CN112896448A - 混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法，包括水池试验设备，水池试验设备包括敞水试验设备、阻力试验设备和自航试验设备；敞水试验设备的结构为：包括敞水动力仪，敞水动力仪的头部安装有前桨，还包括支撑架，支撑架上安装有吊舱天平，吊舱天平的顶部安装有伺服电机，伺服电机的输出端连接吊舱动力仪，支撑架的底部安装有防溅板，防溅板的底部安装流线型支柱，流线型支柱的底部安装有端板，所述吊舱动力仪依次穿过支撑架、流线型支柱和端板，并在吊舱动力仪头部安装后桨；可实现混合对转吊舱推进船舶的敞水性能、阻力性能和自航因子分析，进而预报实船航速以及前后桨的功率分配及转速比。

Description

混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法

技术领域

本发明涉及船舶动力学试验技术领域，尤其是一种混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法，适用于混合对转吊舱推进船舶的水池试验验证方面。

背景技术

混合对转吊舱推进系统概念是由芬兰的ABB公司提出的，将一个可操纵的吊舱模块安装在标准螺旋桨之后，两桨布置在同一轴线上，但没任何物理连接。吊舱螺旋桨与主螺旋桨旋转方向相反。这种布置使主螺旋桨产生的尾流旋转能量被吊舱桨吸收，提高水动力效率。混合对转吊舱推进系统巧妙的将对转螺旋桨与吊舱推进器的优势结合起来，既拥有吊舱推进器良好的操纵性能，又具有对转螺旋桨较高的推进效率，试验表明该推进系统可提高15％的推进效率。目前国外已有多艘采用混合对转吊舱推进系统的船舶投入运营，表现出了优良的推进性能。

混合对转吊舱推进系统重新分配了螺旋桨的载荷，使前桨载荷减少，从而可以减小螺旋桨直径，增大桨叶梢部与船体的间隙，达到降噪和减轻船体振动的目的。在混合对转吊舱推进系统设计时首先要考虑前后桨参数的匹配问题，若双桨的尺寸、叶数、转速比等匹配不合适，都会影响载荷分配、船体振动、推进效率，无法发挥其高效节能的优势。因而，混合对转吊舱推进系统设计好后首先需要进行水池试验进行匹配性验证，确定推进性能最佳的参数组合方案。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法，从而可以实现混合对转吊舱推进船舶的敞水性能、阻力性能和自航因子分析，进而预报实船航速以及前后桨的功率分配及转速比。

本发明所采用的技术方案如下：

一种混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，包括水池试验设备，

所述水池试验设备包括敞水试验设备、阻力试验设备和自航试验设备；

所述敞水试验设备的结构为：包括敞水动力仪，所述敞水动力仪的头部安装有前桨，还包括支撑架，所述支撑架上安装有吊舱天平，所述吊舱天平的顶部安装有伺服电机，所述伺服电机的输出端连接吊舱动力仪，所述支撑架的底部安装有防溅板，所述防溅板的底部安装流线型支柱，流线型支柱的底部安装有端板，所述吊舱动力仪依次穿过支撑架、流线型支柱和端板，并在吊舱动力仪头部安装后桨；

所述阻力试验设备的结构为：包括升降平台，所述升降平台的中部安装有阻力仪，所述阻力仪的底部连接船模，所述船模中部安装有自航仪；

所述自航试验设备的结构为：船模，所述船模的上部安装有吊舱天平，所述吊舱天平的上部安装伺服电机，所述伺服电机的输出端安装吊舱动力仪，所述吊舱动力仪的头部安装后桨，所述船模的内部安装有另外一个伺服电机，所述伺服电机的输出端安装自航仪，所述自航仪的输出端安装前桨；

水池试验方法包括如下步骤：

步骤一：敞水动力仪正装单独前桨敞水试验：针对前桨，敞水动力仪正装，单独测量前桨的敞水性能曲线；

步骤二：敞水动力仪正装单独后桨敞水试验：针对后桨，敞水动力仪正装，单独测量后桨的敞水性能曲线；

步骤三：敞水动力仪反装单独前桨敞水试验：针对前桨，敞水动力仪反装，单独测量前桨的敞水性能曲线；

步骤四：吊舱方案带桨单独敞水试验：针对单独吊舱，开展吊舱敞水试验；

步骤五：混合对转方案敞水试验：针对前桨和后桨混合推进方案，开展多个转速比nFP/nAP敞水试验，固定前桨转速，后桨转速随转速比变化；

步骤六：混合对转不带吊舱桨敞水试验：针对前桨且吊舱方案不带桨的推进方案，开展一个转速前桨敞水试验，前桨转速同步骤一。

自航试验设备中，前桨和后桨位于同一轴线位置。

步骤五中，转速比根据主机参数和推进器负荷分配而定。

混合对转吊舱推进船舶的水池试验的数据分析方法，

a、敞水试验数据处理和表达方式：

在每一个确定的前桨、后桨的转速比n_FP/n_AP，需进行一次完整的敞水试验；敞水试验步骤一和步骤二中用敞水动力仪测得前、后桨转速n_FP、n_AP，前桨、后桨的推力T_FP、T_AP及扭矩Q_FP、Q_AP，敞水试验步骤四中用盒式天平测得吊舱推力T_AP和吊舱包阻力R_U，吊舱单元有效推力：

