船体与喷水推进系统的匹配研究Word文档格式.docx
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①因安装需要,船底被除去流道进水口面积,流道从船底边界层内部抽吸水流。
与裸船相比,船底的流动状态被改变。
②流体作用于喷水推进器的力及产生的力矩会影响航态。
③射流与船艉板的自由液面发生混合,间接或直接影响船体受力。
依据动量定理,控制体动量的变化等于作用在控制体上的外力之和。
按图1所示,喷水推进器在i方向的动量控制方程为:
其中
,
表示整个的平均应力,等于
。
式中方程左边表示控制体在i方向的动量变化ΔMi;
右边第一项为作用在控制体界面(A1、A2、A3、A6)上的压力和剪切力;
右边第二项为喷泵的体积力,右边第三项为重力在i方向的分量。
喷水推进器产生的推力通过叶轮及流道部件传递给船体,右边三项在z方向的合力会影响船体的吃水,对y轴的力矩影响船体的纵倾角。
图1ITTC定义的测量位置
当船艉向船艏方向为x方向是,x方向的重力作用项为0,动量控制方程(1.1)可简化为:
净推力Tnet定义为喷水推进器作用在物理边界A3和A4及泵体V3-5上并传递到船体的推力:
●推力减额t
公式1.2与1.3的差别在于是否考虑虚拟边界1、6、2。
可理解为由于射流效应产生的船体阻力的变化,由此产生的差异由动量减额分数tj表示,则可得出:
与螺旋桨的推力减额类似,由于喷水推进在船后工作引起船体的附加阻力ΔR为称为阻力增额。
阻力增额与净推力的比值成为增额分数t:
根据公式1.5可以得到船体阻力RBH(未加喷推系统)与喷水推进净推力Tnet间的关系为:
推力减额分数t的大小与船型及喷水推进系统与船体间相互作用等因素有关。
用理论方法难以计算推力减额,通常根据船模自航试验或数值仿真进行计算。
●伴流分数w
船在水中以某一航速Vs向前航行时,附近的水受到船体的影响而产生运动,周围伴随着一股水流,这股水流称为伴流或迹流。
由于伴流的存在,使喷水推进系统的入流速度和船速不同。
伴流的速度与船速同方向称为正伴流,反之则为负伴流。
产生伴流的原因有下列三种:
1.船身周围的流线运动
船在水中以速度Vs向前航行时,船艏、船艉处的水流具有向前速度,即产生正伴流,而在舷侧处水流具有向后速度,故为负伴流。
由此而形成的伴流称为形势伴流或势伴流。
因流线离船身不远处即迅速分散,故在离船体略远处其作用即不甚显著,亦即离船体愈远,形势伴流之数值愈小。
2.水的粘性作用
因水具有粘性,故当船在运动时沿船体表面形成边界层,边界层内水质点具有向前的速度,形成正伴流,通常称为摩擦伴流。
摩擦伴流在紧靠船身处最大,由船身向外急剧减小,离船体不远处即迅速消失,但在船后相当距离处摩擦伴流依然存在。
摩擦伴流常为总伴流中的主要部分。
摩擦伴流的大小与船型、表面粗糙度、雷诺数等有关。
3.船舶的兴波作用
船在航行时水面形成波浪,若推进器附近恰为波峰,则水质点具有向前速度;
如恰为波谷,则具有向后速度。
由于船舶本身兴波作用而形成的伴流称为波浪伴流,其数值常较前两者为小值。
伴流分数w定义为半流速度u与航速Vs的比值,即
与螺旋桨船不同,由于螺旋桨船中,螺旋桨通常安装在船艉,所以具有三种伴流效应;
而对于喷水推进系统,入水口发生在船底,所以伴流效应发生在船底区域,因此兴波伴流和形势伴流均可予以忽略,摩擦伴流为主要的伴流效应。
依据实践经验,伴流效应速度场测量一般在位于图1中的1a位置(早期推荐在1处),捕捉区域推荐椭圆形,但从实践的结果看,捕捉区域的形状对结果的影响很小。
