船海工程 2006年第6期(总第175期)
文章编号 1671-7953(2006) 06-0020-03
尾板对高速双体船阻力性能影响的研究
张大有 张 艳
武汉理工大学交通学院 武汉 430063
摘 要 介绍尾板改善船舶性能的流体动力机理, 对加装不同参数尾板的高速双体船的阻力性能进行模型试验和对比分析, 验证了尾板可以减小尾波能量的损耗, 减阻效果明显, 并提出可调下反角尾板的设想。
关键词 尾板 尾压浪板 高速双体船 模型试验 阻力性能
中图分类号 U 661. 31+1 文献标识码 A
On the effect of stern plate upon resistance performance
of the high -speed catamaran
ZHANG Da -you ZHANG Yan
Schoo l of T ransportation Wuhan U niversit y of T echnolog y Wuhan 430063
A bstra ct T he hydrokinetics mechani sm of stern plate improving ship s performance is introduced. M odel tests were carried on for comparative analysis of the resistance performance for the high -speed catamaran equipped with stern plate of different parameters. T he results showed that the ster n plate can decrease the energy loss of wake so as to reduce resistance obviously. Furthermore, the authors put forward some ideas of the stern plate with adjustable flap angle.
Key words stern plate stern w av e -suppressing plate hig h -speed catamaran model test resistance perfo r -mance
20世纪70年代开始, 在高速水面舰艇上应用尾板节能, 获得了较好的效果, 在主机功率不变的
情况下, 设计航速可提高1kn 以上[1]。由于尾板的节能效果及低廉的改装费用, 美国投入相当人力、物力进行模型试验, 研究尾板对舰船水动力性能的影响并获得成功。最典型的应用是将试验所得到的尾板优化方案安装在现役FFG -7级护卫舰FFG -25USS COPELAND 号上, 节能效果明显[2]。安装尾板可以在不对船体作大幅改动情况下, 达到提高航速、减少螺旋桨空泡和噪声、改善发动机可靠性及节约燃料的目的; 并且该装置有结构简单、安装方便的特点, 可适用于多种舰船。
影响。通过分析, 本试验选择了3个尾板设计参数:尾板弦长、展长和下反角(尾板和静水面间的夹角) 。
尾板设计主要根据船舶的任务要求及船型而定。模型试验表明尾板主要设计参数与船舶阻力性能有一定的关系。在低速时, 尾板对阻力不利; 在中速时, 尾板有一个使阻力从不利转为有利的转折点; 在高速时, 尾板使阻力下降。增加尾板弦长和下反角, 对低速时的阻力不利, 并延伸阻力影响的转折点, 但对高速的阻力明显有利。因此, 尾板的设计必须在减小高速阻力的同时使低速时的阻力增加最小。要说明的是, 尾板在某些速度下对阻力不利, 这仅是从模型试验得出的结论。至今, 所有的实船试验表明, 尾板在试验速度范围内均未发现对阻力有不利的影响。
另外尾板的设计应考虑从船体外侧边缘来决定尾板的平面形状及尾板和船体之间的光顺配合。为了简化尾板的结构和降低制造费用, 大多数情况下, 尾板端部采用简单的圆弧形。
[3]
1 尾板的流体动力概念
尾板的作用使船体尾部的船底表面向后作相对小的延伸。尾板设计参数的选定采用以下两个原则:一是利用选定的参数能够设计出工程上实用的尾板方案; 二是这些参数对船舶快速性能有较显著
收稿日期 2006-06-09修回日期 2006-06-30
作者简介 张大有(1946-) , 男, 本科, 教授。
2 试验模型及试验方案
2. 1 母型船主尺度及系数
母型船主尺度及系数见表1。
尾板对高速双体船阻力性能影响的研究 张大有 张 艳
表1 母型船主尺度及系数主尺度
设计水线L wl 两柱间长L bp
片体设计水线宽b 设计吃水T 方形系数C b
间距比
b
设计航速v s
数值30m 30m 2. 85m 1. 2m 0. 492