T_U＝T_AP-R_U………………………………………(1)

式中：

Tu为：吊舱单元有效推力；

T_AP为：吊舱推力；

R_U为：吊舱包阻力；

把混合对转吊舱推进系统看做一个整体，并以前桨直径、转速进行无量纲化，混合对转吊舱推进系统的进速系数的计算方法如下：

式中：

J_sys为：对转吊舱推进系统敞水进速系数；

w为：伴流分数；

V_A为：进速，单位m/s；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

伴流分数w通过敞水试验方案中的步骤一、步骤三、步骤六获得，

式中：

J_normal是自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤一的敞水结果中对应的进速系数，J_reverse是把自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤三的敞水结果中对应的进速系数；

混合对转吊舱推进系统总推力系数、扭矩系数和敞水效率计算方法如下：

上式中下标SYS代表混合对转吊舱推进系统，下标FP代表前桨，AP代表后桨，U代表吊舱单元，下同；

式中：

K_{T_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水推力系数；

T_FP为：前桨推力，单位N；

Tu为：吊舱单元有效推力；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

K_{Q_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水扭矩系数；

Q_FP为：前桨扭矩，单位Nm；

n_AP为：后桨转速，单位r/s；

Q_AP为：后桨扭矩，单位Nm；

η_{0_SYS}为：对转吊舱推进系统敞水效率；

实桨修正采用ITTC推荐的敞水修正方法进行修正，即：前桨(2)通过ITTC1978常规方法进行修正；后桨通过《Podded Propulsion Tests and Extrapolation》.ITTC 7.5-02-03-01.3进行修正，具体如下：

吊舱推进器单元的尺度效应修正包括两部分，桨叶的修正和吊舱包的阻力修正：

K_TUS＝K_TUm-ΔK_T+ΔK_TU………………………(7)

K_QS＝K_Qm-ΔK_Q…………………………………(8)

式中：

K_TUm、K_TUS为：吊舱单元模型和实物有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值；

ΔK_T、ΔK_Q为：推力系数和扭矩系数的修正量；

ΔK_TU为：吊舱包阻力对单元推力的修正量；

K_Qm、K_QS为：后桨模型和实物的扭矩系数；

式中：ΔK_T和ΔK_Q可通过CB/T 816-2019《螺旋桨模型敞水试验方法》计算得到，K_TUm为吊舱单元有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值，ΔK_TU为吊舱的阻力对单元推力的修正值：

其中

为尺度因子，通常取0.75。

式中：

D_AP为：后桨直径，单位m；

ρ_m为：模型试验水池的水密度，单位kg/m³；

n_m为：后桨转速，单位r/s；

为：后桨吊舱包摩擦力修正量，单位N；

S_m为：吊舱单元的湿表面积，单位m²；

V_m为：吊舱单元敞水时的进速，单位m/s；

C_Tm为：吊舱单元阻力系数；

C_Ts为：吊舱单元对应实物阻力系数；

α为：尺度因子；

因而前桨实桨推力为：

式中：

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

K_{Tm_FP}为：前桨推力系数；

ΔK_{T_FP}为：前桨推力系数修正量；

吊舱实桨推力为：

式中：

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ΔK_{T_AP}为：后桨推力系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨推力系数：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

前桨实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_FP}为：前桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_FP}为：前桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_FP}为：前桨扭矩修正量；

吊舱实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_AP}为：后桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_AP}为：后桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_AP}为：后桨扭矩系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨扭矩系数：

式中：

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

上式中S下标代表实桨，m下标代表模型，下同；

同理完成其他预定转速比对应的敞水试验，并进行试验数据处理及实桨换算；

b.阻力试验数据处理和表达方式；

采用二因次的傅汝德法进行换算，船模测得的阻力R_Tm分成摩擦阻力和剩余阻力两部分，剩余阻力系数C_R为：

其中：

R_Tm为船模测得的阻力，

ρ_m为水的质量密度，

V_m为船模拖曳速度，

S_m为船模的湿表面积，

C_Fm为船模的摩擦阻力系数；

摩擦阻力系数采用ITTC1957公式：

式中：Re为雷诺数

其中V为船的速度，L_WL为船的水线长，ν为水的运动粘性系数，并认为实船和船模的剩余阻力系数一样，即实船的阻力为：

式中：

R_TS为：实船阻力，单位N；

C_TS为：实船阻力系数；

ρ_S为：海水密度，单位kg/m³；

V_S为：实船航行速度，单位m/s；

S_S为：实船光体湿表面积，单位m²；

S_WBK为：实船湿表面积，单位m²；

C_A为：实船换算补贴系数；

C_AA为：实船空气阻力补贴系数；

其中，C_FS按实船的速度、水线长和15℃海水的运动粘性系数采用(18)式计算得到，ρ_S、V_S和S_S分别为15℃海水的质量密度、实船的速度和实船的湿表面积，S_WBK为实船舭龙骨面积，C_A为实船换算补贴系数，C_AA为实船空气阻力补贴系数，

则实船的有效功率为：

P_E＝R_TSV_S……………………………………………(22)

