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        鉆井平臺傾角全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器優(yōu)勢概述

        2018-05-16 09:45:18程偉俊蔣愛國朱征宇
        船舶與海洋工程 2018年2期

        程偉俊,蔣愛國,朱征宇,張 磊

        (中海油田服務(wù)股份有限公司,河北 燕郊 065201)

        0 引 言

        隨著深海石油和天然氣勘探活動日益頻繁,作業(yè)水深不斷增加,海洋鉆井平臺在某些海域遭遇惡劣氣候狀況的概率逐漸增大,作業(yè)難度不斷提高;同時,有關(guān)其航行性能、操縱性能及定位系統(tǒng)的要求日益嚴(yán)苛。因此,需實現(xiàn)鉆井平臺推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)突破,優(yōu)化其推進(jìn)性能、提升其推進(jìn)效率,同時,必須兼顧平臺操縱的靈活性。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)是一種推進(jìn)與操控合一,可提供任意方向推力的全方向推進(jìn)裝置,是滿足鉆井平臺動力定位特殊要求的推進(jìn)與操控合一的動力系統(tǒng)[1]。

        全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的軸是豎向立軸,螺旋槳可繞軸線作360°的回轉(zhuǎn),可在任意方向上獲得最大推力;鉆井平臺能實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、急速后退和在微速范圍內(nèi)操舵等特殊操縱。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器憑借自身可觀的推進(jìn)效率、優(yōu)良的操縱性能及便捷的安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),受到業(yè)內(nèi)相關(guān)人員的廣泛關(guān)注。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已成為船舶與海洋鉆井平臺動力定位依賴的重要裝備。

        1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器研究現(xiàn)狀

        肖爾特公司是較早開始生產(chǎn)全回轉(zhuǎn)螺旋槳的廠家,其主要產(chǎn)品有Z型回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和Z型雙槳全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,其中Z型雙槳全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器SPR對船舶的舵槳系統(tǒng)進(jìn)行了性能優(yōu)化,可提升20%的推進(jìn)效率[2]。羅羅公司開發(fā)的 Azipull全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器具有流線型附體,利用單機(jī)低速齒輪傳動,采用牽引式螺旋槳,將其應(yīng)用到海洋供給船上,對提高船舶的推進(jìn)效率有很大作用[3]。

        然而,隨著研究的不斷深入,推力系統(tǒng)的水力干擾問題成為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)推力設(shè)計中需重點(diǎn)考慮的問題。在船體底部工作的推進(jìn)器與船體和附近推進(jìn)器之間會產(chǎn)生復(fù)雜的相互干擾。目前尚無較為完善的理論方法來精確計算這些干擾,大多數(shù)預(yù)測還是通過基于模型試驗的半經(jīng)驗方法進(jìn)行。

        LEHN[3]和MOBERG等[4]等對2個螺旋槳呈前后布置的形式進(jìn)行試驗,結(jié)果表明,2個螺旋槳距離越近,干擾問題越嚴(yán)重,船舶尾流會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)對下游螺旋槳產(chǎn)生影響,在16倍直徑距離處推力損失仍在25%左右[4]。

        由于船體形式和推進(jìn)器方向有很多種,螺旋槳與船體之間的干擾問題較為復(fù)雜。在實際設(shè)計中,需考慮的干擾形式有以下幾種。

        (1) 摩擦力:當(dāng)在平坦的船體底部安裝推進(jìn)器時,推進(jìn)器尾流將緊貼船底板,產(chǎn)生與推力方向相反的摩擦力,導(dǎo)致推力衰減,衰減幅度為 20%~25%;當(dāng)在船體端部安裝推進(jìn)器時,尾流在沿著船體流向另一端的過程中會產(chǎn)生很大的摩擦力。

        (2) 柯安達(dá)效應(yīng):當(dāng)船體表面(如舭部連接處)為曲面時,螺旋槳尾流沿著曲面擴(kuò)散,在曲面附近形成低壓區(qū)域,造成壓差阻力,從而抵消部分推力。NIENHUIS[5]曾用不同形式的舭部和舭部半徑進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:舭部半徑越大,推力器距離舭部越遠(yuǎn),則柯安達(dá)效應(yīng)越強(qiáng),壓差阻力越大,推力衰減可達(dá)到15%。

        (3) 雙浮體的影響:ENGLISH[6]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺旋槳安裝在非??拷教沟拇w底部且距離大半徑艙部較遠(yuǎn)時,尾流跡線偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)29°,大大超過開放水域中的尾流擴(kuò)散角8°~10°。這會對雙浮箱半潛式平臺造成相當(dāng)大的影響,因為向上偏轉(zhuǎn)的尾流會直接沖擊到另一個浮箱,導(dǎo)致總推力損失。NIENHUIS[5]曾測量另一個浮箱受到的力為螺旋槳推力的8%~12%。