2. 632kn
曲线, 其中减阻效果最理想的为船模加装弦长52mm , 10
下反角的尾板方案。
试验船模缩尺比 =8. 571, 船长L =3. 5m 。船模为木质, 表面油漆光洁, 船首19站处设置半径r =0. 5mm 激流丝。试验在中国航空航天工业部第605研究所高速水动力实验室进行。该实验室水池长510m 、宽6. 5m 、深6. 8m 、水深5. 0m; 拖车速度范围为0. 5~22. 0m/s, 速度精度为0. 2%。2. 2 试验方案
1) 阻力试验编号如下。0:船模带附体; 1:带附体船模加尾板1; 2:带附体船模加尾板2; 3:带附体船模加尾板3。
2) 船模加装三种不同参数尾板的方案见表2。
表2 三种不同参数尾板
尾板编号
1
23
展长
同尾封板宽度同尾封板宽度同尾封板宽度
弦长/mm
70
7052
下反角/( )
3
1010
图2 三种尾板方案P -e v s 比较曲
线图1 三种尾板方案R ts / -v s
比较曲线
2. 3 阻力换算方法
船模阻力换算采用傅汝德阻力换算方法, 其中摩擦阻力系数按1957年ITT C 平板摩擦阻力公式计算, 即C f =0. 075/(lg R n -2) , 实船船模相关因子 C f 取0. 4 10, 试验结果换算为15 淡水实船数据。在测定船模阻力的同时测定船模尾下沉量及尾倾角。
2. 4 换算结果
由船模试验数据换算为实船结果, 并分别用实船单位排水量总阻力R ts / s 与实船速度v s 、剩余阻力系数C r 与傅氏数Fr 、有效功率P e 与实船速度v s 两两之间的关系曲线表示。
-3
2
图3 三种尾板方案C -r Fr
比较曲线
3 试验结果分析
图1~3分别为加装三种不同参数尾板方案下R ts / s ~v s , C r ~Fr , P e ~v s 的试验结果比较
图4 船模加设10 尾板与原型R ts / -v s 对比曲线
船海工程 2006年第6期(总第175期)
反角的尾板与未加装尾板两种状态下R ts / s ~v s , C r ~Fr , P e ~v s 的试验结果比较曲线。其中, 当设计航速v s =32kn 时, 有效功率减小率 P e 达9. 10%。试验所得的部分数据见表3、4及图1~6。
通过三种不同参数方案尾板的模型试验研究, 定量分析了尾板的节能效果。高速双体船加装尾板后有利于船舶性能改善的流体动力机理可归纳如下。
1) 尾板的主要作用在于抑制 鸡尾流 , 减小尾浪, 使尾波能量损耗减少。
2) 尾板的安装相当于增加了船长, 有利于兴波阻力降低。
3) 加装尾板后, 船舶的尾倾有一定程度的减小, 调整了船舶航行姿态。
4) 尾板可改变船后体流场, 使得船体尾部下方流体减速, 引起船体尾部压力增加, 从而产生作用在后体上的推力。同时, 由于流速降低, 并扩展至螺旋桨盘面处使压力增加, 有利于螺旋桨效率
图6 船模加设10 尾板与原型C r -Fr 对比曲线 表3 实船加装尾板前后有效功率P e 的比较v s /kn [***********]
Fr 0. 360. 480. 600. 720. 840. 900. 961. 021. 08
有效功率减小
未加装尾板加装尾板3率 P e /(%) 166. 05478. 76693. 41948. 751318. 071546. 131807. 152106. 592473. 81
152. 38433. 11638. 54860. 571189. 241407. 761642. 701975. 012335. 53
8. 239. 547. 919. 299. 778. 959. 106. 255. 59
P e /kW
图5 船模加设10 尾板与原型P -e v s
对比曲线
和抗空泡性能。
通过试验观察及分析发现, 对于高速双体船, 尾板对调整船舶航行姿态的作用很敏感, 尤其是高速时更为显著, 当船模速度较大时下反角适当减小可能更为有利, 因此采用下反角可随航速调整的尾板装置可能是一项有益的探索。
另外, 从国内外关于尾板的研究成果知, 一般尾板实船试验的效果要优于模型试验的效果, 这是由其尺度效应所致。
4 结论
由试验结果可知, 三种不同方案的尾板均取得一定的减阻效果, 其中减阻效果最理想的为弦长52mm 、10 下反角的尾板方案, 在设计航速下有效功率减小率达到9. 10%, 是一种有效而可靠的减阻措施。
从尾板适用速度范围的角度分析, 其下反角须与船舶航态密切配合才能获得各航速下的最佳效果, 这种配合在高速时尤为敏感, 故提出研究可调下反角尾板的设想是有意义的。
参考文献
[1]程明道. 均匀设计在尾压浪板设计中的应用[J]. 中国
造船, 1999(2) :9-14.