式中：

P_E为：实船航行所需有效功率，单位W；

c.自航试验数据处理和表达方式

自航试验过程亦包括对应数量的转速比n_FP/n_AP，每一个转速比n_FP/n_AP对应一套自航结果，且该转速比的自航结果与敞水试验试验结果对应,

强制力应当包括船体阻力的尺度效应修正量和吊舱包阻力的尺度修正量：

其中，

计算方法见公式(10)，船体阻力的尺度效应修正量：

式中：

为：船体摩擦阻力修正量，单位N；

模型的推力减额分数与实船的推力减额分数：

式中：

t_m为：模型推力减额；

T_Um为：吊舱模型推力(后桨推力)，单位N；

T_FP为：前桨模型推力，单位N；

R_Tm为：模型对应车速下阻力，单位N；

t_S为：实船推力减额；

伴流分数修正

式中：

w_S为：实船伴流分数；

w_m为：模型伴流分数；

C_FS为：实船船长摩擦阻力系数；

C_Fm为：模型船厂摩擦阻力系数；

相对旋转效率η_R不做修正；

d.航速预报及前后桨功率计算：

与敞水试验及自航试验类似的情况，航速预报对应的结果亦是一个转速比n_FP/n_AP对应一套航速及功率预报的结果，自航结果的外推方法如下：

推进系统负载：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

J_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物进速系数；

D_{S_FP}为：前桨实桨直径，单位m；

前桨转速：

推进系统推力：

式中：

T_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物总推力，单位N；

n_{S_FP}为：前桨实桨转速，单位r/s；

推进系统收到功率：

式中：

P_{DS_SYS}为：实船航行所需有效功率，单位W；

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

η_R为：相对旋转效率；

总推进效率：

式中：

η_{D_SYS}为：航行有效功率

前桨负载：

式中：

K_{TS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨推力系数；

J_{S_FP}为：对转吊舱推进系统前桨进速系数；

前桨推力：

前桨收到功率：

式中：

P_{DS_FP}为：前桨所需有效功率，单位W；

K_{QS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨扭矩系数；

吊舱单元负载：

式中：

K_TSU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力系数；

J_{S_AP}为：对转吊舱推进系统后桨进速系数；

T_SU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力；

吊舱单元转速：

吊舱单元推力：

吊舱单元收到功率：

式中：

K_{QS_AP}为：对转吊舱推进系统后桨实桨扭矩系数；

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，利用水池试验设备可以方便的完成混合对转吊舱推进船舶的水池试验工作和数据分析的工作，可实现混合对转吊舱推进船舶的敞水性能、阻力性能和自航因子分析，进而预报实船航速以及前后桨的功率分配及转速比。

混合对转吊舱推进系统重新分配了螺旋桨的载荷，使前桨载荷减少，从而可以减小螺旋桨直径，增大桨叶梢部与船体的间隙，达到降噪和减轻船体振动的目的。在混合对转吊舱推进系统设计时首先要考虑前后桨参数的匹配问题，若双桨的尺寸、叶数、转速比等匹配不合适，都会影响载荷分配、船体振动、推进效率，无法发挥其高效节能的优势。因而，混合对转吊舱推进系统设计好后首先需要进行水池试验进行匹配性验证，确定推进性能最佳的参数组合方案。

附图说明

图1为本发明混合对转吊舱推进系统的敞水试验设备的结构示意图。

图2为本发明混合对转吊舱推进船舶的阻力试验设备的结构示意图。

图3为本发明混合对转吊舱推进船舶的自航试验设备的结构示意图。

图4为本发明试验方法步骤一的结构示意图。

图5为本发明试验方法步骤二的结构示意图。

图6为本发明试验方法步骤三的结构示意图。

图7为本发明试验方法步骤四的结构示意图。

图8为本发明试验方法步骤五的结构示意图。

图9为本发明试验方法步骤六的结构示意图。

其中：1、敞水动力仪；2、前桨；3、吊舱动力仪；4、后桨；5、吊舱天平；6、伺服电机；7、流线型支柱；8、支撑架；9、端板；10、防溅板；11、升降平台；12、阻力仪；13、自航仪；14、船模。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图9所示，本实施例的混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，包括水池试验设备，

水池试验设备包括敞水试验设备、阻力试验设备和自航试验设备；

敞水试验设备的结构为：包括敞水动力仪1，敞水动力仪1的头部安装有前桨2，还包括支撑架8，支撑架8上安装有吊舱天平5，吊舱天平5的顶部安装有伺服电机6，伺服电机6的输出端连接吊舱动力仪3，支撑架8的底部安装有防溅板10，防溅板10的底部安装流线型支柱7，流线型支柱7的底部安装有端板9，吊舱动力仪3依次穿过支撑架8、流线型支柱7和端板9，并在吊舱动力仪3头部安装后桨4；

阻力试验设备的结构为：包括升降平台11，升降平台11的中部安装有阻力仪12，阻力仪12的底部连接船模14，船模14中部安装有自航仪13；

自航试验设备的结构为：船模14，船模14的上部安装有吊舱天平5，吊舱天平5的上部安装伺服电机6，伺服电机6的输出端安装吊舱动力仪3，吊舱动力仪3的头部安装后桨4，船模14的内部安装有另外一个伺服电机6，伺服电机6的输出端安装自航仪13，自航仪13的输出端安装前桨2；

