您好,欢迎来到爱go旅游网。
搜索
您的当前位置:首页新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究

新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究

来源:爱go旅游网
51卷第3期(总第192期) 中 国 造 船 Vo1.51 No.3(Serial No.192) Sep.2010 2010年9月 SHIPBUILDING OF CHINA 文章编号:1000—4882(2010)03.0030—9 新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究 周国平,桂满海 (上海船舶研究设计院,上海200032) 摘 要 新型高性能海洋救助船主要用于海上遇难船舶的人命救生、以海上人命救生为目的的救助拖曳和消防灭 火等救助作业,它要求船舶具有较高的应急救助航速。简要介绍南海救101船研发设计中,针对已定主机功率 和大装载量限制条件下,为达N22kn应急救助航速,对该船进行不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带 导管螺旋桨和不带导管螺旋桨 双桨推进和三桨推进等不同船型方案的船模快速性试验研究,达到了预期的 效果。 关 键 词:船舶、舰船工程;船舶设计;救助船;快速性研究;船模试验 中图分类号:U674.23;U661.31 文献标识码:A 0引 言 新型高性能海洋救助船(南海救101)是上海船舶研究设计院为交通部救捞系统自主研发设计、由 广州中船黄埔造船有限公司成功建造的新一代全天候立体救助专用海洋救助船。该船是我国救捞体制 改革后,实行全天候海上救助值班待命制度,建立快速应急反应和紧急救助机制的第一艘设有救助直 升机起降平台的高性能海洋救助船舶,主要用于海上遇难船舶的人命救生、以海上人命救生为目的的 救助拖曳和二级对外消防灭火等救助作业,所以要求船舶具有较高的航速,以满足应急救助的特殊要 求…。 快速性能是该船型开发研究的关键项目之一。在该船的快速性能研究中,主要对主尺度和船型系 数进行了论证和选择,船体线型进行了优化研究设计,以及进行了不同主尺度、不同吃水、不同纵倾 浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨、双桨推进和三桨推进等不同船型方案的船模试验和分析研究。 1主尺度和型线 航速是该船一项关键性指标,根据设计任务书要求,船舶在已定主机功率(14o00kw)下,要满 足10000海涅续航力的装载要求,设计常用航速不小于20.0kn,在三分之一装载工况下最大救助航速不 小于22.0kn。按船舶的装载要求,该船属大排水量船型,要求有较大的船体尺度和方形系数;傅汝德数 0.364,大于0_3,故又属高航速船舶 在限定的主机功率(14000kW)条件下,如采用较大的船长和 收稿日期:2009—05—25;修改稿收稿日期:2009.12—21 51卷第3期(总第192期) 周国平,等:新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究 较小的方形系数能有效提高船舶快速性能;但是,救助作业的特殊性,又对船舶的操纵回转性能有极 高要求,船长越短越能有效提高船舶的操纵回转性能;船舶要满足海上拖曳作业时的急牵稳性要求, 是拖船设计中必须考虑的问题,要求船型必须具有较大的船宽、排水量和初稳性,才能确保海上拖曳 作业时的急牵安全。研发设计中要解决船型的大装载、高航速、操纵性能和拖曳稳性这些矛盾,就必 须从主尺度、船型系数选择及线型优化设计等几个方面来综合考虑。 经过数次船模试验分析研究,最终选取:垂线间长98.5m,型宽16.2m,型深7.6m,设计吃水5.5 m, 轻载吃水(三分之一装载)5.Om,满载吃水6.Om;设计吃水状态下方形系数不宜过大,棱形系数按航 速取最佳值匹配。 在线型优化设计中,还须考虑该船特种设施如直升机平台等设备要布置和安装在船首,则浮心位 置需前移;首尾侧推安装处要有足够的宽度,以便于侧推设备的安置;为确保船舶在任何纵倾状态下, 球首前端不能超出船体首端点,以满足救助作业、消防灭火、拖曳操纵的特殊要求;尾部要保证两只 大直径螺旋桨在大的推进功率驱动情况下有良好的来流,并应确保螺旋桨与船体有足够的间隙,减少 螺旋桨水流对船体的冲击。 