表4 船模加装尾板前后尾下沉量h 及尾倾角 的比较
未加装尾板
v m /(m s -1) 2. 81
3. 514. 224. 925. 626. 33
Fr 0. 4800. 5990. 7200. 8400. 9591. 080
加装尾板3
尾下沉量尾倾角尾下沉量尾倾角h /mm /( ) h /mm /( ) -[1**********]
1. 711. 711. 431. 361. 341. 26
-461111129
1. 051. 060. 530. 18-0. 09-0. 38
图4~6分别为船模加装弦长52mm , 10 下
船海工程 2006年第6期(总第175期) 文章编号 1671-7953(2006) 06-0023-03
船舶主推调距桨方案设计与实现
邱晓峰 陈昌鄂 侯秀举
武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084
摘 要 论述调距桨的工作原理及调距桨方案设计方法, 提出用图谱设计法实现方案设计, 即根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制专用的各类图谱进行设计, 为后期的调距桨装置的设计打下基础。
关键词 可调螺距螺旋桨 尺寸要素 惯性要素 方案设计中图分类号 U 661. 33+6 文献标识码 A
T he realization and project design for the marine main
controllable pitch propeller
QIU X iao -feng CHEN Chang -e HOU X iu -ju Wuhan M ar ine M achinery Co. , L T D. Wuhan 430084
Abstract T he wor king principal and project design met hod of the controllable pitch propeller (CP P) are ana -ly zed. T he realization of the project design for the CPP by means of charts design method is discussed, in w hich the propeller design charts w er e established from t he ex perimental results of the open -w ater test of models. It is the base of the later design for the CPP.
Key words co ntrollable pitch propeller dimension inertia factors project desig n
可调螺距螺旋桨CPP (controllable pitch propeller) 目前被广泛地应用到各类船舶的动
力系统中, 成为船舶系统主要的推进装置之一。调距桨能在主机的输出转速和旋向不变的情况下, 将主机产生的功率转换成克服船体阻力, 维持一定航速的有效功率。螺距可调意味着对于经常进行顺倒车操纵的船舶, 采用调距桨尤有好处。
图1是某渔政执法船的主推调距桨装置的桨毂组件结构示意图, 外油管的液压油与桨毂油缸的前腔相通, 内油管的液压油与桨毂油缸的后腔相通。遥控系统的信号控制液压系统通过内外油管向桨毂油缸的前后腔供液压油,
使活塞往复运
图1 调距桨桨毂结构
动, 从而带动活塞杆往复运动, 活塞杆通过滑块使曲柄销盘在桨毂体内旋转运动, 进而改变桨叶的螺距角。
在接到调距桨产品需求订单的时候, 无论是市场部, 还是产品设计部的工程技术人员都需要
2001(4) :7-12.
[4]刘晓东, 李白齐, 朱德祥. 高速水面舰加装尾板后的船
舶兴波模拟[C]. 船舶水动力学学术会议, 武汉理工大学交通学院, 2004:9-15.
收稿日期 2006-05-24修回日期 2006-06-30
作者简介 邱晓峰(1970-) , 男, 硕士, 工程师。
[2]程明道, 刘晓东, 张建武. 艉板对高速水面舰水动力影
响的模型试验研究[C]. 船舶水动力学学术会议, 武汉理工大学交通学院, 2004:1-8.