水池试验方法包括如下步骤：

步骤一：敞水动力仪正装单独前桨敞水试验：针对前桨2，敞水动力仪1正装，单独测量前桨2的敞水性能曲线；

步骤二：敞水动力仪正装单独后桨敞水试验：针对后桨4，敞水动力仪1正装，单独测量后桨4的敞水性能曲线；

步骤三：敞水动力仪反装单独前桨敞水试验：针对前桨2，敞水动力仪1反装，单独测量前桨2的敞水性能曲线；

步骤四：吊舱方案带桨单独敞水试验：针对单独吊舱，开展吊舱敞水试验；

步骤五：混合对转方案敞水试验：针对前桨2和后桨4混合推进方案，开展多个转速比nFP/nAP敞水试验，固定前桨2转速，后桨4转速随转速比变化；

步骤六：混合对转不带吊舱桨敞水试验：针对前桨2且吊舱方案不带桨的推进方案，开展一个转速前桨敞水试验，前桨2转速同步骤一。

自航试验设备中，前桨2和后桨4位于同一轴线位置。

步骤五中，转速比根据主机参数和推进器负荷分配而定。

一种混合对转吊舱推进船舶的水池试验的数据分析方法，

a、敞水试验数据处理和表达方式：

在每一个确定的前桨2、后桨4的转速比n_FP/n_AP，需进行一次完整的敞水试验；敞水试验步骤一和步骤二中用敞水动力仪测得前、后桨转速n_FP、n_AP，前桨2、后桨4的推力T_FP、T_AP及扭矩Q_FP、Q_AP，敞水试验步骤四中用盒式天平测得吊舱推力T_AP和吊舱包阻力R_U，吊舱单元有效推力：

T_U＝T_AP-R_U………………………………………(1)

式中：

Tu为：吊舱单元有效推力；

T_AP为：吊舱推力；

R_U为：吊舱包阻力；

把混合对转吊舱推进系统看做一个整体，并以前桨(2)直径、转速进行无量纲化，混合对转吊舱推进系统的进速系数的计算方法如下：

式中：

J_sys为：对转吊舱推进系统敞水进速系数；

w为：伴流分数；

V_A为：进速，单位m/s；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

伴流分数w通过敞水试验方案中的步骤一、步骤三、步骤六获得，

式中：

J_normal是自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤一的敞水结果中对应的进速系数，J_reverse是把自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤三的敞水结果中对应的进速系数；

混合对转吊舱推进系统总推力系数、扭矩系数和敞水效率计算方法如下：

上式中下标SYS代表混合对转吊舱推进系统，下标FP代表前桨，AP代表后桨，U代表吊舱单元，下同；

式中：

K_{T_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水推力系数；

T_FP为：前桨推力，单位N；

Tu为：吊舱单元有效推力；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

K_{Q_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水扭矩系数；

Q_FP为：前桨扭矩，单位Nm；

n_AP为：后桨转速，单位r/s；

Q_AP为：后桨扭矩，单位Nm；

η_{0_SYS}为：对转吊舱推进系统敞水效率；

实桨修正采用ITTC推荐的敞水修正方法进行修正，即：前桨(2)通过ITTC1978常规方法进行修正；后桨通过《Podded Propulsion Tests and Extrapolation》.ITTC 7.5-02-03-01.3进行修正，具体如下：

吊舱推进器单元的尺度效应修正包括两部分，桨叶的修正和吊舱包的阻力修正：

K_TUS＝K_TUm-ΔK_T+ΔK_TU………………………(7)

K_QS＝K_Qm-ΔK_Q…………………………………(8)

式中：

K_TUm、K_TUS为：吊舱单元模型和实物有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值；

ΔK_T、ΔK_Q为：推力系数和扭矩系数的修正量；

ΔK_TU为：吊舱包阻力对单元推力的修正量；

K_Qm、K_QS为：后桨模型和实物的扭矩系数；

式中：ΔK_T和ΔK_Q可通过CB/T 816-2019《螺旋桨模型敞水试验方法》计算得到，K_TUm为吊舱单元有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值，ΔK_TU为吊舱的阻力对单元推力的修正值：

其中

为尺度因子，通常取0.75。

式中：

D_AP为：后桨直径，单位m；

ρ_m为：模型试验水池的水密度，单位kg/m³；

n_m为：后桨转速，单位r/s；

为：后桨吊舱包摩擦力修正量，单位N；

S_m为：吊舱单元的湿表面积，单位m²；

V_m为：吊舱单元敞水时的进速，单位m/s；

C_Tm为：吊舱单元阻力系数；

C_Ts为：吊舱单元对应实物阻力系数；

α为：尺度因子；

因而前桨实桨推力为：

式中：

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

K_{Tm_FP}为：前桨推力系数；

ΔK_{T_FP}为：前桨推力系数修正量；

吊舱实桨推力为：

式中：

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ΔK_{T_AP}为：后桨推力系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨推力系数：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

前桨实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_FP}为：前桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_FP}为：前桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_FP}为：前桨扭矩修正量；

吊舱实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_AP}为：后桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_AP}为：后桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_AP}为：后桨扭矩系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨扭矩系数：

