全回轉(zhuǎn)拖輪阻力性能試驗(yàn)研究

全回轉(zhuǎn)拖輪阻力性能試驗(yàn)研究

在所有旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器的運(yùn)行狀態(tài)下，螺母臂主要應(yīng)克服本船和被拖動(dòng)船之間的阻力。在自航行狀態(tài)下，主要克服船體本身的阻力。通常全回轉(zhuǎn)拖輪在作業(yè)時(shí)要求有足夠大的推力或拖力;在接到作業(yè)任務(wù)時(shí),特別是消防拖輪接到消防任務(wù)時(shí)要求能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)工作地點(diǎn),這就需要全回轉(zhuǎn)拖輪在給定的主機(jī)功率和螺旋槳效率下有好的阻力性能。1．全回轉(zhuǎn)拖輪的興波特性在船舶阻力性能研究中,按傅汝德數(shù)Fr將各類(lèi)船舶分為低速船(Fr<0.18)、中速船(0.18<Fr<0.30)、高速船(Fr>0.30)。因?yàn)槿剞D(zhuǎn)拖輪自航狀態(tài)時(shí),Fr一般在0.40左右,應(yīng)屬于中高速船之列,因此興波阻力是總阻力中的主要成份,往往占總阻力65%左右,而且此時(shí)拖輪的波浪長(zhǎng)度一般超過(guò)滿(mǎn)載水線(xiàn)長(zhǎng)度,首尾波系在船尾產(chǎn)生有利或不利干擾作用的可能性均消失。全回轉(zhuǎn)拖輪在全速航行時(shí),常可看到從拖輪船首后產(chǎn)生的波峰,在船尾后以波峰結(jié)束唯一一條波浪。由于全回轉(zhuǎn)拖輪為了盡量擴(kuò)大首部橡膠靠巴在作業(yè)時(shí)頂靠范圍,前體往往設(shè)計(jì)比較寬大,而船尾因?yàn)椴贾脙蓚€(gè)DP或ZP裝置,也需要有較大的寬度,所以整個(gè)船體顯得較為肥短,其興波阻力相比其它類(lèi)型同樣長(zhǎng)度或同樣排水量中高速船舶來(lái)說(shuō)比較大;而且船首部水線(xiàn)坡度較大,進(jìn)水角達(dá)38°以上,首柱有較大圓弧半徑,所以航行時(shí)船首破波阻力也很大,全回轉(zhuǎn)拖輪在航行中,首柱前形成一個(gè)陡峭的船首波,好象一道弧形的堤埂橫臥在船首附近,受到首柱撞擊后破碎形成白色泡沫帶消失在船首兩側(cè);綜上所述,全回轉(zhuǎn)拖輪在航行時(shí),船體的阻力比較大,往往使用2000～3000kW主機(jī)只能達(dá)到13～14kn航速。2船舶試驗(yàn)為了更好地了解全回轉(zhuǎn)拖輪的阻力性能,委托上海交通大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室在船模試驗(yàn)池對(duì)“甬港消拖3號(hào)”進(jìn)行了阻力性能試驗(yàn)。1設(shè)計(jì)了評(píng)論員4.2mm的水壓,5m的水壓,5m.4m.4m.5m.5m的高砂倉(cāng)干產(chǎn)品ss3.2.4.2.4m的水土流失分析,5.5m的科學(xué)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)水線(xiàn)間長(zhǎng)Lwl38.5m垂線(xiàn)間長(zhǎng)Lbp38.5m船寬B11.0m設(shè)計(jì)吃水Ts3.8m方型系數(shù)Cb0.556設(shè)計(jì)吃水排水量Δs843.2t濕表面積Ss529.63m22表1顯示了船舶靜水阻力測(cè)試的結(jié)果3材料形狀因子實(shí)船總阻力由模型試驗(yàn)測(cè)得靜水阻力采用三因次換算法進(jìn)行換算,摩擦阻力系數(shù)Cf采用1957年ITTC公式計(jì)算。粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)取ΔCf=0.5×10-3,形狀因子采用渡邊公式進(jìn)行估算KITTC=?0.095+25.6Cb(LwlB)2BT√=0.588ΚΙΤΤC=-0.095+25.6Cb(LwlB)2BΤ=0.588總阻力對(duì)應(yīng)于實(shí)船在15℃海水中,并包括空氣阻力1.0%,附體阻力3.0%,及殼板排水量增加的阻力0.6%。實(shí)船摩擦阻力、興波阻力和總阻力換算結(jié)果見(jiàn)圖1。4興波阻力的變化從圖1可知,隨著航速增加,“甬港消拖3號(hào)”的摩擦阻力增加的幅度不是很大,而興波阻力在低速航行時(shí),與摩擦阻力數(shù)值相差不是很大,隨著航速的增加興波阻力值迅速增長(zhǎng),占總阻力的比例也越來(lái)越大,在全速航行時(shí)(14.2kn)占總阻力的66%左右,說(shuō)明全回轉(zhuǎn)拖輪在自航狀態(tài)時(shí),興波阻力是總阻力中的主要方面。3幾何因素和形狀對(duì)阻力的影響寧波港油港輪駁有限公司現(xiàn)有典型全回轉(zhuǎn)拖輪主尺度及船型系數(shù)見(jiàn)表2。3.1全回轉(zhuǎn)拖輪的穩(wěn)定性全回轉(zhuǎn)拖輪船長(zhǎng)L對(duì)阻力影響較大,主要體現(xiàn)在長(zhǎng)寬比L/B和排水量長(zhǎng)度比d(d=Δ(0.01L)3)d(d=Δ(0.01L)3)的變化上,d代表了全回轉(zhuǎn)拖輪船的排水體積和船長(zhǎng)的關(guān)系,因而較之L/B更能表示船體的肥瘦程度,所以一般用d而不用L/B來(lái)體現(xiàn)船長(zhǎng)對(duì)阻力的影響,而全回轉(zhuǎn)拖輪船寬B、吃水T對(duì)阻力的影響常體現(xiàn)在B/T的變化上。1)d代表了全回轉(zhuǎn)拖輪的瘦長(zhǎng)程度,d大意味著在同樣的長(zhǎng)度內(nèi)分布更多的排水量,或者把同樣的排水量分布在較短的船長(zhǎng)范圍內(nèi),因此表示船體肥而短,相反該系數(shù)小者表示船體瘦而長(zhǎng),全回轉(zhuǎn)拖輪由于前述的工作特點(diǎn),d一般在20000左右,顯得較為肥而短,這樣在自航狀態(tài)時(shí),占總阻力很大比重的興波阻力就顯得很大,粘壓阻力也較大,阻力性能變得很差。在船舶設(shè)計(jì)中,常通過(guò)對(duì)母型船的尺度進(jìn)行變化,如增加船長(zhǎng)、同時(shí)減少船寬和吃水而使排水量保持不變;或使船長(zhǎng)保持不變、同時(shí)減少船寬和吃水而使排水量減少,從而使d減小,使船體變得瘦長(zhǎng)些,減少興波阻力和粘壓阻力,從而改善拖輪的阻力性能。對(duì)于中高速船,常會(huì)提出一個(gè)最佳船長(zhǎng)或d,因?yàn)榇L(zhǎng)增加到一定程度,將使摩擦阻力增加值超過(guò)剩余阻力的增加值,對(duì)總阻力反而不利,全回轉(zhuǎn)拖輪Fn一般在0.40左右,根據(jù)桑地公式接近最佳排水量長(zhǎng)度系數(shù)的設(shè)計(jì)范圍,最佳d應(yīng)在1435到2152之間,全回轉(zhuǎn)拖輪d要達(dá)此最佳設(shè)計(jì)范圍,就必須在給定排水量條件下,把現(xiàn)有母型拖輪船長(zhǎng)拉長(zhǎng)一倍以上,而全回轉(zhuǎn)拖輪的船長(zhǎng)設(shè)計(jì)更多從工作要求及其設(shè)備安裝布置、回轉(zhuǎn)性及耐波性要求來(lái)考慮,從這點(diǎn)來(lái)看,全回轉(zhuǎn)拖輪的d很難達(dá)到最佳,因此船舶的阻力性能就顯得較差。2)B/T主要表征全回轉(zhuǎn)拖輪的扁平程度。