推力減額側(cè)推裝置推力減額試驗研究

推力減額研究介紹

艦船動力定位時，側(cè)推器受到海流的影響，當(dāng)海流的流速和流向不同時，側(cè)推器產(chǎn)生的推力與其在靜水中的推力不同。為了正確估算所需側(cè)推裝置功率的大小，需確定側(cè)推器受不同流速、流向影響時的推力減額。查閱國內(nèi)外資料，未見相關(guān)側(cè)推裝置在不同流速、流向下推力減額的研究成果。

在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室進行了側(cè)推裝置推力減縮試驗研究，研究方案為：制作相應(yīng)比例的船模和側(cè)推螺旋槳，將側(cè)推器固定安裝在船模的隧道中，側(cè)推器由電動機驅(qū)動。將船模固定在拖車上，通過改變船模與拖車的角度以及拖車的速度，來模擬不同的流速和流向。首先測量側(cè)推器全負(fù)荷工況下在靜水中的推力和扭矩，并以達到要求推力時的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。然后測量不同流速和流向下推力器全負(fù)荷（額定轉(zhuǎn)速）工況下的推力和扭矩，以確定側(cè)推器在不同流速流向時的推力減縮系數(shù)。

在該模型試驗中，試驗和分析所采用的隨船坐標(biāo)系O-XYZ如圖3所示。隨船坐標(biāo)系的原點位于船模的中心處。圖中箭頭表示試驗中的來流方向。來流方向由船首自0°開始沿逆時針方向，共360°。安裝在隧道中的螺旋槳安放在船的中縱剖面的位置上，葉面朝向左舷，故螺旋槳所受的推力方向指向右舷。

推力減額側(cè)推系統(tǒng)和船舶模型概述

試驗用螺旋槳模型的大小為D = 0.12 m，而實船的螺旋槳的尺寸為2.1 m，故采用的實船模型縮尺比為17.5。所有的模型均按照該縮尺比制作。

Z 型側(cè)推系統(tǒng)主要由螺旋槳、動力部件、測力部件等組裝完成。其基本部件組成見圖4。

側(cè)推裝置額定推力不小于150 kN（即1 000 kW ×0.15 kN/kW），螺旋槳直徑D 為 2 100 mm。試驗時，從備用槳中選取螺旋槳AU4作為試驗用槳。該槳的直徑D為 120 mm（相應(yīng)的模型縮尺比為 2 100/120=17.5），螺距比（H / D） 為0.75，盤面比（A / Ad）為0.6。

側(cè)推系統(tǒng)由1臺稀土直流電機驅(qū)動。電動機最大功率250 W、輸入電壓90 V、最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min、最大扭矩1.67 N·m、最大電流3.7 A，直流電機的轉(zhuǎn)速由數(shù)字轉(zhuǎn)速表控制，控制精度為±1.0 r/min。

由于側(cè)推系統(tǒng)采用Z型齒輪傳動，故無法直接采用自航動力儀來測量推力，因此試驗中僅用自航動力儀測量扭矩，而由固定螺旋槳垂向傳動軸的測力天平來測量螺旋槳上的推力。在自航儀和螺旋槳的傳動軸之間采用柔性連接結(jié)合。這樣既可以將自航儀的扭矩傳遞到螺旋槳上驅(qū)動螺旋槳的轉(zhuǎn)動，同時避免將螺旋槳的推力傳遞到自航動力儀上，使螺旋槳的推力完全施加在測力天平上，從而保證螺旋槳推力的正確測量。

自航儀最大測量扭矩±147 N·cm，推力和扭矩短時過載25%，最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min。測力天平的量程為98 N。試驗?zāi)Ｐ屯耆勒招途€圖數(shù)據(jù)木制，并滿足相應(yīng)的精度。其吃水通過添加和改變船模內(nèi)壓載的質(zhì)量和位置進行調(diào)整，以達到規(guī)定的要求。船首部的側(cè)推孔隧道采用厚壁有機玻璃管制作，隧道內(nèi)表面經(jīng)過精車加工。

推力減額（無槳）船模隧道內(nèi)的流速測量

當(dāng)船模遭遇不同流向和流速的來流時，測量其在隧道內(nèi)的流速。采用葉輪式流速計測量隧道內(nèi)的流速。葉輪式流速計呈圓柱狀，直徑約6 mm、長約5 mm，流速計的測量位置距螺旋槳中軸線R / 2（R為螺旋槳半徑），距離船舶的中縱剖面4.0 cm（相當(dāng)于實船0.7 m），位于螺旋槳的葉背一側(cè)處。隧道內(nèi)流速測量的結(jié)果見圖5和圖6。