[3]清 泉. 艉板对推进性能的影响[J].航海科技动态,
船海工程 2006年第6期(总第175期)
文章编号 1671-7953(2006) 06-0020-03
尾板对高速双体船阻力性能影响的研究
张大有 张 艳
武汉理工大学交通学院 武汉 430063
摘 要 介绍尾板改善船舶性能的流体动力机理, 对加装不同参数尾板的高速双体船的阻力性能进行模型试验和对比分析, 验证了尾板可以减小尾波能量的损耗, 减阻效果明显, 并提出可调下反角尾板的设想。
关键词 尾板 尾压浪板 高速双体船 模型试验 阻力性能
中图分类号 U 661. 31+1 文献标识码 A
On the effect of stern plate upon resistance performance
of the high -speed catamaran
ZHANG Da -you ZHANG Yan
Schoo l of T ransportation Wuhan U niversit y of T echnolog y Wuhan 430063
A bstra ct T he hydrokinetics mechani sm of stern plate improving ship s performance is introduced. M odel tests were carried on for comparative analysis of the resistance performance for the high -speed catamaran equipped with stern plate of different parameters. T he results showed that the ster n plate can decrease the energy loss of wake so as to reduce resistance obviously. Furthermore, the authors put forward some ideas of the stern plate with adjustable flap angle.
Key words stern plate stern w av e -suppressing plate hig h -speed catamaran model test resistance perfo r -mance
20世纪70年代开始, 在高速水面舰艇上应用尾板节能, 获得了较好的效果, 在主机功率不变的
情况下, 设计航速可提高1kn 以上[1]。由于尾板的节能效果及低廉的改装费用, 美国投入相当人力、物力进行模型试验, 研究尾板对舰船水动力性能的影响并获得成功。最典型的应用是将试验所得到的尾板优化方案安装在现役FFG -7级护卫舰FFG -25USS COPELAND 号上, 节能效果明显[2]。安装尾板可以在不对船体作大幅改动情况下, 达到提高航速、减少螺旋桨空泡和噪声、改善发动机可靠性及节约燃料的目的; 并且该装置有结构简单、安装方便的特点, 可适用于多种舰船。
影响。通过分析, 本试验选择了3个尾板设计参数:尾板弦长、展长和下反角(尾板和静水面间的夹角) 。
尾板设计主要根据船舶的任务要求及船型而定。模型试验表明尾板主要设计参数与船舶阻力性能有一定的关系。在低速时, 尾板对阻力不利; 在中速时, 尾板有一个使阻力从不利转为有利的转折点; 在高速时, 尾板使阻力下降。增加尾板弦长和下反角, 对低速时的阻力不利, 并延伸阻力影响的转折点, 但对高速的阻力明显有利。因此, 尾板的设计必须在减小高速阻力的同时使低速时的阻力增加最小。要说明的是, 尾板在某些速度下对阻力不利, 这仅是从模型试验得出的结论。至今, 所有的实船试验表明, 尾板在试验速度范围内均未发现对阻力有不利的影响。
另外尾板的设计应考虑从船体外侧边缘来决定尾板的平面形状及尾板和船体之间的光顺配合。为了简化尾板的结构和降低制造费用, 大多数情况下, 尾板端部采用简单的圆弧形。
[3]
1 尾板的流体动力概念
尾板的作用使船体尾部的船底表面向后作相对小的延伸。尾板设计参数的选定采用以下两个原则:一是利用选定的参数能够设计出工程上实用的尾板方案; 二是这些参数对船舶快速性能有较显著
收稿日期 2006-06-09修回日期 2006-06-30
作者简介 张大有(1946-) , 男, 本科, 教授。
2 试验模型及试验方案
2. 1 母型船主尺度及系数
母型船主尺度及系数见表1。
尾板对高速双体船阻力性能影响的研究 张大有 张 艳
表1 母型船主尺度及系数主尺度
设计水线L wl 两柱间长L bp
片体设计水线宽b 设计吃水T 方形系数C b
间距比
b
设计航速v s