式中：

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

上式中S下标代表实桨，m下标代表模型，下同；

同理完成其他预定转速比对应的敞水试验，并进行试验数据处理及实桨换算；

b.阻力试验数据处理和表达方式；

采用二因次的傅汝德法进行换算，船模测得的阻力R_Tm分成摩擦阻力和剩余阻力两部分，剩余阻力系数C_R为：

其中：

R_Tm为船模测得的阻力，

ρ_m为水的质量密度，

V_m为船模拖曳速度，

S_m为船模的湿表面积，

C_Fm为船模的摩擦阻力系数；

摩擦阻力系数采用ITTC1957公式：

式中：Re为雷诺数

其中V为船的速度，L_WL为船的水线长，ν为水的运动粘性系数，并认为实船和船模的剩余阻力系数一样，即实船的阻力为：

式中：

R_TS为：实船阻力，单位N；

C_TS为：实船阻力系数；

ρ_S为：海水密度，单位kg/m³；

V_S为：实船航行速度，单位m/s；

S_S为：实船光体湿表面积，单位m²；

S_WBK为：实船湿表面积，单位m²；

C_A为：实船换算补贴系数；

C_AA为：实船空气阻力补贴系数；

其中，C_FS按实船的速度、水线长和15℃海水的运动粘性系数采用(18)式计算得到，ρ_S、V_S和S_S分别为15℃海水的质量密度、实船的速度和实船的湿表面积，S_WBK为实船舭龙骨面积，C_A为实船换算补贴系数，C_AA为实船空气阻力补贴系数，

则实船的有效功率为：

P_E＝R_TSV_S……………………………………………(22)

式中：

P_E为：实船航行所需有效功率，单位W；

c.自航试验数据处理和表达方式

自航试验过程亦包括对应数量的转速比n_FP/n_AP，每一个转速比n_FP/n_AP对应一套自航结果，且该转速比的自航结果与敞水试验试验结果对应,

强制力应当包括船体阻力的尺度效应修正量和吊舱包阻力的尺度修正量：

其中，

计算方法见公式(10)，船体阻力的尺度效应修正量：

式中：

为：船体摩擦阻力修正量，单位N；

模型的推力减额分数与实船的推力减额分数：

式中：

t_m为：模型推力减额；

T_Um为：吊舱模型推力(后桨推力)，单位N；

T_FP为：前桨模型推力，单位N；

R_Tm为：模型对应车速下阻力，单位N；

t_S为：实船推力减额；

伴流分数修正

式中：

w_S为：实船伴流分数；

w_m为：模型伴流分数；

C_FS为：实船船长摩擦阻力系数；

C_Fm为：模型船厂摩擦阻力系数；

相对旋转效率η_R不做修正；

d.航速预报及前后桨功率计算：

与敞水试验及自航试验类似的情况，航速预报对应的结果亦是一个转速比n_FP/n_AP对应一套航速及功率预报的结果，自航结果的外推方法如下：

推进系统负载：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

J_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物进速系数；

D_{S_FP}为：前桨实桨直径，单位m；

前桨转速：

推进系统推力：

式中：

T_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物总推力，单位N；

n_{S_FP}为：前桨实桨转速，单位r/s；

推进系统收到功率：

式中：

P_{DS_SYS}为：实船航行所需有效功率，单位W；

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

η_R为：相对旋转效率；

总推进效率：

式中：

η_{D_SYS}为：航行有效功率

前桨负载：

式中：

K_{TS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨推力系数；

J_{S_FP}为：对转吊舱推进系统前桨进速系数；

前桨推力：

前桨收到功率：

式中：

P_{DS_FP}为：前桨所需有效功率，单位W；

K_{QS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨扭矩系数；

吊舱单元负载：

式中：

K_TSU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力系数；

J_{S_AP}为：对转吊舱推进系统后桨进速系数；

T_SU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力；

吊舱单元转速：

吊舱单元推力：

吊舱单元收到功率：

式中：

K_{QS_AP}为：对转吊舱推进系统后桨实桨扭矩系数。

图1为混合对转吊舱推进系统的敞水试验，首先是使用敞水动力仪1进行如步骤一-步骤三所示的前桨2正装和反装敞水试验、后桨4的正装敞水试验；其次使用吊舱动力仪3如步骤四所示进行后桨4的敞水试验，吊舱敞水试验中吊舱动力仪3穿过端板9、流线型支柱7、防溅板10、支撑架8，且与他们不接触、无相互作用力，吊舱动力仪3与吊舱天平5、和伺服电机6相连接。流线型支柱7可避免吊舱杆与水体接触，其流线型剖面设计可减少水体阻力。端板9表面光滑、与水池静水面平行，端板9可避免试验时流线型支柱7对后桨4来流的影响。支撑架8为整个测量系统提供刚性，伺服电机6为吊舱动力仪3提供动力，吊舱天平5测量后桨4的推力和扭矩，防溅板10防止水体上溅、保护吊舱天平5和伺服电机6；最后组合敞水动力仪1和吊舱动力仪3，如步骤E～F所示进行混合对转吊舱推进系统不同转速比下的敞水试验。将上述敞水试验数据经公式(1)～(16)处理，获得混合对转吊舱推进系统的敞水性能。