        經(jīng)過近幾年的研究,大部分相關(guān)學(xué)者及公司都得到相同的結(jié)論,即:當(dāng)上游螺旋槳改變角度或增加距離時,可減小其尾流對下游螺旋槳直接而強(qiáng)烈的沖擊,同時可減少推進(jìn)器尾流與船體間的相互干擾,且干擾問題能得到改善。NIENHUIS[5]和LEHN[3]的試驗結(jié)果都證明了這一點(diǎn),其對不同的角度和不同的距離進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果一致,改變角度能大大改善推力損失狀況,特別是當(dāng)兩槳之間的距離較大時,在 10°范圍內(nèi)的角度調(diào)整對避免干擾非常有效。

        2 傾角推進(jìn)器性能

        瓦錫蘭公司制造出一種新的推進(jìn)器,使得動力定位裝置的性能得到進(jìn)一步提高。在設(shè)計過程中,不僅優(yōu)化單個推進(jìn)器在開放水域的動態(tài)性能,還分析完整的船舶推進(jìn)性能?;谠撛O(shè)計制造推進(jìn)器螺旋槳軸向下傾斜8°的推進(jìn)器。圖1為直角推進(jìn)器和傾角推進(jìn)器直觀圖。本文基于瓦錫蘭公司的8°傾角推進(jìn)器進(jìn)行性能分析。

        圖1 直角推進(jìn)器與傾角推進(jìn)器直觀圖

        2.1 傾角推進(jìn)器在鉆井平臺航行時的性能

        對于鉆井平臺或鉆井船而言,航行是其重要的操作工況。圖2給出BULTEN等[7]通過數(shù)值模擬得到的直角推進(jìn)器和傾角推進(jìn)器水力學(xué)分析及模型試驗的流線圖。從圖2中可看出,艉部流線的差異是顯而易見的,在鉆井平臺或鉆井船航行期間,直角推進(jìn)器的推力衰減系數(shù)約為 0.22,而 8°傾角推進(jìn)器的衰減系數(shù)僅為0.01,這很好地解釋了為何圖2中傾角推進(jìn)器的尾流沒有與船底發(fā)生任何接觸。

        2.2 傾角推進(jìn)器與船體的作用

        推進(jìn)器與船體相互作用的流線圖見圖3和圖4。圖3為推進(jìn)器與船體沿平坦的船體表面相互作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的直角推進(jìn)器在相同距離處下游的流線與船底板之間產(chǎn)生相互作用。在虛線標(biāo)示區(qū)域,由于與船體的相互作用,流線發(fā)生偏轉(zhuǎn),這將導(dǎo)致沿船體的流速加快,因此摩擦損失增加。傾角推進(jìn)器的流線充分向下偏轉(zhuǎn)避免與平的船底板相互作用。對于給定的船體長度,傾角推進(jìn)器的推力衰減在5%左右;直角推進(jìn)器的推力損失在20%左右。

        圖2 航行時2種推進(jìn)器對比

        圖4中的流線指示半潛式鉆井平臺推進(jìn)器側(cè)推的方向。傳統(tǒng)的直角推進(jìn)器的尾流與第二浮箱相互作用,可通過流線的偏轉(zhuǎn)及船體表面增加的側(cè)壓力清晰地判斷。傾角推進(jìn)器的尾流向下偏轉(zhuǎn),因而沒有觀察到其與第二浮箱有明顯的相互作用。直角推進(jìn)器的推力衰減系數(shù)約為50%,而傾角推進(jìn)器僅<5%。

        流線可用來估算螺旋槳推出的水流的偏轉(zhuǎn)量和尾流的擴(kuò)大角度。常規(guī)的直角推進(jìn)器的尾流與水平軸線成一條直線與預(yù)期是一致的。但是,8°傾角推進(jìn)器產(chǎn)生的有效推力軸線只向下偏轉(zhuǎn)5°,相對于軸線有明顯的角度減小。尾流在2種情況相對于軸線的擴(kuò)大角度都大約為4°。5°的有效推力軸線結(jié)合4°的尾流擴(kuò)展角直接導(dǎo)致尾流最小向下偏轉(zhuǎn)1°。傾角推進(jìn)器推出的水流向下偏轉(zhuǎn)限制在1°,因此不會對浮箱產(chǎn)生明顯的干擾?;谠摲椒傻贸鰞A斜角度<8°的推進(jìn)器會與船體產(chǎn)生一定的相互作用的結(jié)論。該結(jié)論與其他出版物中提出的研究結(jié)果相同[8,9]。

        圖3 推進(jìn)器與船底板的相互作用示意

        圖4 推進(jìn)器與浮箱相互作用示意

        2.3 傾角推進(jìn)器之間的作用

        推進(jìn)器與推進(jìn)器之間相互作用的分析比推進(jìn)器與船體之間相互作用的分析更為復(fù)雜。對于推進(jìn)器之間的相互作用來說,2個推進(jìn)器之間的距離和上游推進(jìn)器的轉(zhuǎn)動角度都是重要的參數(shù)。2個推進(jìn)器之間的相互作用可通過上游推進(jìn)器的流管圖顯現(xiàn)。圖5為推進(jìn)器與推進(jìn)器相互作用示意,2個推進(jìn)器都為5°操作角。理論上已知的是在7倍螺旋槳直徑距離內(nèi),禁區(qū)大概為16.8°。因此,在5°操作角情況下,推進(jìn)器不可避免地會發(fā)生相互干擾。

