船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)-自航試驗(yàn)指導(dǎo)書

1、華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室430074湖北省武漢市洪山區(qū)珞喻路1037號(hào) Tel：02787543358 Fax：02787542946船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)自航試驗(yàn)指導(dǎo)書華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室2015 年 5月20日19目錄0、前言11、船模制作12、儀器安裝及操作12.1 電測(cè)阻力儀12.2 自航儀93、自航試驗(yàn)操作144、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理165、實(shí)船性能預(yù)報(bào)17圖目錄圖1 拉力傳感器2圖2 放大器背面接口3圖3 放大器正面4圖4 8HZ采集程序圖標(biāo)5圖5 8HZ自航雙槳6圖6 8HZ系統(tǒng)設(shè)定7圖7 8HZ數(shù)據(jù)采集8圖8 8HZ數(shù)據(jù)處理9圖9 自

2、航儀10圖10 電機(jī)11圖11 電機(jī)操作柜12圖12 轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀13圖13 WD990 微機(jī)電源14圖14 自航試驗(yàn)曲線16表目錄表1 拉力傳感器規(guī)格表4表2 自航儀規(guī)格表90、前言自航試驗(yàn)有以下主要目的：（1） 分析和研究各種效率成分，研究槳、船兩者的相互作用；（2） 預(yù)報(bào)實(shí)船性能。即通過試驗(yàn)給出主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和船速之間的關(guān)系，得出實(shí)船的航速預(yù)報(bào)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的船舶是否滿足任務(wù)；（3） 判斷螺旋槳、主機(jī)、船體之間的配合是否良好。我們所采用的自航方法為強(qiáng)迫自航法,又稱英國(guó)法.有關(guān)自航的詳細(xì)理論請(qǐng)參考船舶性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)（第五章），俞湘三等主編，上海交通大學(xué)出版社。1、船模制作船模的制作和裝載狀態(tài)的

3、調(diào)整都和阻力試驗(yàn)是一樣的，此處就不在贅述。2、儀器安裝及操作2.1 電測(cè)阻力儀電測(cè)阻力儀主要是用來測(cè)量強(qiáng)制力Z。本系統(tǒng)主要由硬件，軟件兩部分組成：硬件：它是由多組十六路信號(hào)放大處理器、采集卡、計(jì)算機(jī)組成。原理方框圖如下:拉力傳感器信號(hào)放大處理器采集卡計(jì)算機(jī) 信號(hào)放大處理器主要技術(shù)指標(biāo)：采樣通道 ： 16路輸入阻抗 ： >2M零點(diǎn)漂移 ： 0.05% 精 度 ： 0.05%D/A轉(zhuǎn)換板： 12位 精度 0.015%具體操作過程如下:首先,拉力傳感器固定在機(jī)械阻力臺(tái)上，如圖1所示圖1 拉力傳感器拉力傳感器，一頭由數(shù)據(jù)線連接，到拖車操作室接到放大器背后的接口處，放大器型號(hào)為:HG-98 多功能

4、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖2和圖3所示圖2 放大器背面接口圖3 放大器正面選擇通道，如CH5，然后放大器通過采集卡與計(jì)算機(jī)（靠門口那臺(tái)）相連。此外，拉力傳感器的另一頭有鋼絲連接，與拖曳船模的鋼絲相連接。拉力傳感器規(guī)格如下表1所示表1 拉力傳感器規(guī)格表類別量程系數(shù)電壓拉力傳感器10Kg30.56v25Kg33.312v50Kg66.612v100Kg13512v150Kg211.512v500Kg115012v1000Kg152710v軟件：采用VB語(yǔ)言編程，主要由窗體模塊及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)分析模塊組成。軟件流程圖如下：數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理具體操作過程如下：數(shù)據(jù)采集程序在電腦桌面上名為8HZ，如圖4