图2为混合对转吊舱推进船舶的阻力试验，试验过程中船模14在水池中以一速度匀速前进，阻力仪12测量该航速下船模14的航行阻力。阻力试验过程中不安装吊舱装置，前桨2用桨毂代替。将测量的阻力试验数据经公式(17)～(22)处理，获得该船的阻力性能。

图3为混合对转吊舱推进船舶的自航试验，试验中后桨4安装在吊舱动力仪3上，后桨4的轴线与前桨2的在同一直线上，伺服电机6驱动前桨2和后桨4以一定转速转动，自航仪13测量前桨2的推力与扭矩，吊舱天平5测量后桨4的推力与扭矩。将上述测量的自航试验数据经公式(23)～(39)处理，获得该船的收到功率以及混合对转吊舱推进系统的推进效率和负荷情况。

本发明的具体结构和功能如下：

主要涉及的试验设备有：水池拖车(升降平台11)、船模、阻力仪、敞水动力仪、吊舱动力仪、吊舱天平、自航仪。

一种混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法及数据分析方法包括水池试验方法和数据分析方法两部分，其中水池试验方法由敞水试验方法、阻力试验方法、自航试验方法三部分组成，数据分析方法由敞水试验数据处理方法、阻力试验数据处理方法、自航试验数据处理方法三部分组成。

本发明所述的阻力试验和自航试验的做法类似于单桨推进的水面船，不同之处在于在开展阻力试验时，吊舱整体不安装，前桨2以假毂代替。在自航试验时，前桨2和吊舱全部安装，测量不同转速比状态下前、后桨的推力、扭矩和转速，其中后桨的推力应扣除吊舱包的阻力。

本发明中敞水试验较为独特，为了推进器设计的需要，还需额外测量单前桨2、单前桨2倒装、单后桨4、单吊舱等的敞水试验。

本发明中敞水试验方法由六步组成：

步骤一：敞水动力仪正装单独前桨敞水试验：针对前桨，敞水动力仪正装，单独测量前桨的敞水性能曲线；

步骤二：敞水动力仪正装单独后桨敞水试验：针对后桨，敞水动力仪正装，单独测量后桨的敞水性能曲线；

步骤三：敞水动力仪反装单独前桨敞水试验：针对前桨，敞水动力仪反装，单独测量前桨的敞水性能曲线；

步骤四：吊舱方案带桨单独敞水试验：针对单独吊舱，开展吊舱敞水试验；

步骤五：混合对转方案敞水试验：针对前桨和后桨混合推进方案，开展多个转速比nFP/nAP(根据主机参数和推进器负荷分配而定)敞水试验，固定前桨转速，后桨转速随转速比变化；

步骤六：混合对转不带吊舱桨敞水试验：针对前桨且吊舱方案不带桨的推进方案，开展一个转速前桨敞水试验，前桨转速同步骤一。

试验步骤一、步骤二、步骤四是敞水试验，获得该桨的敞水性能，但步骤二和步骤四为可选项，其结果可为设计桨是提供输入，对比试验步骤二和步骤四，获得因吊舱包的存在对后桨敞水性能的影响，且校验吊舱机构扭矩传递系数；试验步骤一、步骤三、步骤五、步骤六是必做项，对比试验步骤一、步骤三，步骤六，获得因动力仪产生的伴流；对比试验步骤四和步骤五获得前桨的存在对后桨敞水性能的影响，而试验步骤三和步骤五获得后桨对前桨敞水性能的影响；试验步骤五直接为计算自航因子用，试验步骤五的前、后桨共轴线，间隙应与自航试验时前后桨的间隙一致；试验过程中可设定不同的转速比n_FP/n_AP，每一个转速比对应一套敞水结果，而且这个转速比应与自航试验时对应一致。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (4)

1.混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，其特征在于：包括水池试验设备，

所述水池试验设备包括敞水试验设备、阻力试验设备和自航试验设备；

所述敞水试验设备的结构为：包括敞水动力仪(1)，所述敞水动力仪(1)的头部安装有前桨(2)，还包括支撑架(8)，所述支撑架(8)上安装有吊舱天平(5)，所述吊舱天平(5)的顶部安装有伺服电机(6)，所述伺服电机(6)的输出端连接吊舱动力仪(3)，所述支撑架(8)的底部安装有防溅板(10)，所述防溅板(10)的底部安装流线型支柱(7)，流线型支柱(7)的底部安装有端板(9)，所述吊舱动力仪(3)依次穿过支撑架(8)、流线型支柱(7)和端板(9)，并在吊舱动力仪(3)头部安装后桨(4)；

所述阻力试验设备的结构为：包括升降平台(11)，所述升降平台(11)的中部安装有阻力仪(12)，所述阻力仪(12)的底部连接船模(14)，所述船模(14)中部安装有自航仪(13)；

所述自航试验设备的结构为：船模(14)，所述船模(14)的上部安装有吊舱天平(5)，所述吊舱天平(5)的上部安装伺服电机(6)，所述伺服电机(6)的输出端安装吊舱动力仪(3)，所述吊舱动力仪(3)的头部安装后桨(4)，所述船模(14)的内部安装有另外一个伺服电机(6)，所述伺服电机(6)的输出端安装自航仪(13)，所述自航仪(13)的输出端安装前桨(2)；

