船舶與海洋工程實驗技術-自航試驗指導書

1、華中科技大學船舶與海洋工程學院船模拖曳水池實驗室430074湖北省武漢市洪山區(qū)珞喻路1037號 Tel：02787543358 Fax：02787542946船舶與海洋工程實驗技術自航試驗指導書華中科技大學船舶與海洋工程學院船模拖曳水池實驗室2015 年 5月20日19目錄0、前言11、船模制作12、儀器安裝及操作12.1 電測阻力儀12.2 自航儀93、自航試驗操作144、試驗數據處理165、實船性能預報17圖目錄圖1 拉力傳感器2圖2 放大器背面接口3圖3 放大器正面4圖4 8HZ采集程序圖標5圖5 8HZ自航雙槳6圖6 8HZ系統設定7圖7 8HZ數據采集8圖8 8HZ數據處理9圖9 自

2、航儀10圖10 電機11圖11 電機操作柜12圖12 轉速數字顯示儀13圖13 WD990 微機電源14圖14 自航試驗曲線16表目錄表1 拉力傳感器規(guī)格表4表2 自航儀規(guī)格表90、前言自航試驗有以下主要目的：（1） 分析和研究各種效率成分，研究槳、船兩者的相互作用；（2） 預報實船性能。即通過試驗給出主機功率、轉速和船速之間的關系，得出實船的航速預報，驗證設計的船舶是否滿足任務；（3） 判斷螺旋槳、主機、船體之間的配合是否良好。我們所采用的自航方法為強迫自航法,又稱英國法.有關自航的詳細理論請參考船舶性能實驗技術（第五章），俞湘三等主編，上海交通大學出版社。1、船模制作船模的制作和裝載狀態(tài)的

3、調整都和阻力試驗是一樣的，此處就不在贅述。2、儀器安裝及操作2.1 電測阻力儀電測阻力儀主要是用來測量強制力Z。本系統主要由硬件，軟件兩部分組成：硬件：它是由多組十六路信號放大處理器、采集卡、計算機組成。原理方框圖如下:拉力傳感器信號放大處理器采集卡計算機 信號放大處理器主要技術指標：采樣通道 ： 16路輸入阻抗 ： >2M零點漂移 ： 0.05% 精 度 ： 0.05%D/A轉換板： 12位 精度 0.015%具體操作過程如下:首先,拉力傳感器固定在機械阻力臺上，如圖1所示圖1 拉力傳感器拉力傳感器，一頭由數據線連接，到拖車操作室接到放大器背后的接口處，放大器型號為:HG-98 多功能

4、數據處理系統，如圖2和圖3所示圖2 放大器背面接口圖3 放大器正面選擇通道，如CH5，然后放大器通過采集卡與計算機（靠門口那臺）相連。此外，拉力傳感器的另一頭有鋼絲連接，與拖曳船模的鋼絲相連接。拉力傳感器規(guī)格如下表1所示表1 拉力傳感器規(guī)格表類別量程系數電壓拉力傳感器10Kg30.56v25Kg33.312v50Kg66.612v100Kg13512v150Kg211.512v500Kg115012v1000Kg152710v軟件：采用VB語言編程，主要由窗體模塊及標準數學分析模塊組成。軟件流程圖如下：數據文件系統設定數據采集數據處理具體操作過程如下：數據采集程序在電腦桌面上名為8HZ，如圖4

5、所示。圖4 8HZ采集程序圖標雙擊桌面圖標8HZ，進入程序。此時，一定要等程序自檢的進度條讀出一段后，再點擊忽略。然后點擊“自航試驗”，選擇“雙槳”，如圖5所示。圖5 8HZ自航雙槳進去之后，選擇系統設定，如圖6所示。此處，我們拉力傳感器規(guī)格為25Kg，接的是CH2，所以在在通道二中更改，系數可以在表1中找到。由于25Kg需要的電壓為12V，所以在圖3放大器正面中，調整CH2通道的電壓為12V。系統設定中的電壓為5V，不用調整。以雙槳自航為例，我們需要在放大器中設置5個通道，分別測量強制力Z，左槳推力T左、扭矩Q左和右槳推力T右、扭矩Q右。拉力傳感器和自航儀的電壓和系數的設置，請參照表1和表2

6、.圖6 8HZ系統設定然后進入數據采集界面，如圖所示。在拖車開動之前，要對拉力傳感儀進行調零。即在水池水面平穩(wěn)狀態(tài)下，鋼絲處于松弛狀態(tài)時，點擊系統設定里面的 調零保存，使該通道的工程值基本在0附近飄動。具體采集過程，見3 自航試驗操作。圖7 8HZ數據采集圖8 8HZ數據處理數據處理，和阻力部分一樣，仍打開對應的文件名，然后拉取較平穩(wěn)的一部分，然后讀數記錄。2.2 自航儀自航儀為測量船模航行時螺旋槳的推力和扭矩的儀器型號參考如下表格。表2 自航儀規(guī)格表類別量程系數電壓（V）德國自航儀10kg25kg.cm推力：34.2扭矩：82.5推力：6.0扭矩：10.0德國自航儀（壞頭）10kg25kg.