数值30m 30m 2. 85m 1. 2m 0. 492
2. 632kn
曲线, 其中减阻效果最理想的为船模加装弦长52mm , 10
下反角的尾板方案。
试验船模缩尺比 =8. 571, 船长L =3. 5m 。船模为木质, 表面油漆光洁, 船首19站处设置半径r =0. 5mm 激流丝。试验在中国航空航天工业部第605研究所高速水动力实验室进行。该实验室水池长510m 、宽6. 5m 、深6. 8m 、水深5. 0m; 拖车速度范围为0. 5~22. 0m/s, 速度精度为0. 2%。2. 2 试验方案
1) 阻力试验编号如下。0:船模带附体; 1:带附体船模加尾板1; 2:带附体船模加尾板2; 3:带附体船模加尾板3。
2) 船模加装三种不同参数尾板的方案见表2。
表2 三种不同参数尾板
尾板编号
1
23
展长
同尾封板宽度同尾封板宽度同尾封板宽度
弦长/mm
70
7052
下反角/( )
3
1010
图2 三种尾板方案P -e v s 比较曲
线图1 三种尾板方案R ts / -v s
比较曲线
2. 3 阻力换算方法
船模阻力换算采用傅汝德阻力换算方法, 其中摩擦阻力系数按1957年ITT C 平板摩擦阻力公式计算, 即C f =0. 075/(lg R n -2) , 实船船模相关因子 C f 取0. 4 10, 试验结果换算为15 淡水实船数据。在测定船模阻力的同时测定船模尾下沉量及尾倾角。
2. 4 换算结果
由船模试验数据换算为实船结果, 并分别用实船单位排水量总阻力R ts / s 与实船速度v s 、剩余阻力系数C r 与傅氏数Fr 、有效功率P e 与实船速度v s 两两之间的关系曲线表示。
-3
2
图3 三种尾板方案C -r Fr
比较曲线
3 试验结果分析
图1~3分别为加装三种不同参数尾板方案下R ts / s ~v s , C r ~Fr , P e ~v s 的试验结果比较
图4 船模加设10 尾板与原型R ts / -v s 对比曲线
船海工程 2006年第6期(总第175期)
反角的尾板与未加装尾板两种状态下R ts / s ~v s , C r ~Fr , P e ~v s 的试验结果比较曲线。其中, 当设计航速v s =32kn 时, 有效功率减小率 P e 达9. 10%。试验所得的部分数据见表3、4及图1~6。
通过三种不同参数方案尾板的模型试验研究, 定量分析了尾板的节能效果。高速双体船加装尾板后有利于船舶性能改善的流体动力机理可归纳如下。
1) 尾板的主要作用在于抑制 鸡尾流 , 减小尾浪, 使尾波能量损耗减少。
2) 尾板的安装相当于增加了船长, 有利于兴波阻力降低。
3) 加装尾板后, 船舶的尾倾有一定程度的减小, 调整了船舶航行姿态。
4) 尾板可改变船后体流场, 使得船体尾部下方流体减速, 引起船体尾部压力增加, 从而产生作用在后体上的推力。同时, 由于流速降低, 并扩展至螺旋桨盘面处使压力增加, 有利于螺旋桨效率
图6 船模加设10 尾板与原型C r -Fr 对比曲线 表3 实船加装尾板前后有效功率P e 的比较v s /kn [***********]
Fr 0. 360. 480. 600. 720. 840. 900. 961. 021. 08
有效功率减小
未加装尾板加装尾板3率 P e /(%) 166. 05478. 76693. 41948. 751318. 071546. 131807. 152106. 592473. 81
152. 38433. 11638. 54860. 571189. 241407. 761642. 701975. 012335. 53
8. 239. 547. 919. 299. 778. 959. 106. 255. 59
P e /kW
图5 船模加设10 尾板与原型P -e v s
对比曲线
和抗空泡性能。
通过试验观察及分析发现, 对于高速双体船, 尾板对调整船舶航行姿态的作用很敏感, 尤其是高速时更为显著, 当船模速度较大时下反角适当减小可能更为有利, 因此采用下反角可随航速调整的尾板装置可能是一项有益的探索。
另外, 从国内外关于尾板的研究成果知, 一般尾板实船试验的效果要优于模型试验的效果, 这是由其尺度效应所致。
4 结论
由试验结果可知, 三种不同方案的尾板均取得一定的减阻效果, 其中减阻效果最理想的为弦长52mm 、10 下反角的尾板方案, 在设计航速下有效功率减小率达到9. 10%, 是一种有效而可靠的减阻措施。
从尾板适用速度范围的角度分析, 其下反角须与船舶航态密切配合才能获得各航速下的最佳效果, 这种配合在高速时尤为敏感, 故提出研究可调下反角尾板的设想是有意义的。
参考文献
[1]程明道. 均匀设计在尾压浪板设计中的应用[J]. 中国
造船, 1999(2) :9-14.