水池试验方法包括如下步骤：

步骤一：敞水动力仪正装单独前桨敞水试验：针对前桨(2)，敞水动力仪(1)正装，单独测量前桨(2)的敞水性能曲线；

步骤二：敞水动力仪正装单独后桨敞水试验：针对后桨(4)，敞水动力仪(1)正装，单独测量后桨(4)的敞水性能曲线；

步骤三：敞水动力仪反装单独前桨敞水试验：针对前桨(2)，敞水动力仪(1)反装，单独测量前桨(2)的敞水性能曲线；

步骤四：吊舱方案带桨单独敞水试验：针对单独吊舱，开展吊舱敞水试验；

步骤五：混合对转方案敞水试验：针对前桨(2)和后桨(4)混合推进方案，开展多个转速比n_FP/n_AP敞水试验，固定前桨(2)转速，后桨(4)转速随转速比变化；

步骤六：混合对转不带吊舱桨敞水试验：针对前桨(2)且吊舱方案不带桨的推进方案，开展一个转速前桨敞水试验，前桨(2)转速同步骤一。

2.如权利要求1所述的混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，其特征在于：自航试验设备中，前桨(2)和后桨(4)位于同一轴线位置。

3.如权利要求1所述的混合对转吊舱推进船舶的水池试验方法，其特征在于：步骤五中，转速比根据主机参数和推进器负荷分配而定。

4.利用权利要求1所述的混合对转吊舱推进船舶的水池试验的数据分析方法，其特征在于：

a、敞水试验数据处理和表达方式：

在每一个确定的前桨(2)、后桨(4)的转速比n_FP/n_AP，需进行一次完整的敞水试验；敞水试验步骤一和步骤二中用敞水动力仪测得前、后桨转速n_FP、n_AP，前桨(2)、后桨(4)的推力T_FP、T_AP及扭矩Q_FP、Q_AP，敞水试验步骤四中用盒式天平测得吊舱推力T_AP和吊舱包阻力R_U，吊舱单元有效推力：

T_U＝T_AP-R_U……………………………………(1)

式中：

Tu为：吊舱单元有效推力；

T_AP为：吊舱推力；

R_U为：吊舱包阻力；

把混合对转吊舱推进系统看做一个整体，并以前桨(2)直径、转速进行无量纲化，混合对转吊舱推进系统的进速系数的计算方法如下：

式中：

J_sys为：对转吊舱推进系统敞水进速系数；

w为：伴流分数；

V_A为：进速，单位m/s；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

伴流分数w通过敞水试验方案中的步骤一、步骤三、步骤六获得，

式中：

J_normal是自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤一的敞水结果中对应的进速系数，J_reverse是把自航试验得到的K_T通过等推力法在敞水试验步骤三的敞水结果中对应的进速系数；

混合对转吊舱推进系统总推力系数、扭矩系数和敞水效率计算方法如下：

上式中下标SYS代表混合对转吊舱推进系统，下标FP代表前桨，AP代表后桨，U代表吊舱单元，下同；

式中：

K_{T_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水推力系数；

T_FP为：前桨推力，单位N；

Tu为：吊舱单元有效推力；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

K_{Q_SYS}为：模型对转吊舱推进系统敞水扭矩系数；

Q_FP为：前桨扭矩，单位Nm；

n_AP为：后桨转速，单位r/s；

Q_AP为：后桨扭矩，单位Nm；

η_{0_SYS}为：对转吊舱推进系统敞水效率；

实桨修正采用ITTC推荐的敞水修正方法进行修正，即：前桨(2)通过ITTC1978常规方法进行修正；后桨通过《Podded Propulsion Tests and Extrapolation》.ITTC 7.5-02-03-01.3进行修正，具体如下：

吊舱推进器单元的尺度效应修正包括两部分，桨叶的修正和吊舱包的阻力修正：

K_TUS＝K_TUm-ΔK_T+ΔK_TU……………………(7)

K_QS＝K_Qm-ΔK_Q……………………………(8)

式中：

K_TUm、K_TUS为：吊舱单元模型和实物有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值；

ΔK_T、ΔK_Q为：推力系数和扭矩系数的修正量；

ΔK_TU为：吊舱包阻力对单元推力的修正量；

K_Qm、K_QS为：后桨模型和实物的扭矩系数；

式中：ΔK_T和ΔK_Q可通过CB/T 816-2019《螺旋桨模型敞水试验方法》计算得到，K_TUm为吊舱单元有效推力以前桨直径、转速的无量纲化后的值，ΔK_TU为吊舱的阻力对单元推力的修正值：

其中

为尺度因子，通常取0.75。

式中：

D_AP为：后桨直径，单位m；

ρ_m为：模型试验水池的水密度，单位kg/m³；

n_m为：后桨转速，单位r/s；

为：后桨吊舱包摩擦力修正量，单位N；

S_m为：吊舱单元的湿表面积，单位m²；

V_m为：吊舱单元敞水时的进速，单位m/s；

C_Tm为：吊舱单元阻力系数；

C_Ts为：吊舱单元对应实物阻力系数；

α为：尺度因子；

因而前桨实桨推力为：

式中：

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

K_{Tm_FP}为：前桨推力系数；

ΔK_{T_FP}为：前桨推力系数修正量；

吊舱实桨推力为：

式中：

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ΔK_{T_AP}为：后桨推力系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨推力系数：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

