(xiàn)了四槳雙舵這種船型，其操縱性能與常規(guī)單槳單舵船、雙槳雙舵船有較大的差異。然而，目前國內(nèi)外對(duì)于單槳單舵船及雙槳雙舵船的操縱性能研究較多[7-9]，而對(duì)四槳雙舵船的操縱性能研究相對(duì)較少，研究主要集中在四槳雙舵船靜水中操縱運(yùn)動(dòng)仿真[10-15]、不同螺旋槳工作狀態(tài)時(shí)船舶操縱運(yùn)動(dòng)性能的數(shù)值分析[16]，研究中缺少自航模型試驗(yàn)的驗(yàn)證?；诖?，本文通過模型試驗(yàn)的方法對(duì)四槳雙舵船的操縱性能進(jìn)行研究，并對(duì)比分析不同螺旋槳工作模式下的船舶操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 自航模試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c控制系統(tǒng)

該自航模型采用玻璃鋼材料制作，量綱一的量化主要參數(shù)見表1。船后對(duì)稱布置四槳兩舵，舵位于內(nèi)槳的正后方。槳舵相對(duì)位置見圖1，其中L為船?？傞L。

自航?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由岸基控制系統(tǒng)、船載控制及運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)和船載執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，采用無線通訊設(shè)備實(shí)現(xiàn)岸基上位機(jī)和自航模下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)自航模的控制。下位機(jī)負(fù)責(zé)記錄各種即時(shí)數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收并顯示下位機(jī)傳回的各種實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要有：經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、航向角、航向角速度、航速、舵角、橫傾角等。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

自航模試驗(yàn)在木蘭湖開闊水域中進(jìn)行，水深15～20 m，蒲氏二級(jí)風(fēng)以下。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種不同螺旋槳的工作模式：四槳、兩內(nèi)槳及兩外槳工作，開展了航速為1.502 m/s時(shí)的自航?；剞D(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形試驗(yàn)，向右打舵時(shí)舵角為正。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)上位機(jī)所接收的數(shù)據(jù)，畫出各參數(shù)的時(shí)歷曲線，圖2為自航模四槳工作、時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中各參數(shù)的時(shí)歷曲線，圖3為自航模四槳工作、時(shí)橫傾角φ的時(shí)歷曲線?？梢钥闯觯夯剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，各參數(shù)均達(dá)到穩(wěn)定，但受風(fēng)、流等因素的影響，有略微的波動(dòng)，取值時(shí)均取平均值。自航模進(jìn)入回轉(zhuǎn)后，航速逐漸降低，待運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，航速也趨于穩(wěn)定，取值時(shí)取其穩(wěn)定值。對(duì)于橫傾角，打舵后自航模首先向回轉(zhuǎn)圈內(nèi)側(cè)橫傾，隨后由向回轉(zhuǎn)圈內(nèi)側(cè)橫傾變?yōu)橄蛲鈧?cè)橫傾。向外側(cè)橫傾過程中所達(dá)到的最大值即為最大橫傾角，穩(wěn)定后的橫傾角即為穩(wěn)定橫傾角，當(dāng)舵角較小時(shí)，最大橫傾角不是特別明顯。

圖2 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中各參數(shù)的時(shí)歷曲線 (U0=1.502 m/s,δ=-15°)

圖3 橫傾角的時(shí)歷曲線 (U0=1.502 m/s,δ=-35°)

圖4 Z形試驗(yàn)艏向角Ψ和舵角δ時(shí)歷曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖5～圖9為四槳、兩內(nèi)槳及兩外槳工作時(shí)各回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨舵角的變化情況。

圖5 無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑D′隨舵角δ的變化

由圖5可知：同一螺旋槳工作模式下，隨著舵角的增加定?；剞D(zhuǎn)直徑顯著降低。四槳工作時(shí)，左右舵無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑D′隨舵角δ的變化曲線呈現(xiàn)良好的對(duì)稱性，而兩內(nèi)槳、兩外槳工作時(shí)，左右舵所得結(jié)果有略微差別。這是因?yàn)樵陂_闊水域中進(jìn)行試驗(yàn)，受風(fēng)、流等的影響，但這種影響是很小的，綜合分析時(shí)取左右舵無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑的平均值。四槳工作時(shí)的回轉(zhuǎn)直徑介于兩內(nèi)槳與兩外槳之間，在小舵角情況下，四槳工作時(shí)的回轉(zhuǎn)直徑更接近于兩外槳工作時(shí)，而在大舵角下其更接近于兩內(nèi)槳工作時(shí)。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的無因次定?；剞D(zhuǎn)直徑比四槳工作時(shí)低17.5%～23.5%，比兩外槳工作時(shí)低28.2%～52.1%。這主要是由于舵位處于內(nèi)槳的正后方，受螺旋槳尾流速度的影響，提高了舵的來流速度，增大了舵在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的水動(dòng)力。