當(dāng)全回轉(zhuǎn)拖輪舯剖面積一定時(shí),B增大,意味著全回轉(zhuǎn)拖輪船體的散波波高增加,T增大,意味著全回轉(zhuǎn)拖輪船體的橫波波高增加,所以B、T對(duì)剩余阻力的影響是相反的,B/T對(duì)剩余阻力的影響是較小的;在一般情況下,舯剖面積一定時(shí),B/T在2.20～3.75范圍內(nèi)對(duì)摩擦阻力影響很小,B/T在3.00附近時(shí)船舶的濕面積最小。因此B/T在一定范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)總阻力影響是很小的,全回轉(zhuǎn)拖輪B/T一般為2.67～3.16,所以B/T的變化對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪的阻力影響很小。3.2全回轉(zhuǎn)拖輪的興波作用和cm主要的船型系數(shù)包括棱形系數(shù)Cp、船中橫剖面系數(shù)Cm和方形系數(shù)Cb。1)Cp主要表征排水體積沿船長(zhǎng)方向的分布情況,Cp小表示排水體集中于船中部,首尾兩端較瘦削。Cp對(duì)摩擦阻力影響較小,但對(duì)剩余阻力影響很大。全回轉(zhuǎn)拖輪在自航狀態(tài)時(shí),處于中高速范圍內(nèi),整個(gè)船體都產(chǎn)生興波作用,因?yàn)榇藭r(shí)首波峰位置后移至橫剖面面積曲線(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處,而全回轉(zhuǎn)拖輪Cp一般較大,為0.59～0.65左右,船中部不是很凸起,水壓力不產(chǎn)生突變,在運(yùn)動(dòng)方向的分量較小,所以產(chǎn)生興波阻力較小。一般在設(shè)計(jì)中應(yīng)使全回轉(zhuǎn)拖輪Cp在0.60～0.65范圍內(nèi)。2)Cm主要表征全回轉(zhuǎn)拖輪船中橫剖面的豐滿(mǎn)程度。對(duì)阻力影響不是很明顯,對(duì)于象全回轉(zhuǎn)拖輪這樣在自航時(shí)處于高速的船,Cm選取主要考慮使船體線(xiàn)型能光順,Cm在0.96～0.75較為合適,隨Cb的減少而減少,公司所設(shè)計(jì)的全回轉(zhuǎn)拖輪Cm在0.80～0.92之間,處于合適范圍之內(nèi)。3)Cb主要表征全回轉(zhuǎn)拖輪水下部分肥瘦程度,它主要影響剩余阻力,對(duì)摩擦阻力影響不大,當(dāng)Cb>Cbc=1.05-1.68Fr=0.4左右時(shí),興波阻力會(huì)增加得很快,而全回轉(zhuǎn)拖輪Cb一般超過(guò)0.5,所以全回轉(zhuǎn)拖輪的Cb常使阻力性能惡化。3.3興波阻力隨立地分區(qū)的變化主要由浮心縱向座標(biāo)Xcb、平行中體和橫剖面面積曲線(xiàn)兩端的形狀。1)Xcb主要表征全回轉(zhuǎn)拖輪的排水體積對(duì)于船中分布不對(duì)稱(chēng)程度,直接明了船體前后部分的肥瘦程度,浮心離船中越后,則表示船尾部越肥,首部越瘦,一般來(lái)說(shuō)首部豐滿(mǎn),興波阻力越大,尾部豐滿(mǎn),粘壓阻力越大,因?yàn)槿剞D(zhuǎn)拖輪興波阻力占很大比例,從表3可知全回轉(zhuǎn)拖輪Xcb都在舯后,這對(duì)減少興波阻力是有利的。2)平行中體的存在將使高速船前體變得尖瘦,過(guò)分尖瘦的船首將使首部波浪的水壓力水平分量增大,因而阻力增大,而且容易產(chǎn)生首肩波和肩部旋渦使阻力性能惡化,所以全回轉(zhuǎn)拖輪都不應(yīng)設(shè)計(jì)存在平行中體的3)首端形狀主要影響興波阻力及其首波峰的水壓力在水平方向分力大小,尾端形狀主要影響粘壓阻力及后體的壓力梯度,一般兩端取直線(xiàn)或微凹對(duì)阻力是有利的,但“甬港消拖2號(hào)”首部橫剖面曲線(xiàn)內(nèi)凹較大,這樣船首波峰處就凸起,水水壓力產(chǎn)生突變,在運(yùn)動(dòng)方向的分量較大,產(chǎn)生興波阻力就會(huì)很大。