2.2主机-喷水推进系统的匹配特性
船体-喷水推进系统的匹配最终反映航速与喷推系统的推力及扭矩的关系。
而推力与扭矩的变化反映了喷推系统-主机的匹配特性。
为研究喷水推进系统与主机间的稳态和动态特性,先建立数学模型。
当不考虑齿轮,在主机与喷水推进系统直连的条件下,推进系统中的机-泵分系统转动动力学方程为:
式中:
Me为主机力矩,Mi为轴系及传动装置的摩擦力矩,Mp为喷水推进器的力矩,ω为角速度。
推进系统的泵-船分系统的力学平衡方程为:
其中T为喷水推进器的推力,定义为
;
i为喷泵的台数,R为直航时的船体阻力,
;
△R为拖泵阻力
(类似于螺旋桨,但DOEN公司实践后反馈基本不存在);
m为船体及喷泵内部的水质量,Vs为航速。
喷水推进泵的转速变化的动态过程由公式1.8确定,其中Mp为影响主要因素,同时还影响着航速变化的动态过程。
Mp及喷水推进器吸收功率Np的动力特性,即他们与转速的关系及航速对这些关系的影响,可作为喷水推进系统稳态特性和动态特性研究中的重要内容,同时也是喷水推进系统“船-机-泵”有别于“船-机-桨”匹配的切入点。
喷水推进器的本质作为一个泵,通过吸水口与管道吸入水流,并将主机机械能通过叶轮转化为水流的机械能(动能、压能和势能的总和)。
喷水推进器的吸收功率Np与叶轮转速n间的关系类似于泵的相似定律,可定义为:
式中C为功率系数,表示泵在叶轮转速等于1r/min时吸收的功率(kW)。
喷水推进器作为泵,泵的转速与航速不直接发生联系,即说明在不同航速时,在恒定的转速n时,喷水推进器吸收功率基本不变,表明n不受Vs的影响,喷水推进器的功率特性唯一。
图2为Kamewa71SII喷水推进器的速度特性,描述了在等功率条件时,航速与泵转速的对应关系。
同时,也可将其看成不同航速时,喷水推进器在不同转速时所吸收的主机功率。
由于功率可以采用
来进行表示。
所以可将图2转化为类似于螺旋桨的喷水推进器力矩与航速间的关系(如图3)。
该特性表示不同航速时在等功率条件下喷水推进器叶轮所应克服的力矩。
另外,如果我们采用如螺旋桨扭矩系数KQ的定义可以发现,喷水推进系统的扭矩系数KQwj可计算为:
从喷推的扭矩系数结果看,由于D为常数,C可近似为常数,所以当转速n恒定时,扭矩系数随航速Vs,即进速系数
的变化量很小。
从图3可以看出,在喷水推进器功率为定值时,其力矩在整个航速范围内近似于一个常值。
这与螺旋桨推进系统相应特性形成了鲜明对照。
在排水型船螺旋桨推进系统中,等功率条件下螺旋桨力矩随航速的增高而减小的变化幅度很大即变化率很大。
这说明螺旋桨推进的船舶,螺旋桨力矩(主机应提供的驱动力矩)受航速影响很大;
而喷水推进的船舶,喷水推进器力矩(同时也是主机应提供的驱动力矩)受航速影响很小。
这种差异的原因在于:
螺旋桨的工作特性受来流影响极大,进速系数
间接反映了螺旋桨的来流攻角,这种攻角的变化,对螺旋桨桨叶的升力与阻力造成明显的影响,进而影响到螺旋桨的推力、阻力矩的大小。
喷水推进器多为内置式,叶轮工作特性虽受来流影响,但经进水口和内置流道导流后,来流对喷水推进器叶轮工作特性的影响变小。
这也是是喷水推进和螺旋桨推进特性显著差别之一。
图2Kamewa喷水推进器转速特性
图3Kamewa喷水推进器转速特性
从图2中喷水推进器的转速特性也可以看到,等功率条件下喷水推进器的转速会随航速增高而有所提高,并不是常值.这是因为随着航速Vs增加,进入喷水推进器的水流动能增加,喷水推进器需克服的水动力矩Mp减小,在等功率条件,Mp减小会使转速n增加.这说明喷水推进器在某转速n所消耗的功率,不仅与喷水推进器转速高低有关,还与进入喷水推进器的水流速度带入的附加动能有关。