5、所示。圖4 8HZ采集程序圖標(biāo)雙擊桌面圖標(biāo)8HZ，進(jìn)入程序。此時(shí)，一定要等程序自檢的進(jìn)度條讀出一段后，再點(diǎn)擊忽略。然后點(diǎn)擊“自航試驗(yàn)”，選擇“雙槳”，如圖5所示。圖5 8HZ自航雙槳進(jìn)去之后，選擇系統(tǒng)設(shè)定，如圖6所示。此處，我們拉力傳感器規(guī)格為25Kg，接的是CH2，所以在在通道二中更改，系數(shù)可以在表1中找到。由于25Kg需要的電壓為12V，所以在圖3放大器正面中，調(diào)整CH2通道的電壓為12V。系統(tǒng)設(shè)定中的電壓為5V，不用調(diào)整。以雙槳自航為例，我們需要在放大器中設(shè)置5個(gè)通道，分別測(cè)量強(qiáng)制力Z，左槳推力T左、扭矩Q左和右槳推力T右、扭矩Q右。拉力傳感器和自航儀的電壓和系數(shù)的設(shè)置，請(qǐng)參照表1和表2

6、.圖6 8HZ系統(tǒng)設(shè)定然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，如圖所示。在拖車開動(dòng)之前，要對(duì)拉力傳感儀進(jìn)行調(diào)零。即在水池水面平穩(wěn)狀態(tài)下，鋼絲處于松弛狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)定里面的 調(diào)零保存，使該通道的工程值基本在0附近飄動(dòng)。具體采集過程，見3 自航試驗(yàn)操作。圖7 8HZ數(shù)據(jù)采集圖8 8HZ數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理，和阻力部分一樣，仍打開對(duì)應(yīng)的文件名，然后拉取較平穩(wěn)的一部分，然后讀數(shù)記錄。2.2 自航儀自航儀為測(cè)量船模航行時(shí)螺旋槳的推力和扭矩的儀器型號(hào)參考如下表格。表2 自航儀規(guī)格表類別量程系數(shù)電壓（V）德國(guó)自航儀10kg25kg.cm推力：34.2扭矩：82.5推力：6.0扭矩：10.0德國(guó)自航儀（壞頭）10kg25kg.

7、cm推力：35扭矩：82推力：6.0扭矩：10.0自航儀5#（702所）10kg30kg.cm推力：33.75扭矩：69推力：6.0扭矩：10.0自航儀9#（702所）10kg30kg.cm推力：33.2扭矩：67.6推力：6.0扭矩：10.0自航儀（702所）25kg50kg.cm推力：40扭矩：167推力：12.0扭矩：12.0本系統(tǒng)主要由硬件，軟件兩部分組成：硬件：它是由多組十六路信號(hào)放大處理器、采集卡、計(jì)算機(jī)組成。原理方框圖如下:自航儀信號(hào)放大處理器采集卡計(jì)算機(jī) 具體操作過程自航儀與電機(jī)和螺旋槳通過軸系進(jìn)行連接，可以測(cè)量螺旋槳的推力和扭矩。圖9 自航儀圖10 電機(jī)電機(jī)通過電源線與電機(jī)操

8、作柜相連。我們通過電機(jī)操作柜開啟、關(guān)閉電機(jī)，并且能夠調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖11 電機(jī)操作柜此外在電機(jī)上還連接有轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，通過轉(zhuǎn)速顯示器上的數(shù)字變動(dòng)，我們能夠直觀的看到轉(zhuǎn)速的變化,如圖12所示。此儀器同樣通過穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，如下圖13所示。圖12 轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀圖13 WD990 微機(jī)電源軟件：自航儀的數(shù)據(jù)采集和強(qiáng)制力都是同時(shí)完成，可參考2.1的此部分。3、自航試驗(yàn)操作在未裝螺旋槳之前，我們先要測(cè)量槳軸的零扭矩Q0，后續(xù)計(jì)算會(huì)用到。在進(jìn)行自航試驗(yàn)時(shí)，為使船模和實(shí)船的阻力之間滿足縮尺比的三次方的關(guān)系，我們需要人為的增加一個(gè)摩擦阻力修正值，即實(shí)際上,試驗(yàn)時(shí)在船模上加一個(gè)拖曳力FD,則槳模發(fā)出的推

