徐帥陵，葉紀超，侯 方

（中石化石油工程設計有限公司，山東東營 257000）

0 引言

自升式海洋平臺的優(yōu)點主要是所需要的鋼材少，造價低，在各種海況下都能平穩(wěn)作業(yè)，根據(jù)其移動方式可分為自航、助航和非自航。自升式勘察平臺在完成一個站點預定工作后，將收起樁靴遷航至下一個工作點。由于定位準確、工作效率高，具有自航能力的自升式勘察平臺在海洋工程勘察領(lǐng)域越來越具有優(yōu)勢[1-3]。早在20 世紀70年代，我國開始在半潛式鉆井平臺上安裝推進器，以方便平臺的拖航和定位。從1973年后，我國建造的平臺大多都具有自航功能[4]。可見自航式勘察平臺逐漸發(fā)展為一種潮流趨勢。

自航式勘察平臺是結(jié)合一般自升式平臺與自航式勘察船的優(yōu)點，在移動時不需要拖航，可單獨完成海上作業(yè)任務，效率高。但自升式勘察平臺在自航過程中，安裝于平臺后面的螺旋槳與平臺之間會彼此影響附近的水流速度場和壓力場，而且這種影響非常復雜，迄今還不能用理論計算方法求得。因此，模型試驗是主要的研究手段之一。船模自航試驗是分析研究各種推進效率成分的重要手段，其能夠預報自航因子，預估實船的快速性和判斷螺旋槳與主機、船體之間配合的是否良好。雖然船模自航試驗的要求較高，但它得到的試驗數(shù)據(jù)對后續(xù)推算船模主機功率等具有重要的意義[5]。國內(nèi)對船舶自航試驗方面的研究工作開展較多。劉洋等[6]為了解決潛艇自航模型制作過程中系統(tǒng)設備布局問題，保證重心位置準確，設計了一種復雜結(jié)構(gòu)體，保證了船模內(nèi)部構(gòu)建測量問題，運用ISIGHT 數(shù)據(jù)優(yōu)化軟件消除工裝誤差影響，使自航試驗能夠更加準確地反應實艇的操縱性能。楊素軍等[7]通過優(yōu)化設計自航模型操縱系統(tǒng)來完成多種操縱性試驗。尚留賓等[8]為某型潛艇自航模型設計一套在試驗中可對水中目標進行監(jiān)測、實時采集、實時處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，使得潛艇在自航的過程中能夠精準定位。依照目前的研究水平，船模自航試驗仍然是研究船體和螺旋槳之間相互作用的最好方法[9-11]。船模試驗主要是在試驗水池內(nèi)進行，通過試驗，即選擇快速性較好的船型與設計配合船型的最佳的推進器，在船模拖曳水池中進行自航試驗，可以對船舶在航行中所發(fā)生的物理過程有更加深刻的了解[12]。但針對具有自航能力的平臺開展自航試驗的研究較少。

本文為更好地研究帶自航能力自升式平臺船體與螺旋槳的配合情況，準確估算實際平臺總主機功率，針對目標平臺的縮尺比模型開展不同航速下的自航試驗。試驗測得不同航速狀態(tài)下螺旋槳推力與平臺航行阻力相等的點，即平臺的自航點，同時記錄下對應的推進器電機功率，然后再換算得到實際平臺的推進器主機功率，為實際平臺推進器主機功率的選擇提供依據(jù)。

1 自航試驗概況

1.1 試驗方案

以自升式勘察平臺為研究對象，在江蘇科技大學船模拖曳水池中開展縮尺比模型試驗。根據(jù)水池的長度、拖車的速度范圍確定平臺模型的縮尺比為1∶25。

模型與實際平臺各個物理量之間的對應關(guān)系見表1。

表1 平臺主尺度表

在平臺縮尺比模型安裝上動力裝置，包括螺旋槳、電機和電池等。通過測量縮尺比平臺模型某一速度穩(wěn)定航行時，螺旋槳模型發(fā)出的推力恰好克服阻力的點稱為自航點，也就是螺旋槳發(fā)出的推力，克服船的總阻力。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，各種力之間都存在縮尺比3 次方的關(guān)系。確定自航點的目的是為了計算出達到自航點所需的主機功率，進而推算實際平臺若想達到設計航速所需的主機功率。根據(jù)自航試驗的結(jié)果對實際平臺推進性能進行預報。

基于上述原理，結(jié)合江蘇科技大學拖曳水池的試驗條件確定本項目的自航拖曳試驗方案。本自航拖曳試驗方案是利用拖車將模型穩(wěn)定在目標航速，通過調(diào)節(jié)船模推進器功率大小，最終實現(xiàn)拖曳繩上的拉力恰好為0，以此獲取推進器的功率。