圖6 無因次定?；剞D(zhuǎn)角速度γ′隨舵角δ的變化

由圖6可見，同一螺旋槳工作狀態(tài)下，隨著舵角的增加定?；剞D(zhuǎn)角速度顯著增加。兩內(nèi)槳工作時(shí)曲線斜率最大，兩外槳工作時(shí)曲線斜率最小。在小舵角情況下，四槳工作時(shí)的回轉(zhuǎn)角速度與雙外槳工作時(shí)很接近，而隨著舵角的增加兩者間的差值增大。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的無因次定?；剞D(zhuǎn)角速度比四槳工作時(shí)高20.2%～30.4%，比兩外槳工作時(shí)高39.5%～109.1%。由于，可得兩內(nèi)槳工作時(shí)回轉(zhuǎn)直徑最小，兩外槳工作時(shí)最大，因此，進(jìn)一步驗(yàn)證了圖5中反映出的不同螺旋槳工作狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑變化規(guī)律。

圖7 定?；剞D(zhuǎn)速降系數(shù)隨舵角δ的變化

由圖7可見，同一螺旋槳工作狀態(tài)下，隨著舵角的增加，定?；剞D(zhuǎn)速降顯著降低。V′=Vs/V0,Vs為定常回轉(zhuǎn)時(shí)的航速，V0為直線航行時(shí)的航速，V′較大時(shí)表示速度降低較少，V′較小時(shí)表示速度降低較多。在向左打小舵角、兩內(nèi)槳和兩外槳工作時(shí)，風(fēng)流對(duì)速降產(chǎn)生輕微的影響。在小舵角情況下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的回轉(zhuǎn)速降與兩外槳工作時(shí)很接近，而隨著舵角的增加兩者間的差值增大。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的定?；剞D(zhuǎn)速降系數(shù)比四槳工作時(shí)低37.8%～43.1%，比兩外槳工作時(shí)低0.9%～24.1%。

圖8 最大橫傾角φm隨舵角δ的變化

圖9 穩(wěn)定橫傾角φs隨舵角δ的變化

由圖8、9可知：回轉(zhuǎn)過程中穩(wěn)定橫傾角的變化規(guī)律和最大橫傾角的變化規(guī)律相似，最大橫傾角為穩(wěn)定橫傾角的1～1.55倍。隨著舵角的增加，穩(wěn)定橫傾角均先增加后減小，在δ=20°～25°時(shí)，穩(wěn)定橫傾角達(dá)到極大值。在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的最大橫傾角比四槳工作時(shí)高21.5%～50.1%，比兩外槳工作時(shí)高35.3%～53.1%；兩內(nèi)槳工作時(shí)的穩(wěn)定橫傾角比四槳工作時(shí)高9.2%～38.1%，比兩外槳工作時(shí)高17.9%～42.9%。當(dāng)自航模進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)后，穩(wěn)定橫傾角

式中:ZG——重心垂向高度;ZH——水動(dòng)力作用點(diǎn)垂向高度。

通過圖5、圖7中3種螺旋槳工作狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑和回轉(zhuǎn)速降的規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了穩(wěn)定橫傾角的變化規(guī)律。

2.2 Z形試驗(yàn)

表2～表4為四槳、兩內(nèi)槳及兩外槳工作時(shí)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨舵角δ的變化情況。

表2為3種螺旋槳工作狀態(tài)下的無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′隨舵角δ的變化情況。由表可知：舵角δ由10°增加到20°，無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′明顯降低；在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的回轉(zhuǎn)性指數(shù)比四槳工作時(shí)高14.2%～14.3%，比兩外槳工作時(shí)高22%～38%。回轉(zhuǎn)性指數(shù)越大說明該工作模式下回轉(zhuǎn)性能越好。

表2 無因次回轉(zhuǎn)性指數(shù)隨舵角δ的變化

表3為3種螺旋槳工作狀態(tài)下的無因次應(yīng)舵指數(shù)T′隨舵角δ的變化情況。由表可知：舵角δ由10°增加到20°，無因次應(yīng)舵指數(shù)T′明顯降低；在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的應(yīng)舵指數(shù)比四槳工作時(shí)低16.7%～17.6%，比兩外槳工作時(shí)低57.3%～61.8%。應(yīng)舵指數(shù)越小則轉(zhuǎn)首時(shí)船對(duì)操舵響應(yīng)越快，則應(yīng)舵性越好。同時(shí)，穩(wěn)定性指數(shù)T越小，則航向穩(wěn)定性越好。

表4為3種螺旋槳工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)首指數(shù)P隨舵角δ的變化情況。由表可知：各工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)首指數(shù)P均比較穩(wěn)定，在相同舵角的條件下，兩內(nèi)槳工作時(shí)的轉(zhuǎn)首指數(shù)比四槳工作時(shí)高36.9%～38.8%，比兩外槳工作時(shí)高219.7%～221.6%。轉(zhuǎn)首指數(shù)越大，船的轉(zhuǎn)首性越好，則船越容易改變航向。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)首指數(shù)僅與舵效及船的搖艏慣性有關(guān)，兩內(nèi)槳工作時(shí)船的舵效較大，速降較小則慣性較大，因此，轉(zhuǎn)首指數(shù)較大。