T_{S_FP}为：前桨实桨推力，单位N；

T_SU为：吊舱单位实物推力，单位N；

ρ为：水密度，单位kg/m³；

n_FP为：前桨转速，单位r/s；

D_FP为：前桨直径，单位m；

前桨实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_FP}为：前桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_FP}为：前桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_FP}为：前桨扭矩修正量；

吊舱实桨扭矩为：

式中：

Q_{S_AP}为：后桨实桨扭矩，单位Nm；

K_{Qm_AP}为：后桨模型扭矩系数；

ΔK_{Q_AP}为：后桨扭矩系数修正量；

混合对转吊舱推进系统的实桨扭矩系数：

式中：

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

上式中S下标代表实桨，m下标代表模型，下同；

同理完成其他预定转速比对应的敞水试验，并进行试验数据处理及实桨换算；

b.阻力试验数据处理和表达方式；

采用二因次的傅汝德法进行换算，船模测得的阻力R_Tm分成摩擦阻力和剩余阻力两部分，剩余阻力系数C_R为：

其中：

R_Tm为船模测得的阻力，

ρ_m为水的质量密度，

V_m为船模拖曳速度，

S_m为船模的湿表面积，

C_Fm为船模的摩擦阻力系数；

摩擦阻力系数采用ITTC1957公式：

式中：Re为雷诺数

其中V为船的速度，L_WL为船的水线长，ν为水的运动粘性系数，并认为实船和船模的剩余阻力系数一样，即实船的阻力为：

式中：

R_TS为：实船阻力，单位N；

C_TS为：实船阻力系数；

ρ_S为：海水密度，单位kg/m³；

V_S为：实船航行速度，单位m/s；

S_S为：实船光体湿表面积，单位m²；

S_WBK为：实船湿表面积，单位m²；

C_A为：实船换算补贴系数；

C_AA为：实船空气阻力补贴系数；

其中，C_FS按实船的速度、水线长和15℃海水的运动粘性系数采用(18)式计算得到，ρ_S、V_S和S_S分别为15℃海水的质量密度、实船的速度和实船的湿表面积，S_WBK为实船舭龙骨面积，C_A为实船换算补贴系数，C_AA为实船空气阻力补贴系数，

则实船的有效功率为：

P_E＝R_TSV_S………………………………………(22)

式中：

P_E为：实船航行所需有效功率，单位W；

c.自航试验数据处理和表达方式

自航试验过程亦包括对应数量的转速比n_FP/n_AP，每一个转速比n_FP/n_AP对应一套自航结果，且该转速比的自航结果与敞水试验试验结果对应,

强制力应当包括船体阻力的尺度效应修正量和吊舱包阻力的尺度修正量：

其中，

计算方法见公式(10)，船体阻力的尺度效应修正量：

式中：

为：船体摩擦阻力修正量，单位N；

模型的推力减额分数与实船的推力减额分数：

式中：

t_m为：模型推力减额；

T_Um为：吊舱模型推力(后桨推力)，单位N；

T_FP为：前桨模型推力，单位N；

R_Tm为：模型对应车速下阻力，单位N；

t_S为：实船推力减额；

伴流分数修正

式中：

w_S为：实船伴流分数；

w_m为：模型伴流分数；

C_FS为：实船船长摩擦阻力系数；

C_Fm为：模型船厂摩擦阻力系数；

相对旋转效率η_R不做修正；

d.航速预报及前后桨功率计算：

与敞水试验及自航试验类似的情况，航速预报对应的结果亦是一个转速比n_FP/n_AP对应一套航速及功率预报的结果，自航结果的外推方法如下：

推进系统负载：

式中：

K_{TS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物推力系数；

J_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物进速系数；

D_{S_FP}为：前桨实桨直径，单位m；

前桨转速：

推进系统推力：

式中：

T_{S_SYS}为：对转吊舱推进系统实物总推力，单位N；

n_{S_FP}为：前桨实桨转速，单位r/s；

推进系统收到功率：

式中：

P_{DS_SYS}为：实船航行所需有效功率，单位W；

K_{QS_SYS}为：对转吊舱推进系统实物扭矩系数；

η_R为：相对旋转效率；

总推进效率：

式中：

η_{D_SYS}为：航行有效功率

前桨负载：

式中：

K_{TS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨推力系数；

J_{S_FP}为：对转吊舱推进系统前桨进速系数；

前桨推力：

前桨收到功率：

式中：

P_{DS_FP}为：前桨所需有效功率，单位W；

K_{QS_FP}为：对转吊舱推进系统前桨实桨扭矩系数；

吊舱单元负载：

式中：

K_TSU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力系数；

J_{S_AP}为：对转吊舱推进系统后桨进速系数；

T_SU为：对转吊舱推进系统后桨实桨推力；

吊舱单元转速：

吊舱单元推力：

吊舱单元收到功率：

式中：

K_{QS_AP}为：对转吊舱推进系统后桨实桨扭矩系数。

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