[发明专利]混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法

权利要求书

1.混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，其特征在于：包括水池试验设备，

所述水池试验设备包括敞水试验设备、阻力试验设备和自航试验设备；

所述敞水试验设备的结构为：包括敞水动力仪(1)，所述敞水动力仪(1)的头部安装有前桨(2)，还包括支撑架(8)，所述支撑架(8)上安装有吊舱天平(5)，所述吊舱天平(5)的顶部安装有伺服电机(6)，所述伺服电机(6)的输出端连接吊舱动力仪(3)，所述支撑架(8)的底部安装有防溅板(10)，所述防溅板(10)的底部安装流线型支柱(7)，流线型支柱(7)的底部安装有端板(9)，所述吊舱动力仪(3)依次穿过支撑架(8)、流线型支柱(7)和端板(9)，并在吊舱动力仪(3)头部安装后桨(4)；

所述阻力试验设备的结构为：包括升降平台(11)，所述升降平台(11)的中部安装有阻力仪(12)，所述阻力仪(12)的底部连接船模(14)，所述船模(14)中部安装有自航仪(13)；

所述自航试验设备的结构为：船模(14)，所述船模(14)的上部安装有吊舱天平(5)，所述吊舱天平(5)的上部安装伺服电机(6)，所述伺服电机(6)的输出端安装吊舱动力仪(3)，所述吊舱动力仪(3)的头部安装后桨(4)，所述船模(14)的内部安装有另外一个伺服电机(6)，所述伺服电机(6)的输出端安装自航仪(13)，所述自航仪(13)的输出端安装前桨(2)；

水池试验方法包括如下步骤：

步骤一：敞水动力仪正装单独前桨敞水试验：针对前桨(2)，敞水动力仪(1)正装，单独测量前桨(2)的敞水性能曲线；

步骤二：敞水动力仪正装单独后桨敞水试验：针对后桨(4)，敞水动力仪(1)正装，单独测量后桨(4)的敞水性能曲线；

步骤三：敞水动力仪反装单独前桨敞水试验：针对前桨(2)，敞水动力仪(1)反装，单独测量前桨(2)的敞水性能曲线；

步骤四：吊舱方案带桨单独敞水试验：针对单独吊舱，开展吊舱敞水试验；

步骤五：混合对转方案敞水试验：针对前桨(2)和后桨(4)混合推进方案，开展多个转速比n_FP/n_AP敞水试验，固定前桨(2)转速，后桨(4)转速随转速比变化；

步骤六：混合对转不带吊舱桨敞水试验：针对前桨(2)且吊舱方案不带桨的推进方案，开展一个转速前桨敞水试验，前桨(2)转速同步骤一。

2.如权利要求1所述的混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，其特征在于：自航试验设备中，前桨(2)和后桨(4)位于同一轴线位置。

3.如权利要求1所述的混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，其特征在于：步骤五中，转速比根据主机参数和推进器负荷分配而定。

4.利用权利要求1所述的混合对转吊舱推进船舶的水池试验的数据分析方法，其特征在于：

a、敞水试验数据处理和表达方式：

在每一个确定的前桨(2)、后桨(4)的转速比n_FP/n_AP，需进行一次完整的敞水试验；敞水试验步骤一和步骤二中用敞水动力仪测得前、后桨转速n_FP、n_AP，前桨(2)、后桨(4)的推力T_FP、T_AP及扭矩Q_FP、Q_AP，敞水试验步骤四中用盒式天平测得吊舱推力T_AP和吊舱包阻力R_U，吊舱单元有效推力：

T_U＝T_AP-R_U……………………………………(1)

式中：

Tu为：吊舱单元有效推力；

T_AP为：吊舱推力；

R_U为：吊舱包阻力；

把混合对转吊舱推进系统看做一个整体，并以前桨(2)直径、转速进行无量纲化，混合对转吊舱推进系统的进速系数的计算方法如下：

式中：

J_sys为：对转吊舱推进系统敞水进速系数；

w为：伴流分数；

V_A为：进速，单位m/s；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

伴流分数w通过敞水试验方案中的步骤一、步骤三、步骤六获得，

式中：

J_normal是自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤一的敞水结果中对应的进速系数，J_reverse是把自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤三的敞水结果中对应的进速系数；

混合对转吊舱推进系统总推力系数、扭矩系数和敞水效率计算方法如下：

上式中下标SYS代表混合对转吊舱推进系统，下标FP代表前桨，AP代表后桨，U代表吊舱单元，下同；

式中：

K_{T_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水推力系数；

T_FP为：前桨推力，单位N；

Tu为：吊舱单元有效推力；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

K_{Q_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水扭矩系数；

Q_FP为：前桨扭矩，单位Nm；

n_AP为：后桨转速，单位r/s；

Q_AP为：后桨扭矩，单位Nm；

η_{0_SYS}为：对转吊舱推进系统敞水效率；

实桨修正采用ITTC推荐的敞水修正方法进行修正，即：前桨(2)通过ITTC1978常规方法进行修正；后桨通过《Podded Propulsion Tests and Extrapolation》.ITTC 7.5-02-03-01.3进行修正，具体如下：

吊舱推进器单元的尺度效应修正包括两部分，桨叶的修正和吊舱包的阻力修正：

K_TUS＝K_TUm-ΔK_T+ΔK_TU……………………(7)

K_QS＝K_Qm-ΔK_Q……………………………(8)