從圖5可以看出，當(dāng)來流方向為0°和180°（即艏部或艉部來流）時，隧道內(nèi)流速較??；當(dāng)背景流速達到3 kn（1.543 2 m/s）時，隧道內(nèi)流速最高才0.348 m/s，僅為背景流速的22.55%；而當(dāng)來流方向為90°和270°時，隧道內(nèi)流速明顯大于外界背景流速，尤其來流方向為270°、背景流速3 kn時，隧道內(nèi)的流速比外界流速高51.31%。

推力減額（有槳）船模隧道內(nèi)流速的測量

當(dāng)安裝螺旋槳的船模遭遇不同流向和流速的來流時，測量其在隧道內(nèi)流速，流速計的測量位置同前。由于考慮到在葉片的后面和葉片間隙的后面測量的流速會有所不同，因此分別進行了以上兩個位置的流速測量，流速測量的結(jié)果見圖7和圖8。

從圖7可以看出，當(dāng)隧道內(nèi)有槳（n = 0）時，隧道中的流速小于無槳時隧道內(nèi)流速。當(dāng)來流經(jīng)由槳背流入（順流）時，槳前的流速比較均勻，槳葉和槳隙的流速相差不大；而當(dāng)來流經(jīng)由槳面流入（逆流）時，槳前的流速比較紊亂，位于槳前（槳背）處的槳葉和槳隙的流速相差比較大，顯示流經(jīng)過槳后比較紊亂，分布不再均勻了。

推力減額全負(fù)荷工況下的試驗測量

測量當(dāng)安裝螺旋槳的船模在靜水中和遭遇不同流向和流速的來流時，側(cè)推裝置全負(fù)荷運轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為1 220 r/min）時，螺旋槳推力和扭矩變化。

經(jīng)過試驗測得，該側(cè)推系統(tǒng)（n = 1 220 r/min）在靜水中的敞水推力為27.773 N（模型值），扭矩為36.995 N·cm（模型值），換算到實船為152.57 kN，35.56 kN·m。

安裝到隧道內(nèi)以后，該側(cè)推系統(tǒng)（n = 1 220 r/min）在靜水中的推力為20.54 N（模型值），扭矩為29.321 N·cm（模型值），換算到實船為112.838 kN，28.19 kN·m。可見，安裝到隧道內(nèi)以后，螺旋槳在相同轉(zhuǎn)速下的推力、扭矩和功率都有所下降。

在不同流向和流速的來流中，相同轉(zhuǎn)速（n = 1 220 r/min）的螺旋槳的推力和扭矩見圖9和圖10中所示。 從圖中可以看出：

（1）螺旋槳在安裝到隧道內(nèi)后，相同轉(zhuǎn)速時推力和扭矩都有所下降。

（2）除了個別角度，推力和扭矩都隨來流流速的上升而下降。

（3）當(dāng)來流改變時，推力的變化比扭矩的變化更大。

（4）當(dāng)來流在180°～360°間變化時（此時水流從葉背流入，即順流），推力和扭矩隨流向而變化，但比較緩和。

（5）當(dāng)來流在 0°～180°間變化時（此時水流從葉面流入，即逆流），推力和扭矩隨流向變化比較劇烈；在90°～180°間，推力下降比較明顯（此時的水流由船尾左舷流入）。

推力減額推進器對船體的影響

由于船體形式和推進器方向的不同，推進器對船體的干擾影響非常復(fù)雜，在實際設(shè)計中需要考慮的干擾有以下幾種：

（1）摩擦力

當(dāng)螺旋槳安裝在船體平坦底部時，螺旋槳將貼近船底表面，產(chǎn)生與推力方向相反的摩擦力，導(dǎo)致推力減額。

（2）科安達（Coanda）效應(yīng)

船體表面為曲面時，螺旋槳尾流會沿著曲面擴散（如舭部連接處），并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，這時有效推力將會減少，這就是科安達效應(yīng)。

推力減額推進器之間的相互干擾

采用多個推進器時，特別當(dāng)兩個推進器的方向接近一條直線時，一個推進器排出的水流會直接沖入另一個推進器。

很多拖曳水池都曾對螺旋槳間的干擾進行過試驗研究，盡管采用不同的螺旋槳，但結(jié)果都非常相似。Lehn和Moberg對兩個螺旋槳呈前后布置的形式進行了試驗，試驗結(jié)果表明：當(dāng)兩個螺旋槳距離越靠近，干擾問題就越嚴(yán)重，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，推力損失仍達1/4左右。當(dāng)螺旋槳置于平板下時，螺旋槳尾流的最大速度偏向平板，從而降低下游推力器的平均入流速度，并減少推力損失。當(dāng)上游螺旋槳改變角度或距離以避免其尾流對下游螺旋槳的直接沖擊，干擾問題可以得到改善，Nienhuis和Lehn的試驗結(jié)果都證明了這點，他們對不同角度和不同距離進行了試驗，試驗結(jié)果表明：改變角度能夠大大改善推力損失，尤其是當(dāng)兩槳之間距離較大時。