表4 船模加装尾板前后尾下沉量h 及尾倾角 的比较
未加装尾板
v m /(m s -1) 2. 81
3. 514. 224. 925. 626. 33
Fr 0. 4800. 5990. 7200. 8400. 9591. 080
加装尾板3
尾下沉量尾倾角尾下沉量尾倾角h /mm /( ) h /mm /( ) -[1**********]
1. 711. 711. 431. 361. 341. 26
-461111129
1. 051. 060. 530. 18-0. 09-0. 38
图4~6分别为船模加装弦长52mm , 10 下
船海工程 2006年第6期(总第175期) 文章编号 1671-7953(2006) 06-0023-03
船舶主推调距桨方案设计与实现
邱晓峰 陈昌鄂 侯秀举
武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084
摘 要 论述调距桨的工作原理及调距桨方案设计方法, 提出用图谱设计法实现方案设计, 即根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制专用的各类图谱进行设计, 为后期的调距桨装置的设计打下基础。
关键词 可调螺距螺旋桨 尺寸要素 惯性要素 方案设计中图分类号 U 661. 33+6 文献标识码 A
T he realization and project design for the marine main
controllable pitch propeller
QIU X iao -feng CHEN Chang -e HOU X iu -ju Wuhan M ar ine M achinery Co. , L T D. Wuhan 430084
Abstract T he wor king principal and project design met hod of the controllable pitch propeller (CP P) are ana -ly zed. T he realization of the project design for the CPP by means of charts design method is discussed, in w hich the propeller design charts w er e established from t he ex perimental results of the open -w ater test of models. It is the base of the later design for the CPP.
Key words co ntrollable pitch propeller dimension inertia factors project desig n
可调螺距螺旋桨CPP (controllable pitch propeller) 目前被广泛地应用到各类船舶的动
力系统中, 成为船舶系统主要的推进装置之一。调距桨能在主机的输出转速和旋向不变的情况下, 将主机产生的功率转换成克服船体阻力, 维持一定航速的有效功率。螺距可调意味着对于经常进行顺倒车操纵的船舶, 采用调距桨尤有好处。
图1是某渔政执法船的主推调距桨装置的桨毂组件结构示意图, 外油管的液压油与桨毂油缸的前腔相通, 内油管的液压油与桨毂油缸的后腔相通。遥控系统的信号控制液压系统通过内外油管向桨毂油缸的前后腔供液压油,
使活塞往复运
图1 调距桨桨毂结构
动, 从而带动活塞杆往复运动, 活塞杆通过滑块使曲柄销盘在桨毂体内旋转运动, 进而改变桨叶的螺距角。
在接到调距桨产品需求订单的时候, 无论是市场部, 还是产品设计部的工程技术人员都需要
2001(4) :7-12.
[4]刘晓东, 李白齐, 朱德祥. 高速水面舰加装尾板后的船
舶兴波模拟[C]. 船舶水动力学学术会议, 武汉理工大学交通学院, 2004:9-15.
收稿日期 2006-05-24修回日期 2006-06-30
作者简介 邱晓峰(1970-) , 男, 硕士, 工程师。
[2]程明道, 刘晓东, 张建武. 艉板对高速水面舰水动力影
响的模型试验研究[C]. 船舶水动力学学术会议, 武汉理工大学交通学院, 2004:1-8.
[3]清 泉. 艉板对推进性能的影响[J].航海科技动态,