9、力Tm需克服的阻力為（Rtm-FD）。在這一點(diǎn)上，試驗(yàn)船型達(dá)到力的平衡，稱改點(diǎn)為實(shí)船自航點(diǎn)。通常我們需要提前估算一下實(shí)船和船模的摩擦阻力系數(shù)，公式如下：摩擦阻力系數(shù)計(jì)算采用1957-ITTC公式，其表達(dá)式為：自航試驗(yàn)一般應(yīng)不少于4個(gè)自航速度，即vm1，vm2，vm3，vm4，其中vm3應(yīng)相當(dāng)于實(shí)船的設(shè)計(jì)航速，vm4則高于實(shí)船設(shè)計(jì)航速，各速度應(yīng)取合理的間隔。對(duì)于某一選定的自航速度vm，一般取5個(gè)不同的強(qiáng)制力，即Z1，Z2，Z3，Z4，Z5。為使試驗(yàn)點(diǎn)分布較均勻合理，一般取Z=0，相當(dāng)于船模自航點(diǎn)。Z3=FD，相當(dāng)于實(shí)船自航點(diǎn)。其余的大致為：Z2=0.5FD，Z4=1.5FD，Z5=2FD。在拖車

10、開動(dòng)之前,先讓螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)一定轉(zhuǎn)速,比如500轉(zhuǎn),然后開動(dòng)拖車,繼續(xù)增加或者減小轉(zhuǎn)速,使操縱臺(tái)上拉力傳感器的數(shù)值稍大于FD,此時(shí)就是我們需要的第一個(gè)強(qiáng)制力.根據(jù)實(shí)際情況,以比上一次大一些的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳,然后啟動(dòng)拖車,等拖車穩(wěn)定后,采集數(shù)據(jù).我們需要記錄轉(zhuǎn)速n，強(qiáng)制力Z，還有兩個(gè)槳模的推力T和扭矩Q。然后等數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，我們繼續(xù)稍微增加螺旋槳的轉(zhuǎn)速，等穩(wěn)定后，再次采集以上數(shù)據(jù)。即通過改變螺旋槳轉(zhuǎn)速的方法，采集五個(gè)不同強(qiáng)制力下的Z，n，和左右槳的推力T和扭矩Q。然后保存文件，采集一次，最多可以采集十組數(shù)據(jù)。等五個(gè)速度的數(shù)據(jù)全部收集之后，我們就可以畫出自航試驗(yàn)曲線。圖14 自航試驗(yàn)曲線然后在縱坐標(biāo)中

11、量取Z=FD，做平行于X軸的直線，和nZ曲線相交，找出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n，然后在其他曲線上找出對(duì)應(yīng)的T和Q。把得到的數(shù)據(jù)帶入計(jì)算表格中估算效率。 4、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理根據(jù)前面計(jì)算的摩擦阻力修正值，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的狀態(tài)和速度，進(jìn)行插值得出要求的轉(zhuǎn)速N、推力T、扭矩Q按等推力法進(jìn)行自航數(shù)據(jù)分析，計(jì)算中已扣除零扭矩Q0。已有相應(yīng)的excel計(jì)算表格，可以進(jìn)行較快捷的數(shù)據(jù)處理。要處理的數(shù)據(jù)如下所示。摩擦力修正值計(jì)算見。表3摩擦阻力修正值計(jì)算Vs(km/h)Vm (m/s)Cfm (10e-3)Cfs(10e-3)Fd(kgf)表4 自航試驗(yàn)分析實(shí)船速度Vs (kn)12 13 14 15 船模速度Vm (m/s)船模

12、阻力Rm (kgf)摩擦阻力修正Fd (kgf)槳模轉(zhuǎn)速n (rpm)單槳模扭矩Q (kgf.cm)單槳模推力T (kgf)模型推進(jìn)效率Q.P.C.按等推力法進(jìn)行分析：推力系數(shù)Kt =Tm/(n2D4)扭矩系數(shù)Kq =Qm/(n2D5)進(jìn)速系數(shù)J(由敞水曲線查得)Kq'（由敞水曲線查得）敞水效率0相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率r= Kq'/Kq推力減額分?jǐn)?shù)t=1(Rtm-Fd)/ (2Tm)VA (m/s)伴流分?jǐn)?shù)=1 nDJ/Vm船身效率h=(1-t)/(1-)推進(jìn)效率Q.P.C.校核=0×h×r5、實(shí)船性能預(yù)報(bào)實(shí)船性能預(yù)報(bào)采用（1X），K2方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取X0.05，K20