7、cm推力：35扭矩：82推力：6.0扭矩：10.0自航儀5#（702所）10kg30kg.cm推力：33.75扭矩：69推力：6.0扭矩：10.0自航儀9#（702所）10kg30kg.cm推力：33.2扭矩：67.6推力：6.0扭矩：10.0自航儀（702所）25kg50kg.cm推力：40扭矩：167推力：12.0扭矩：12.0本系統主要由硬件，軟件兩部分組成：硬件：它是由多組十六路信號放大處理器、采集卡、計算機組成。原理方框圖如下:自航儀信號放大處理器采集卡計算機 具體操作過程自航儀與電機和螺旋槳通過軸系進行連接，可以測量螺旋槳的推力和扭矩。圖9 自航儀圖10 電機電機通過電源線與電機操

8、作柜相連。我們通過電機操作柜開啟、關閉電機，并且能夠調整電機的轉速。圖11 電機操作柜此外在電機上還連接有轉速數字顯示儀，通過轉速顯示器上的數字變動，我們能夠直觀的看到轉速的變化,如圖12所示。此儀器同樣通過穩(wěn)壓電源進行供電，如下圖13所示。圖12 轉速數字顯示儀圖13 WD990 微機電源軟件：自航儀的數據采集和強制力都是同時完成，可參考2.1的此部分。3、自航試驗操作在未裝螺旋槳之前，我們先要測量槳軸的零扭矩Q0，后續(xù)計算會用到。在進行自航試驗時，為使船模和實船的阻力之間滿足縮尺比的三次方的關系，我們需要人為的增加一個摩擦阻力修正值，即實際上,試驗時在船模上加一個拖曳力FD,則槳模發(fā)出的推

9、力Tm需克服的阻力為（Rtm-FD）。在這一點上，試驗船型達到力的平衡，稱改點為實船自航點。通常我們需要提前估算一下實船和船模的摩擦阻力系數，公式如下：摩擦阻力系數計算采用1957-ITTC公式，其表達式為：自航試驗一般應不少于4個自航速度，即vm1，vm2，vm3，vm4，其中vm3應相當于實船的設計航速，vm4則高于實船設計航速，各速度應取合理的間隔。對于某一選定的自航速度vm，一般取5個不同的強制力，即Z1，Z2，Z3，Z4，Z5。為使試驗點分布較均勻合理，一般取Z=0，相當于船模自航點。Z3=FD，相當于實船自航點。其余的大致為：Z2=0.5FD，Z4=1.5FD，Z5=2FD。在拖車

10、開動之前,先讓螺旋槳轉動一定轉速,比如500轉,然后開動拖車,繼續(xù)增加或者減小轉速,使操縱臺上拉力傳感器的數值稍大于FD,此時就是我們需要的第一個強制力.根據實際情況,以比上一次大一些的轉速轉動螺旋槳,然后啟動拖車,等拖車穩(wěn)定后,采集數據.我們需要記錄轉速n，強制力Z，還有兩個槳模的推力T和扭矩Q。然后等數據穩(wěn)定之后，我們繼續(xù)稍微增加螺旋槳的轉速，等穩(wěn)定后，再次采集以上數據。即通過改變螺旋槳轉速的方法，采集五個不同強制力下的Z，n，和左右槳的推力T和扭矩Q。然后保存文件，采集一次，最多可以采集十組數據。等五個速度的數據全部收集之后，我們就可以畫出自航試驗曲線。圖14 自航試驗曲線然后在縱坐標中

11、量取Z=FD，做平行于X軸的直線，和nZ曲線相交，找出對應的轉速n，然后在其他曲線上找出對應的T和Q。把得到的數據帶入計算表格中估算效率。 4、試驗數據處理根據前面計算的摩擦阻力修正值，對應相應的狀態(tài)和速度，進行插值得出要求的轉速N、推力T、扭矩Q按等推力法進行自航數據分析，計算中已扣除零扭矩Q0。已有相應的excel計算表格，可以進行較快捷的數據處理。要處理的數據如下所示。摩擦力修正值計算見。表3摩擦阻力修正值計算Vs(km/h)Vm (m/s)Cfm (10e-3)Cfs(10e-3)Fd(kgf)表4 自航試驗分析實船速度Vs (kn)12 13 14 15 船模速度Vm (m/s)船模

12、阻力Rm (kgf)摩擦阻力修正Fd (kgf)槳模轉速n (rpm)單槳模扭矩Q (kgf.cm)單槳模推力T (kgf)模型推進效率Q.P.C.按等推力法進行分析：推力系數Kt =Tm/(n2D4)扭矩系數Kq =Qm/(n2D5)進速系數J(由敞水曲線查得)Kq'（由敞水曲線查得）敞水效率0相對旋轉效率r= Kq'/Kq推力減額分數t=1(Rtm-Fd)/ (2Tm)VA (m/s)伴流分數=1 nDJ/Vm船身效率h=(1-t)/(1-)推進效率Q.P.C.校核=0×h×r5、實船性能預報實船性能預報采用（1X），K2方法，根據經驗取X0.05，K20