该船采用上翘式球鼻首、U型首部及V型尾部,以降低船舶航行阻力,改善双桨的伴流场,提高 推进效率;在设计球鼻首时将球首横剖面形心略上移,增加轻载时的水线长度,以减小兴波阻力,改 善轻载状态阻力【3】。由船模试验可见,流线顺畅,艏波小,尾流平缓,证明这样的设计是行之有效的。 图1船体首尾及横剖面型线图 2船模试验和分析 为优化和完善船型方案的主尺度、船型系数和线型,在线型设计的各阶段,分别在上海交通大学 和中国船舶科学研究中心进行了不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺 旋桨、双桨推进和三桨推进等船型方案的船模试验分析不同船型方案的优劣。 2.1船型初步方案船模试验 船型初步方案的船模试验在中国船舶科学研究中心水池进行【4】。目的是比较初步方案所设定的主 尺度,在不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨时对航速的影响,及所要达到预 定航速对主机功率的要求。试验内容主要包括:设计吃水阻力及白航试验,轻载吃水阻力试验(分为 平吃水及有纵倾两种情况),有纵倾状态带导管螺旋桨的自航试验,平吃水状态不带导管螺旋桨的自航 试验,以及带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨的敞水试验,并分别进行主机功率及航速预估。 初步方案船体主尺度要素见表1,船体模型缩尺比: =17.778。 中 国 造 船 学术论文 表1船体主要尺度要素表 试验中阻力和自航试验结果采用二因次换算方法换算到实船海水温度15 ̄C;摩擦阻力系数采用 1957.ITTC的船模一实船相关线(即CF=0.075/(1ogR .2) )进行计算,其设计吃水状态的相关补贴取 CA=0.3x10~,轻载吃水状态的相关补贴取CA=0.4x10~。根据船模试验结果,进行新螺旋桨设计:导 管螺旋桨为Ka.4系列,导管为19A导管;无导管螺旋桨为MAU图谱桨。用新设计的导管螺旋桨及无 导管螺旋桨对实船进行主机功率预估及航速预报,其结果见表2。 表2实船功率及航速预报 从船模试验结果可以看出: (11带导管螺旋桨对航速的影响较大,在设计吃水状态下,相同的收到功率,带导管螺旋桨的航 速要比无导管螺旋桨低达1.15km (21在轻载吃水状态下,带导管螺旋桨的航速要达 ̄22kn,需提供16800kW以上的主机功率; f31在轻载吃水状态下,相同的收到功率,无导管螺旋桨的航速已超过22kn,当在22kn航速时主 机功率可适当降低。 2.2 电力推进三桨船型方案船模试验 电力推进三桨船型的流线、阻力和自航船模快速性试验在上海交通大学水池进行【5】。试验的目的 主要是了解采用电力推进三桨船型方案对推进功率的分配要求及航速影响。 采用电力推进船型方案,由于受船体主尺度的限制,要安装二台大功率的电力推进全回转推进装 置,是困难的,推进装置的回转直径尺寸将会超出船宽,船内设备的安装高度也超出了型深甲板的高 度。为此采用较小尺度的全回转推进装置,使这种推进装置在现有主尺度的船型上安装成为可能,为 达 ̄22kn航速所要求的推进功率,需采用三只螺旋桨来共同分担其较大的推进功率。主推进中桨采用 一台船内电动机驱动的可调螺距螺旋桨,两侧的边桨采用二台水下电动机驱动的紧凑型360。全回转舵 桨装置。在线型优化设计中,船尾部采用三桨线型,中桨采用球尾线型,两侧的采用适合全回转舵桨 装置安装的平底线型,为尽可能减少三只桨的相互干扰,在中桨的后部设整流球和导流板。 51卷第3期(总第192期) 周国平,等:新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究 主要试验内容有:流线试验,设计吃水、轻载吃水及满载吃水阻力及自航试验,以及边桨和中桨 的敞水试验,并分别进行推进功率预估、功率分配和航速预报。 根据初步方案船模试验中,轻载无导管螺旋桨状态下航速结果,并按照布置要求,适当调整了船 体的船长和型宽,此时船体主要尺度要素见表3,船体模型缩尺比:九=26.0。 表3船体主要尺度要素表 试验中阻力换算到实船海水温度15℃情况,摩擦阻力系数采用1957.ITTC公式进行计算,并取 Cf =0.4x10~。