当航速高时,来流带入附加动能多,同一转速下喷水推进器所消耗的功率少;
航速低,来流带入的附加动能少,在同一转速下喷水推进器所消耗的功率就多。
航速为0即船不动时,没有来流,也就没有水的附加功能带入,在同一转速下,喷水推进器消耗的功率最多。
但同时也可以看出,这种来流附加动能对喷水推进器功率的影响相对于航速对螺旋桨的影响小很多。
从图5中可看出,航速等于0时的喷水推进器功率特性曲线高于航速等于43kn时的功率特性曲线,但高出的幅值较小。
但图4显示,在螺旋桨推进中,航速为0(即系泊工况)时,螺旋桨功率与转速的特性曲线与正常阻力状态航行时螺旋桨功率与转速的特性曲线相差很大。
图4螺旋桨船航行与系泊工况的螺旋桨功率特性曲线
图5喷泵功率特性曲线
从主机-喷泵的匹配分析可得出以下结论:
1.喷水推进器的动力特性与航速是相关的。
对推进系统来说,喷水推进器的“功率—转速”动力特性与航速有关,动力特性曲线有多条;
低航速所对应的“功率—转速”动力特性曲线高于高航速所对应的“功率—转速”动力特性曲线,航速为0时的“功率—转速”动力特性曲线最高。
这些特性间的差异不大且有近似的平移关系.
2.在喷水推进系统中,航速对喷水推进器功率、喷水推进器力矩有影响,但影响不大;
而在螺旋桨推进中航速对螺旋桨功率、螺旋桨力矩的影响巨大.
3.由于喷泵“功率—转速”、“力矩—转速”动力特性受航速影响很小,故“船—泵—机”推进系统的匹配设计要易于“船—桨—机”的匹配设计,且在推进系统的日常使用中,如加速过程中和重载情况下,主机一般不会超负荷.
4.在推进系统设计与日常使用中,要关注“机—泵”匹配是否进入喷水推进器工作时数受限区(这是喷水推进器工作低效区或空泡穴蚀区)。
喷水推进系统在加速过程中主机转速和功率很容易提升(这是因为喷水推进器动力特性受航速影响很小的缘故),这样主机的转速和功率容易进入喷水推进器低效区和空泡穴蚀区.此外高航速、大舵角转弯时也要给予足够的关注。
这是因航速降低较多,而主机又工作在额定功率附近.在这种情况下喷水推进器也很容易进入喷水推进器的低效区和空泡穴蚀区。
2.3船-机-推进器匹配的理论计算方法
推进器的设计要求船舶在一定情况下选择效率最佳的推进器。
对普通船舶即指满载时以全速或用正常马力航行的工况。
船舶在设计状态航行,不仅要求推进器的效率最佳,且船体-主机-推进器间的配合十分完善。
但由于船舶实际航行状态复杂,外界情况改变(例如风浪、污底、航道深度、装载情况等)直接引起船体阻力的变化。
导致航速、推进器工作情况、主机功率及转速等都将发生变化。
推进器与主机装在船上成为一个复杂的联动机构。
主机为机械能的发生器,推进器作为能量的转换器(将主机的旋转能转换为推力能),而船体则为能量的需求者(即推进器的推力能消耗于船体阻力的做功)。
因此,船体-主机-推进器间能量转换及工作状态是相互牵制和相互关联的。
船舶在等速并以直线航行时,主机与推进器间有下列关系:
1)运动的:
推进器的转数等于主机的转数(不存在减速器的条件);
2)动力的:
推进器所需的转力矩等于主机所能供给的转力矩。
同样,在船体与推进器间也存在下列关系:
推进器的进速等于伴流修正后的船速,即VA=Vs(1-w);
推进器的有效推力等于船体所遭受的阻力,即T(1-t)=R。
讨论船速变化(即主机的部分马力航行)时推进器的工作情况。