螺旋槳對船的影響表現(xiàn)為推力減額。在船后工作的螺旋槳對尾部船體表面的水流有抽吸作用，使尾部船體表面的水流速度增加、壓力下降，如圖1所示。這種尾部壓力下降引起的船體阻力增加量稱作阻力增額。這部分阻力增加量是由螺旋槳工作引起的，故將它理解為螺旋槳推力減小量，分配到每個槳上的這種推力減小量即稱為推力減額，記作△T。按推力減額的概念，在船后工作的螺旋槳作用下的艦船阻力不發(fā)生變化，只是螺旋槳本身的推力損失了一部分。記入推力減額后的螺旋槳推力稱為有效推力，有時也稱為船后槳推力，記作T_E。有效T_E與敞水槳推力T之間的關(guān)系為

△T與T的比值稱為推力減額分?jǐn)?shù)，記作t，即

于是有效推力表示為

各種艦船的推力減額分?jǐn)?shù) t 如圖2所列。

推力減額分?jǐn)?shù)不能直接進行測量。它必須做船模拖曳試驗求出阻力R和做螺旋槳自航試驗求出螺旋槳推力T。通常不可能在正好相同的速度下測出R和T。因此必須畫出R和T曲線，并根據(jù)這些曲線就可計算推力減額分?jǐn)?shù)

這種方法可用在單螺旋槳船上，也可用在螺旋槳布置對稱于船中心平面并且船是對稱的雙槳船上。如果不是這種情況和如果船上有三個以上螺旋槳時，由船模試驗不可能估算出每個槳的推力減額分?jǐn)?shù)，只能求出一個平均值。通過做船模試驗估算出推力減額分?jǐn)?shù)各個分量這也是不可能的。

在真正的勢流中(見圖3上部分)不發(fā)生能量交換。在真正勢流中，使一固體克服力R以速度V 運動所需要的能量一定等于螺旋槳發(fā)出的能量：

式中T是螺旋槳推力，V_A是螺旋槳進速。重新整理上等式可得到

和

因此

象在很多雙槳船上那樣，只要螺旋槳離開摩擦帶，推力減額分?jǐn)?shù)差不多就和伴流分?jǐn)?shù)值相同。

由下面所述可得出摩擦推力減額分?jǐn)?shù)的意義。有一假想固體(見圖3中部)，它由若干彼此同心的很薄的圓柱平板所組成，并在流體中(例如水中)沿軸向移動，產(chǎn)生一真正的粘性流動，勢流可不計。而且，用一同軸螺旋槳推動該固體。雖然該系統(tǒng)前方流體處于靜止，由于和固體摩擦，流體獲得相當(dāng)速度。結(jié)果固體正后方的水獲得一定量的動能?？柯菪龢饔檬顾谙喾捶较蚣铀佟Ｒ虼?，阻力增加，這表示對推進來說需要的推力一定要增加。所以，推力減額分?jǐn)?shù)將有一正值。

在船尾處的波系將受到螺旋槳作用的影響（見圖3下部）。由于這樣，船的興波阻力將變化，這樣就可解釋波浪推力減額分?jǐn)?shù)。

螺旋槳對船的影響表現(xiàn)為推力減額。在船后工作的螺旋槳對尾部船體表面的水流有抽吸作用，使尾部船體表面的水流速度增加、壓力下降，如圖1所示。這種尾部壓力下降引起的船體阻力增加量稱作阻力增額。這部分阻力增加量是由螺旋槳工作引起的，故將它理解為螺旋槳推力減小量，分配到每個槳上的這種推力減小量即稱為推力減額，記作△T。按推力減額的概念，在船后工作的螺旋槳作用下的艦船阻力不發(fā)生變化，只是螺旋槳本身的推力損失了一部分。記入推力減額后的螺旋槳推力稱為有效推力，有時也稱為船后槳推力，記作T_E。有效T_E與敞水槳推力T之間的關(guān)系為

R為船體阻力?！鱐與T的比值稱為推力減額分?jǐn)?shù)，記作t，即

于是有效推力表示為

各種艦船的推力減額分?jǐn)?shù) t 如圖2所列。