        圖5 推進(jìn)器與推進(jìn)器相互作用示意

        從圖5中可明顯看出,直角推進(jìn)器之間的相互干擾很明顯。上游推進(jìn)器的圓形部分被吸入到下游推進(jìn)器。雖然仍在5°的操作角上,但傾角推進(jìn)器間的相互干擾小得多。下游推進(jìn)器的流管圖形變得更圓,直接導(dǎo)致傾角推進(jìn)器比直角推進(jìn)器的禁區(qū)小。

        2.4 確定禁區(qū)

        以8個推進(jìn)器的半潛式平臺為例,在任意2個推進(jìn)器成直線的方向上將發(fā)生干擾,當(dāng)直角推進(jìn)器在側(cè)方向上產(chǎn)生推力時,推力損失約有50%。推力損失是由推進(jìn)器與推進(jìn)器的相互作用產(chǎn)生的。禁區(qū)可基于推進(jìn)類型及推進(jìn)器的距離計算得出。

        對于傾角推進(jìn)器來說,唯一的推力損失來源于部分情況下推進(jìn)器的相互干擾,在所有工況下,最大的推力損失僅有5%。圖6為推進(jìn)器在不同操作角下的推力損失。

        圖6 推進(jìn)器在不同操作角下的推力損失

        2.5 推進(jìn)器的定位能力

        為進(jìn)一步估算獨(dú)立的推進(jìn)器在目標(biāo)方向上的有效推力,建立一個簡單的數(shù)值模型,每個推進(jìn)器都被定位在目標(biāo)推力方向上。此外,對每個推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向角都進(jìn)行評估,避免所有的禁區(qū)。假設(shè)有一個推進(jìn)器單元被放置在禁區(qū)內(nèi),通過調(diào)整操作角來避免禁區(qū)。

        基于該模型,可確定8個推進(jìn)器在滿功率情況下的可用推力。8個推進(jìn)器在要求的方向上的總推力與總的可用系柱拉力正?;?。

        直角推進(jìn)器與傾角推進(jìn)器之間的差異可通過不同的方式進(jìn)行評估。圖7用2種方法來呈現(xiàn)差異。圖7a)中繪制有2個極坐標(biāo)圖。由圖7a)可知,直角推進(jìn)器只覆蓋傾角推進(jìn)器的一部分。為更詳細(xì)地量化傾角推進(jìn)器與直角推進(jìn)器的差異,給出圖 7b)。圖 7b)中:上部虛線顯示的是傾角推進(jìn)器在側(cè)方向上操作(90°或270°)時的最大推力增益約為35%;下部虛線顯示的傾斜推進(jìn)器向前的推力增益,約為9%;在360°方向上的可用推力的平均增加量約為19%。

        圖7 傾角推進(jìn)器優(yōu)勢對比

        3 結(jié) 語

        通過分析,得到以下結(jié)論:

        (1) 由導(dǎo)流罩噴出的流線圖可直觀地發(fā)現(xiàn),8°傾角推進(jìn)器可有效避免與船底及浮箱的之間的相互干擾和推進(jìn)器與推進(jìn)器之間的相互干擾,有效增加平臺的定位能力。

        (2) 分析推進(jìn)器尾流與船體及浮箱的相互作用,傾角推進(jìn)器可有效減小與船底板的摩擦;分析傾角推進(jìn)器傾角的選擇依據(jù),8°傾角推進(jìn)器的尾流軸線只有5°,而尾流擴(kuò)散角度為4°,因此可避免尾流與浮箱的相互干擾。

        (3) 對比分析傾角推進(jìn)器與直角推進(jìn)器的禁區(qū),傾角推進(jìn)器的推力平均比直角推進(jìn)器增加19%左右。

        (4) 傾角推進(jìn)器對比直角推進(jìn)器具有更獨(dú)特的優(yōu)勢,后期將在鉆井平臺傾角推進(jìn)器及直角推進(jìn)器經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行信息收集和對比研究。

        【 參 考 文 獻(xiàn) 】

        [1] 郁玉峰,梅斌賢,徐高峰,等.大功率海工可調(diào)螺距全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)[J].中外船舶科技,2015 (4): 20-23.

        [2] 王培生.全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水動力性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007: 4-8.

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        [4] MOBERG S, HELLSTR?M A.Dynamic Positioning of a Four-Column Semi-Submersible-Model Tests of Interaction Forces and A Philosophy about Optimum Strategy when Operating the thrusters.[C]//Proceedings of the Second International Symposium on Ocean Engineering and Ship Handling, pp443-480,March 1-3, 1983.Gothenburg, Sweden.

        [5] NIENHUIS U.Analysis of Thruster Effectivity for Dynamic Positioning and Low Speed Manoeuvring[D].Dissertation of Technical University Delft, 1992.

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