自航试验结果的实船性能预报采用 C . W法进行。 实船自航点的摩擦阻力修正公式为 FD=1/2p.n S Vm (Ct -Ct ) (1) 式中C m、Ct 分别为船模及实船总阻力系数,P 为船模试验时水的密度, 为船模速度,m/s。 实船总阻力系数为 Ct =((Tm+Cfs+ Ct)(1+p) 为船模湿表面面积,m , (2) 式中Cnn为剩余阻力系数,cfs为实船摩擦阻力系数,P为考虑到空气阻力2%及壳板排水量增加的阻力 0.6%,zfCt取0.4x10~。 实船伴流分数为 COs=tm+(CO - )Cfs/Cfm- ∞ (3) 式中COm、tm分别为船模的推力减额及伴流分数,cfm、cfs分别为船模及实船的摩擦阻力系数, ∞为 实船伴流的尺度作用因素。 根据船模试验结果,用试验备用桨的水动力性能(中桨和边桨分别进行敞水试验)作实船性能初 步预报,分别进行推进功率预估、功率分配和航速预报。由于两侧二台水下电动机驱动的紧凑型全回 转舵桨装置(吊舱式)分担推进功率是有分级挡次的,故须按试验结果相近的分级指定推进功率分配 来进行实船航速预报,并预估达 ̄lJ22kn航速时所要提供的推进总功率,以及中桨船内电动机驱动功率 和两侧边桨二台水下电动机驱动功率和分配情况,实船航速预报见表4。 实船功率及航速预报结果见图2和图3,图中: 为实船航速,Ⅳs为螺旋桨转速,PD为螺旋桨收到 功率,PDs 为中桨收到功率,PD :为边桨收到功率。 从上述船模试验结果可以看出: (1)三只螺旋桨按指定推进功率分配,当中桨8000kW、两侧边桨各为3200kW时,轻载吃水状态 下航速约为21.28kn; (2)轻载吃水状态下,航速要达到22l【Il,需加大推进电机功率,中桨需加大至9824kW、两侧边桨 中 国 造 船 学术论文 各需加大 ̄4099kW,这样推进总功率将达到1800okW以上。 三桨船型的研究 难点在于三只螺旋桨要达到最佳匹配来分配推进功率,即在正常航行中,要使三只螺旋桨的工作负荷 ,三桨船型的船体线型与螺旋桨功率分配和转速及螺旋桨推进性能匹配情况有关都处于较经济合理的状态,各自推进效率合理和综合推进效率最佳,故需对各只螺旋桨参数进装置采用可调速的变螺距CPP桨是较为适宜的,这样能较好地适应不同工况的推进需求表4实船功率及航速预报 如:直 径、螺距、转速等作合适的选择;为适应不同的作业装载工况(吃水状态)的推进要求,三桨船型推 ,。 ; \n ㈣ 一 一 圳~ 223 5 rimm N ; 226 0 r/airn Ns=236 7 r)min , =221.2r/m, 魅;2482 m l =2474 n , :2622m竹 ●-● .一一 ・ ,, 一.in ̄,.... ,r ,●● ●●●‘差 ^● 一--‘t。 . 。 。===: I。。 ・・ : L  l满载吃水 ——; f ……没计吃水 …。 ……轻技吃水 l —■ . ÷ ;s鲫0 /l/ ● ●●, ● i ●/ _ , - ●●Pos2=0 96x2x3200kW=6144 kW /., ●●5000 /’ . _- = /.一 t :21 2 / ,, //(一 - ‘ =19 58 kn ・ 20 6 kn =: / I ,.・ _ =21.: : :20 6 kn ,kn 图2实船功率及航速预报一中桨性能 图3 实船功率及航速预报一边桨性能 2.3常规推进方案船模试验 根据上述二轮船模试验研究、推进装置的配置以及对推进功率的预估,可以明显看出,无导管螺 旋桨常规推进方式具有较好的性价比。船型基本确定采用不带导管CPP桨常规推进方式,并在中国船 舶科学研究中心水池又进行了该船型常规推进方案的阻力、流线及自航船模试验 。船模试验的目的 主要是了解在初步设定的主尺度和140o0kW的限定主机功率情况下,在不同吃水时所能达到的航速。 船体主要尺度要素与电力推进三桨船型方案相同,但是船体尾部线型不同,是按照无导管螺旋桨 常规推进方式双桨船型要求进行尾部线型设计,船体模型缩尺比: :18246。试验中阻力和自航试验 .51卷第3期f总第192期) 周国平,等:新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究 结果换算方法同2.1,根据船模试验结果,用MAU图谱桨进行新螺旋桨设计,预报在14000kW限定主 机功率情况下之实船航速,结果见表5。 