表3 無因次應(yīng)舵指數(shù)隨舵角δ的變化

表4 無因次轉(zhuǎn)首指數(shù)隨舵角δ的變化

3 結(jié)論

1)同一航速下，兩內(nèi)槳工作時(shí)回轉(zhuǎn)直徑最小，四槳工作時(shí)次之，兩外槳最大；兩內(nèi)槳工作時(shí)回轉(zhuǎn)角速度、穩(wěn)定橫傾角及最大橫傾角最大，四槳工作時(shí)次之，兩外槳最小；兩內(nèi)槳工作時(shí)回轉(zhuǎn)速降系數(shù)最小，兩外槳工作時(shí)次之，四槳最大。

2)同一舵角下，兩內(nèi)槳工作時(shí)回轉(zhuǎn)性指數(shù)和轉(zhuǎn)首指數(shù)最大，四槳工作時(shí)次之，兩外槳最??；兩內(nèi)槳工作時(shí)應(yīng)舵指數(shù)最小，四槳工作時(shí)次之，兩外槳最大。

3)針對(duì)本文研究的航速，3種不同螺旋槳工作模式下，船模的穩(wěn)定橫傾角均在舵角20°～25°時(shí)達(dá)到極大值。

本文通過自航模試驗(yàn)對(duì)比分析了不同螺旋槳工作狀態(tài)時(shí)船舶的操縱性能，以確保各個(gè)狀態(tài)下的安全航行。下一步將采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法對(duì)各螺旋槳工作狀態(tài)時(shí)船體周圍的精細(xì)流場進(jìn)行計(jì)算，以分析產(chǎn)生此種現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，為今后四槳雙舵船的操縱性理論分析和研究奠定基礎(chǔ)。

[1] 楊鹽生，蔣維清，賈傳熒.數(shù)據(jù)庫方法在船舶操縱數(shù)學(xué)模型參數(shù)計(jì)算中的應(yīng)用[C]∥中國造船工程學(xué)會(huì)船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)第六屆船舶操縱學(xué)術(shù)研討會(huì)，大連，1992:228-238.

[2] ARTYSZUK J.A look into Motion Equations of the ESSO OSAKA Maneuvering[J].International Shipbuilding Progress,2003,50(4):297-315.

[3] MOREIRA L,SOARES C G.Dynamic Model of Maneuverability using recursive neural networks[J].Ocean Engineering,2003,30(13):1669-1697.

[4] YOSHIMURA Y, MA N.Manoeuvring Prediction of Fishing Vessels[J].MARSIM’03,2003:RC-29.

[5] KEICHI K,SEIJI O.Predictions of Ship’s Hull Hydrodynamic Forces and Maneuvering Motions at slow Speed based on a Component-type Mathematical Model[J].MARSIM’03,2003:RC-4.

[6] 趙 楊.船舶適航性與操縱性自航模系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[7] 李 立.單槳單舵和單槳雙舵的自航模操縱性試驗(yàn)對(duì)比分析[J].船舶，2004,4(2)：53-56.

[8] HASEGAWA K,KANG D,SANO M,et al.A study on improving the course-keeping ability of a pure car carrier in windy conditions[J].Journal of Marine Science and Technology,2006,11:76-87.

[9] 范尚雍，朱 軍，程智斌.驅(qū)逐艦操縱性預(yù)報(bào)[J].中國造船，1990(1)：1-6.

[10] 莫 建.波浪中船舶六自由度操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[11] 祁宏偉.波浪中船舶六自由度操縱/搖蕩耦合運(yùn)動(dòng)仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[12] 劉 楊.船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真中的水動(dòng)力系數(shù)敏感性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[13] 吳 晗.大型艦船操縱性理論預(yù)報(bào)及視景仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[14] 劉偉明.波浪中船舶六自由度“操縱-搖蕩”耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[15] 徐明彩.大型水面艦船操縱性仿真軟件開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[16] 單鐵兵.四槳雙舵船舶螺旋槳不同工況下水動(dòng)力性能及船體操縱性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

Experimental Study on Influence of Propellers' Operating Modes upon Maneuvering Characteristics for a Quadruple-screw Ship

WANG Hui-ting, BI Yi

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

There are different operating modes of propeller for the quadruple-screw ship, such as operating conditions with four propellers, two inner propellers and two outer propellers. The turning test and zigzag test of a self-propelled model are carried out in the open still water to investigate its maneuvering characteristics under different operating modes. Experimental results show that the dimensionless turning ability index and the yawing index by two inner propellers is greater than that by four propellers which is greater than that by two outer propellers; the dimensionless steering quality index by two inner propellers is lower than that by four propellers which is lower than that by two outer propellers. Therefore, the turning performance, sailing stability and steering quality by the operating mode of two inner propellers are all superior to the other two modes.

quadruple screw vessel; operating modes of propellers; self-propelled model test; maneuverability

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.014

2015-07-22

水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)基金 (9140A14030712JB11044)

王慧婷(1990-)，女，碩士生。

U661.1

A

1671-7953(2015)06-0060-05

修回日期：2015-08-17

研究方向:艦船流體動(dòng)力性能

E-mail:whut_wht@163.com