式中：

K_TUm、K_TUS为：吊舱单元模型和实物有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值；

ΔK_T、ΔK_Q为：推力系数和扭矩系数的修正量；

ΔK_TU为：吊舱包阻力对单元推力的修正量；

K_Qm、K_QS为：后桨模型和实物的扭矩系数；

式中：ΔK_T和ΔK_Q可通过CB/T 816-2019《螺旋桨模型敞水试验方法》计算得到，K_TUm为吊舱单元有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值，ΔK_TU为吊舱的阻力对单元推力的修正值：

其中为尺度因子，通常取0.75。

式中：

D_AP为：后桨直径，单位m；

ρ_m为：模型试验水池的水密度，单位kg/m³；

n_m为：后桨转速，单位r/s；

为：后桨吊舱包摩擦力修正量，单位N；

S_m为：吊舱单元的湿表面积，单位m²；

V_m为：吊舱单元敞水时的进速，单位m/s；

C_Tm为：吊舱单元阻力系数；

C_Ts为：吊舱单元对应实物阻力系数；

α为：尺度因子；

因而前桨实桨推力为：

式中：

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

K_{Tm_FP}为：前桨推力系数；

ΔK_{T_FP}为：前桨推力系数修正量；

吊舱实桨推力为：

式中：

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ΔK_{T_AP}为：后桨推力系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨推力系数：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

前桨实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_FP}为：前桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_FP}为：前桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_FP}为：前桨扭矩修正量；

吊舱实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_AP}为：后桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_AP}为：后桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_AP}为：后桨扭矩系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨扭矩系数：

式中：

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

上式中S下标代表实桨，m下标代表模型，下同；

同理完成其他预定转速比对应的敞水试验，并进行试验数据处理及实桨换算；

b.阻力试验数据处理和表达方式；

采用二因次的傅汝德法进行换算，船模测得的阻力R_Tm分成摩擦阻力和剩余阻力两部分，剩余阻力系数C_R为：

其中：

R_Tm为船模测得的阻力，

ρ_m为水的质量密度，

V_m为船模拖曳速度，

S_m为船模的湿表面积，

C_Fm为船模的摩擦阻力系数；

摩擦阻力系数采用ITTC1957公式：

式中：Re为雷诺数

其中V为船的速度，L_WL为船的水线长，ν为水的运动粘性系数，并认为实船和船模的剩余阻力系数一样，即实船的阻力为：

式中：

R_TS为：实船阻力，单位N；

C_TS为：实船阻力系数；

ρ_S为：海水密度，单位kg/m³；

V_S为：实船航行速度，单位m/s；

S_S为：实船光体湿表面积，单位m²；

S_WBK为：实船湿表面积，单位m²；

C_A为：实船换算补贴系数；

C_AA为：实船空气阻力补贴系数；

其中，C_FS按实船的速度、水线长和15℃海水的运动粘性系数采用(18)式计算得到，ρ_S、V_S和S_S分别为15℃海水的质量密度、实船的速度和实船的湿表面积，S_WBK为实船舭龙骨面积，C_A为实船换算补贴系数，C_AA为实船空气阻力补贴系数，

则实船的有效功率为：

P_E＝R_TSV_S………………………………………(22)

式中：

P_E为：实船航行所需有效功率，单位W；

c.自航试验数据处理和表达方式

自航试验过程亦包括对应数量的转速比n_FP/n_AP，每一个转速比n_FP/n_AP对应一套自航结果，且该转速比的自航结果与敞水试验试验结果对应,

强制力应当包括船体阻力的尺度效应修正量和吊舱包阻力的尺度修正量：

其中，计算方法见公式(10)，船体阻力的尺度效应修正量：

式中：

为：船体摩擦阻力修正量，单位N；

模型的推力减额分数与实船的推力减额分数：

式中：

t_m为：模型推力减额；

T_Um为：吊舱模型推力(后桨推力)，单位N；

T_FP为：前桨模型推力，单位N；

R_Tm为：模型对应车速下阻力，单位N；

t_S为：实船推力减额；

伴流分数修正

式中：

w_S为：实船伴流分数；

w_m为：模型伴流分数；

C_FS为：实船船长摩擦阻力系数；

C_Fm为：模型船厂摩擦阻力系数；

相对旋转效率η_R不做修正；

d.航速预报及前后桨功率计算：

与敞水试验及自航试验类似的情况，航速预报对应的结果亦是一个转速比n_FP/n_AP对应一套航速及功率预报的结果，自航结果的外推方法如下：

推进系统负载：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

J_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物进速系数；

D_{S_FP}为：前桨实桨直径，单位m；

前桨转速：

推进系统推力：

式中：

T_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物总推力，单位N；

n_{S_FP}为：前桨实桨转速，单位r/s；

推进系统收到功率：

式中：

P_{DS_SYS}为：实船航行所需有效功率，单位W；

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

η_R为：相对旋转效率；

总推进效率：

式中：

η_{D_SYS}为：航行有效功率

前桨负载：

式中：

K_{TS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨推力系数；

J_{S_FP}为：对转吊舱推进系统前桨进速系数；

前桨推力：

前桨收到功率：

式中：

P_{DS_FP}为：前桨所需有效功率，单位W；

K_{QS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨扭矩系数；

吊舱单元负载：

式中：

K_TSU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力系数；

J_{S_AP}为：对转吊舱推进系统后桨进速系数；

T_SU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力；

吊舱单元转速：

吊舱单元推力：

吊舱单元收到功率：

式中：

K_{QS_AP}为：对转吊舱推进系统后桨实桨扭矩系数。