当船开航时,船速及船体阻力为0,主机以某一转速带动推进器,此时推进器进速系数J=0,其发出的推力启动船舶作加速运动。
其后,船速渐增,阻力加大,而推进器的进速系数也随之渐增。
若转速保持不变,则推力因进速系数增加而略减,如转速继续增加,则推力可能续增。
当船速与转速达到适当的关系后,推进器发出的推力恰能克服船体阻力,推进器所承受的转矩亦恰为主机的提供转矩,则供求互相平衡,船即以等速度前进,保持推进器在一定的进速系数下工作。
我们可将推进器视为主机制动器。
在某一定船速时增加转速,则推进器进速系数减小,发出较大推力并吸收较大的转矩。
如因增加转速所需的转矩已达到主机所能供给的数值,则转速不能再增,防止主机发生过载。
在航行中若将主机的马力减低,则推进器的转速、推力及船速皆减,其结果为转速与船速达到另一个平衡关系。
普通低速船舶在保持排水量不变的情况下,其阻力与船速Vs约略成平方关系,即有效马力与Vs3成比例。
若伴流分数w、推力减额分数t和相对旋转效率ηR不随船速变化的话,则螺旋桨推力与进速VA成平方关系。
据螺旋桨比较定律可知,符合此种关系之条件为进速系数J值相同,因此普通低速船舶以不同马力航行(保持排水量不变)时主机的转速大致与船速成比例,主机马力则约略与转速的三次方成比例。
换句话说,螺旋桨在不同转速下工作时所要求的主机马力约略与转速的三次方成比例,表示此种关系的PS-n3曲线通常称为推进特性曲线。
但其他类型船舶的阻力不一定与Vs2成比例关系,故实际情况常较上述者复杂。
●船-机-桨匹配的计算方法(针对排水型船舶):
对排水型船舶,在一定的航速范围内,船体阻力R、航速Vs和阻力系数C1的关系可定义为:
考虑船体与螺旋桨的相互作用,可得螺旋桨进速VA及伴流w表示为:
恒速航行时每个桨推力T与阻力R、推力减额t、轴数Kp的关系为:
式中
螺旋桨的推力T与敞水螺旋桨推力系数KT、螺旋桨转速np、螺旋桨直径D、密度ρ之间的关系为:
螺旋桨的进速系数可定义为:
因此,
其中常数
式1.20表示为保证某个航速Vs的船舶推进所需要的推力系数KT与进速系数J的函数关系(二次抛物线)。
这是船舶推进的需求,而保证推进的是螺旋桨(KT-J的敞水特性曲线)。
两曲线的交点(图1中X点)就是匹配点,也是该工况下“船-桨”子系统的工作点。
其物理意义为船体推进所需求的推力系数正是螺旋桨所能提供的推力系数,当然,也可理解为螺旋桨所能提供的推力系数中只有该点满足船舶推进的需求。
(确定推力平衡)
根据船后螺旋桨的实际力矩Mp、敞水力矩Q、相对旋转效率ηR的关系式:
敞水力矩Q与力矩系数KQ间的关系式为:
可得:
为保证推进,需要一个螺旋桨提供的功率为:
式1.24给出保证船舶以航速Vs航行时的一个螺旋桨的负载特性。
任意航速所对应的船体阻力都可变换成一个螺旋桨负载特性曲线所对应的一个点。
在已知每轴共同驱动的主机台数Ke、传动效率ηt和齿轮箱的减速比i=ne/np的情况下,可得主机输出的有效功率为:
公式1.25反映了主机的有效功率PB与主机转速ne表示的螺旋桨负载特性。
图6推力平衡
图7功率匹配机-桨
采用相同的方法计算船-机-泵的匹配,由于在喷泵中,扭矩系数KQ基本不随转速n和航速VA产生变化,基本呈一常数。
因此在功率匹配中,不会产生像螺旋桨时的不同进速比产生一个对应的系数C5的情况,所以功率匹配相对更为简单。
3船体与喷水推进系统相互作用试验简介
3.1螺旋桨主要的试验规范
下面介绍下成熟的螺旋桨试验规范,螺旋桨实验主要包含以下四方面内容:
Ø
敞水试验
自航试验
气蚀测试