同時，在設計航速的附近增加2 個自航試驗工況，即試驗中分別選取0.35 m/s、0.41 m/s、0.45 m/s等3 個模型速度來進行自航試驗。

1.2 試驗目的

自航試驗是在阻力試驗之后，是測定螺旋槳在尾部工作的航行性能，以此可檢驗該平臺模型、主機和螺旋槳之間的配合情況。一般情況下，自航試驗主要解決以下問題：

1）分析研究各種推進效率成份，研究槳、船兩者的相互作用，從而為螺旋槳的設計提供依據(jù)，或從若干船體與螺旋槳的組合方案中選最優(yōu)方案。

2）預報實船性能。即通過試驗給出主機功率、轉(zhuǎn)速和船速之間的關(guān)系，得出實船的航速預報。

3）判斷螺旋槳、主機、船體之間配合是否良好。

本次自航試驗通過螺旋槳推動平臺，找到螺旋槳推力與平臺航行時阻力相等的點即為自航點，并推算出實際平臺達到自航點設計航速所需的主機功率。

1.3 試驗裝置

本試驗在江蘇科技大學船模拖曳水池中進行，船模拖曳水池全長100 m，寬度6 m，最大水深2 m，最小水深0.3 m。軌道全長100 m，中央測橋可以向左側(cè)池壁移動，能上下升降，行程1.5 m，可用于完成淺水和狹窄航道試驗。拖車最高車速6.00 m/s，最低車速0.03 m/s，穩(wěn)速走車距離大于40 m，波動誤差1‰。水池頂端裝有推板式造波機，模擬規(guī)則波以及單向不規(guī)則波，頻率0.2～1.6 Hz，最大波高0.3 m。

自航試驗模型是在阻力試驗模型的基礎上在模型尾部對稱安裝2 個螺旋槳，模型內(nèi)部安裝電機，其余裝置與阻力試驗相同，通過螺旋槳推力帶動模型前進。拖曳水池及自航試驗裝置具體情況見圖1～圖5。船模配套的推進器參數(shù)見表2。

圖1 江蘇科技大學拖曳水池

圖2 螺旋槳整體圖

圖3 螺旋槳實物圖和平面圖

圖4 自航試驗模型

表2 平臺模型配備的推進器參數(shù)選型

1.4 試驗相似定律

在模型阻力試驗時，需要滿足弗勞德數(shù)Fr相同的條件，即

式中：下標s 和m 分別代表實際值和模型值；g為重力加速度；Ls為實際平臺水線長；Lm為模型水線長；Vs為實際平臺的航行速率；Vm為模型的航行速率。

在模型自航試驗時，模型和實際平臺的Fr要相同，螺旋槳的進速系數(shù)也要相同，即

式（2）～式（4）中：λ為實際平臺與模型的比例；nm為模型螺旋槳的轉(zhuǎn)速；ns為實際平臺螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

1.5 試驗步驟

1）準確稱重模型質(zhì)量及壓鐵質(zhì)量，以達到按照模型縮尺比要求實平臺相應的排水量。

2）將已備好的裝有螺旋槳的試驗模型放在水中。

3）將模型安裝在拖車上，應使其縱中剖面與前進方向一致，拖力作用線應位于縱中剖面內(nèi)，其作用點在水線面附近的位置上保持水平，將所有儀器連接好，檢查無誤時，開啟所有儀器，將模型置于自由狀態(tài)，對測量系統(tǒng)進行平衡，然后清零，等待試驗。

4）選定3 個模型速度（平臺設計航速包括在內(nèi)），分別按選定的速度啟動拖車，同時啟動螺旋槳，通過遙控裝置改變螺旋槳功率來保證在此航行速度下模型與拖車勻速前進，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)找到阻力為零的點并記錄下該點螺旋槳所消耗的功率。

2 試驗結(jié)果分析

在試驗過程中，航速0.35 m/s 工況經(jīng)過4 組試驗找到了自航點；航速0.41 m/s 工況經(jīng)過5 組試驗找到了自航點；航速0.45 m/s 工況經(jīng)過3 組試驗找到了自航點。

自航試驗所測得的數(shù)據(jù)以及換算到實際平臺的主機功率值分別見表3～表5。

表3 試驗數(shù)據(jù)

表4 模型電機功率數(shù)據(jù)標定表

表5 平臺功率數(shù)據(jù)

考慮到模型縮放比例為25，根據(jù)相似準則，拖曳模型符合Fr相等。

此外，因模型試驗螺旋槳與實船使用的螺旋槳在槳型上有差別，因此推進效率上有較多差距，在計算時需要提供修正系數(shù)k（模型推進效率/實船推進效率）。本模型螺旋槳的推進效率為0.25，船用螺旋槳推進效率一般為0.50，因此，修正系數(shù)k=0.50。

計算實際平臺主機的有效功率公式為

式中：Ps為實際平臺的主機功率；Pm為縮尺比模型的主機功率。

表4 數(shù)據(jù)為單個主機的功率，平臺裝有2 臺推進器。設計航速4 kn時，實際平臺主機總功率為472 kW；設計航速3.4 kn 時，實際平臺主機總功率為328 kW；設計航速4.38 kn時，實際平臺主機總功率為698 kW。

3 結(jié)論

通過開展縮尺比平臺模型的自航試驗，測得不同航速下螺旋槳推力與平臺阻力相等的自航點，進一步計算出實際平臺的主機功率。通過研究得出以下結(jié)論：

1）模型試驗中螺旋槳與實船使用的螺旋槳在槳型上有差別，其推進效率上存在一定誤差，因此在計算實際總功率時需要提供修正系數(shù)k，本模型的修正系數(shù)k=0.5。

2）針對本目標平臺進行了不同航速的自航試驗，最終得出在各航速下實際平臺所需的主機總功率。設計航速4 kn時，實際平臺主機總功率為472 kW。

3）通過自航試驗可以獲得模型在設計航速下的主機功率，從而推算出實際平臺的主機功率，為自升式勘察平臺的設計和建造提供了依據(jù)。