表5实船功率及航速预报 由船模试验结果可见:在轻载状态下,达 ̄U22kn航速,且有一定的富余量。 2.4变纵倾船模试验 不同的纵倾浮态下,对快速性能会有不同的影响。在中国船舶科学研究中心水池又进行了上述船 型尺度的“变纵倾模型快速性试验”【7】o船模试验在轻载吃水状态下,对三种不同纵倾吃水浮态测量船舶 阻力,对较好阻力性能的纵倾浮态进行自航试验,并进行相应航速预报。三种不同纵倾吃水浮态按首 尾吃水差值0.8m进行变化,平均吃水5.Om,即:轻载状态①首尾吃水差值0.8m,轻载状态;②首尾吃 水差值1.6m,轻载状态;③首尾吃水差值2.4m。试验结果列于表6。 表6不同纵倾浮态下船舶阻力性能表 由试验结果可见轻载状态①具有较佳的阻力性能。为此对轻载状态①进行自航试验,并根据船模 试验结果,对船模之实船进行航速预报。在阻力性能较佳的轻载状态①,当主机功率14000kW时,航 速约为22.3kn,此值与表5(水平浮态)中的预报航速比较,可以看出该船在水平浮态时(首尾吃水相 同)的快速性能较优,航速达到22.46kn,大于上述阻力性能较佳的纵倾轻载状态①的航速。试验发现, 纵倾的变化,对该船阻力性能影响不大。 2.5最终船型方案船模试验 通过上述船模试验,比较了不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺 中 国 造 船 学术论文 旋桨、双桨推进和三桨推进等不同船型方案,最终确定采用不带导管CPP双桨常规推进方式,垂线间 长98.5m,型宽16:2m,型深7.6m,设计吃水5.5m,轻载吃水(三分之一装载)5.0m,满载吃水6.0m。 在最终主尺度、船型系数和线型等优化设计后,在中国船舶科学研究中心水池进行了最终船型方 案验证性船模试验,进行了流线、阻力及自航船模试验 j。目的是确定在最终主尺度、船型系数和线 型等优化设计后,在14000kW的限定主机功率情况下,不同吃水时所能达到的航速。试验主要包括三 种吃水工况下的阻力及自航试验。船体模型缩尺比: =17.778。 试验中阻力和自航试验结果换算方法同2.1,根据试验结果,用MAU图谱桨进行新螺旋桨设计, 并对实船预报14000kW限定主机功率情况下之航速,其结果见表7。 表7实船功率及航速预报 试验结果表明:最终船型方案主尺度 ̄I]14000kW的限定主机功率,采用无导管CPP双桨常规推进 方式,船舶航速达到了设计任务书要求。 3实船性能试验 实船采用双机、双桨推进形式。主机选用WARTSILA 6L46D型船用中速柴油机2台,每台主机最 大持续功率(MCR)6930kW,转速500 r/min;螺旋桨采用无导管4叶可调螺距螺旋桨(CPP)2R,螺 旋桨直径q ̄4000mm。该船由中船黄埔造船有限公司承造, 2006年5月25日开工建造, 2007年9月25 日~9月27日在广州珠江口桂山海域进行了实船航行试验,各项技术性能指标均达到和超过原设计任务 书的技术要求,在轻载吃水(三分之一装载)5.0m情况下,测得航速为22.08kn,达到了设计任务书要 求。 4结语 在新型高性能海洋救助船(南海救101)研发设计中,进行了线型优化设计,对不同主尺度、不同 吃水、不同纵倾浮态、带导管螺旋桨和不带导管螺旋桨、双桨推进和三桨推进等不同船型方案进行了 船模快速性试验和分析研究。从主尺度、船型系数及线型等几个方面综合考虑,解决了船舶的大装载、 高航速、操纵性能和拖曳稳性等矛盾,取得了较为理想的结果,实船试航验证综合性能达到了设计任 务书要求。 在南海救101船模试验研究中发现:①螺旋桨是否带导管对航速的影响较大,在同一主尺度和同一 推进功率下,航速相差lkn以上,故对航速要求较高的船舶不建议采用带导管螺旋桨作为推进方式。② 在同一平均吃水状态下,不同的纵倾浮态对阻力性能有一定的影响,但当纵倾变化在一定的范围之内 51卷第3期(总第192期) 周国平,等:新型高性能海洋救助船船型与快速性试验研究 37 (首尾吃水相差值不是太大)时,对航速的影响则不大;在船长较长时,首尾吃水相差值所造成的纵 倾夹角不会太大,对航速的影响更趋变小。