全回轉(zhuǎn)拖輪曲線(xiàn)應(yīng)光順,不應(yīng)有凸起之處,見(jiàn)圖2,“甬港消拖3號(hào)”“甬港拖21號(hào)”尾部有較大起伏,就易形成肩波,產(chǎn)生較大的粘壓阻力。3.4全回轉(zhuǎn)拖輪的水線(xiàn)面特征1)從阻力觀(guān)點(diǎn)出發(fā),滿(mǎn)載水線(xiàn)面系數(shù)Cw=(0.97～1.01)Cp較為合適,對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪來(lái)說(shuō)Cw應(yīng)在0.60～0.70較為合適,而實(shí)際上所設(shè)計(jì)建造的全回轉(zhuǎn)拖輪Cw往往在0.97左右,對(duì)阻力是不利的,而對(duì)耐波性和抗沉性是有好處的。2)全回轉(zhuǎn)拖輪各水線(xiàn)面通常設(shè)有平行中段長(zhǎng)度,自滿(mǎn)載水線(xiàn)至龍骨基線(xiàn)各平行中段長(zhǎng)度逐漸減小,見(jiàn)圖3。3)同橫剖面曲線(xiàn)一樣,首端形狀主要影響興波阻力,尾端形狀主要影響粘壓阻力,所以全回轉(zhuǎn)拖輪首端取直線(xiàn)或微凸(見(jiàn)圖3)對(duì)阻力是有利的。4)滿(mǎn)載水線(xiàn)首端半進(jìn)角表示水線(xiàn)在船首水平面上與船縱中剖面間的夾角(不計(jì)首柱具體形狀),全回轉(zhuǎn)拖輪一般如“甬港消拖3號(hào)”首端半進(jìn)角達(dá)38°以上,半進(jìn)角較大對(duì)阻力不利。3.5轉(zhuǎn)拖輪二次排放的影響橫剖面形狀對(duì)摩擦阻力影響較小,對(duì)興波阻力影響較大,全回轉(zhuǎn)拖輪除首端因布置靠巴需要適度外飄而采用V形剖面,這樣使較多排水體積分布于滿(mǎn)載水線(xiàn)附近,滿(mǎn)載水線(xiàn)處較肥胖,對(duì)興波阻力不利。全回轉(zhuǎn)拖輪尾部因?yàn)樵O(shè)計(jì)成方尾,所以常采用V形剖面,使?jié)衩娣e減少,相應(yīng)摩擦阻力略有減少,V形剖面與較寬滿(mǎn)載水線(xiàn)相配合,使水下部分較尖瘦,使尾部縱剖線(xiàn)較平順不易產(chǎn)生分離,相應(yīng)減少粘壓阻力,而且較寬的水線(xiàn)易于布置雙漿。同以往全回轉(zhuǎn)拖輪常采用圓舭部橫剖面不同,新造的“甬港眾聯(lián)6號(hào)”為了改善橫搖性能按可展船體表面原理的采用“錐式”簡(jiǎn)易線(xiàn)型,不過(guò)這種簡(jiǎn)易線(xiàn)型的阻力性能對(duì)船舶的吃水變化較為敏感,因?yàn)闉榱吮苊馑鞣蛛x和尾渦,常將其折角線(xiàn)沿水流方向,因此按某一吃水設(shè)計(jì)的折角線(xiàn),在其它吃水時(shí)就不符合折角線(xiàn)沿流線(xiàn)這一基本要求,所以此類(lèi)全回轉(zhuǎn)拖輪吃水不能變化太大。3.6抗拉縱搖系統(tǒng)全回轉(zhuǎn)拖輪船船首形狀一般以?xún)A斜式為主,少數(shù)也有采用飛剪式的,傾斜式和飛剪式船首可使?jié)M載水線(xiàn)以上部分的水線(xiàn)較為瘦削,能降低波浪中的阻力增值,對(duì)縱搖也有利,但傾斜式和飛剪式船首縮短了滿(mǎn)載水線(xiàn)以下部分水線(xiàn)長(zhǎng)度,如果滿(mǎn)載水線(xiàn)以下切去過(guò)多,就會(huì)對(duì)阻力性能不利。全回轉(zhuǎn)拖輪尾部常采用方