其他内容(尾迹测试,船体压力测试,噪声测量等)
螺旋桨的敞水试验可以在敞水箱或气蚀滚筒中进行。
虽然在敞水箱与气蚀滚筒中测得的螺旋桨特性过程会有所差异,但螺旋桨的特性是相同的。
螺旋桨的无量纲参数可定义为:
推力系数
扭矩系数
进速系数
敞水效率
在敞水箱中,通常采用保持螺旋桨转速n不变,改变V,来获得不同的进速系数。
而在气蚀滚筒中,通常采用改变螺旋桨转速n,保持V不变来获得不同进速系数。
自航试验用来预估不同速度下的船舶功率,并推导推进系数,实效伴流分数wt,推力减额分数t,以及旋转效率
船体内部装有驱动电机及测力计用于螺旋桨推力、扭矩及转速的测量。
船体附属,如舵、托架、螺旋桨轴系、轴套等在试验中也应具备。
螺旋桨的缩比应该与船体的缩比保持一致。
在自航试验中,在试验中需施加一个额外的拖曳力FD,用于对实船与船模间摩擦阻力系数的差异进行补偿。
自航试验包含三个过程:
1.负载变化(或恒速)方法
2.恒定载荷方法
3.混合载荷方法
推进系数的确定
推力、扭矩、转速及航速在自航试验中进行测量。
这些数值用以推导推进系数。
船舶(非光体)的船体阻力及螺旋桨的敞水特性也需要用以对推进系数进行推导。
主要介绍等推力方法。
◆等推力方法
推进系数Jp在自航试验中获得,相对应的推力系数KTP也被同时计算。
从敞水特性曲线上,推导出相同推力系数时的JOT,KQT和ηOT。
图8等推力法
等推力伴流分数可计算得出:
其中下标为P表示自航试验测量得出的数值,下标O表示敞水试验测试的数值。
推力减额分数可以计算得出:
其中Rm为船模在速度Vs时的船体阻力。
FD为附加的拖曳力,用以补偿实船和船模间犹豫雷诺数不同而产生的摩擦阻力差异。
等推力相对旋转效率可计算得出:
推进效率ηD可计算得出:
3.2船体-喷水推进系统相互作用试验规范
喷水推进系统的试验通常由两部分组成,一部分是喷推系统中的核心喷泵的水力性能试验,与螺旋桨的敞水试验类似。
另一部分时喷推系统-船体相互作用的试验,通常称为实船试验。
由于喷泵其本质属于水泵的一类,所以喷泵的试验规范也与水泵的规范基本相同。
下面给出Hamilton对于喷泵的水力试验采用的方法。
Hamilton的喷推试验台示意图如图9所示。
试验台属于闭式试验台,压力可调。
测试组件(阴影区域)包含安装在光学玻璃空腔内叶轮进行可视化及气蚀试验,导叶。
流动调直器和设置长度要足够长确保均匀入流进入叶轮节流流量测试设备的上游。
水温被监控并保持在15℃左右。
图9喷泵水力性能测试试验台
TroqueTransducer
Nozzle
Venturi
Orifice
Gearbox
AdjustableFloor
扭矩传感器
喷嘴
文丘里管
节流孔
齿轮箱
可调平板
测量位置
流量Q
静压P
当地速度
压力
1,2,3
✓
C1,C2
D1,D2
流量在节流孔处测量并可通过喷嘴调整。
水泵水头通过位置C1和C2处的压力计测量,且可通过不同尺寸的文丘里管(限流器)调整。
当地速度和压力通过特殊设计探头测量。
通过此试验台主要可测量喷泵的流量、扬程、功率及NPSHr的水力性能。
由于喷推系统的试验技术目前还不成熟,加之其属于高度竞争的一类产品,对于喷推与船体相互作用的试验报告鲜有报道,目前试验推荐的依然是ITTC21届提出的规范,但对试验结果依然存在着很大的争议,且会议也正式提出将CFD方法作为分析船体-喷水推进系统作用的优先采用方法。
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