③三桨船型较之双桨船型和单桨船型在推进性能上有较大 的不同,三只螺旋桨要达到最佳匹配来分配推进功率,即三只螺旋桨的工作负荷都处于较经济合理的 状态,提高综合推进效率,这与船体尾部的线型有关,既要使得提供三只螺旋桨的水流处于合理分配 状态,又要与主推进提供给各螺旋桨的推进功率及螺旋桨参数相匹配,使推进效率最佳,这是比较困 难的。笔者认为:采用可调速的变螺距CPP桨是较为适宜的,能通过螺旋桨转速和螺距的同时调整, 协调所提供给各螺旋桨的推进功率,实施良好调整匹配,使三只螺旋桨的工作负荷都处于较经济合理 的状态,也就是使各螺旋桨推进效率合理和综合推进效率最佳,较好地适应不同的推进需求。 参考文献: 【1】周国平,顾建国,郑梓荫,孙鲁闽.新型高性能海洋救助船研发[J].船舶工程,2008,(4):11・14. 【2】邵世明、赵连恩、朱念昌,合编.船舶阻力【M】.北京:国防工业出版社,1995年4H. 【3】许晶,杨奕,杨佑宗,杨存国.新型海洋救助船主要尺度选择、线型设计及研究【J].中国造船2008,49,增刊:创刊 60周年专刊:91 98. [4】杨佑宗,杨奕.全天候大功率救助船模型快速性试验研究报告【R].中国船舶科学研究中心报告,2003.6. [55] 邵世明.14o00千瓦大功率海洋救助电力推进船阻力和自航试验报告[R].上海交通大学海洋工程国家重点实验室船 模试验池报告,2004.4. [6】杨佑宗,杨奕.14000千瓦大功率海洋救助船模型快速性试验研究报告【R].中国船舶科学研究中心报告,2004.5. 【7】杨佑宗,杨奕.14000千瓦大功率海洋救助船变纵倾模型快速性试验研究报告[R].中国船舶科学研究中心报告, 2004.6. [8】杨佑宗,杨奕.14000千瓦大功率海洋救助船新方案模型快速性试验研究报告【R】.中国船舶科学研究中心报告, 2005.】1. Rapidity Research&Model Test of New High—performance Ocean Salvage Vessel ZHOU Guo-ping.GUI Man-hai (Shanghai Merchant Ship Design&Research Institute,Shanghai 200032.China) Abstract The main purpose of new high--performance ocean salvage vessel(Nan Hai Jiu 101)is life・-saving rescue for the distresses vessel in the sea,and rescue service such as salvage tug and fire—fighting,SO the high emergency rescue speed is necessary for this vesse1.This paper briefly introduces the rapidity research work in the condition of the main engine power is fixed,heavy bunker loading and speed is not less than 22kn.The results and analysis of model test with different main dimensions,diferent draft,different trim afloat conditions,propeller with and without nozzle,two and three propellers are presented in this paper. 中 国 造 船 学术论文 Key words:ship engineering;ship design;salvage vessel;rapidity research;model test 作者简介 周国平桂满海男,1957年生,研究员。从事海洋工程船舶及特种船舶技术研发设计工作。 男,1971年生,博士,研究员。主要从事海洋工程船舶及特种船舶技术研发设计工作。 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- igat.cn 版权所有

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务