sv型球鼻船型选型研究

sv型球鼻船型选型研究

由于其抗阻性和经济性，这种类型的船在各种船舶的设计中得到了广泛应用，包括渔船。球鼻艏对Fn=0.25~0.38速域的船舶具有明显的减阻节能作用。CB=0.53的渔船小球艏在Fn=0.33附近满载减阻3.3%,压载减阻7.5%;CB=0.478的渔船水滴型球艏在Fn=0.322时满载减阻5.6%,压载尾倾减阻10.2%;SV型球艏满载减阻4.2%,压载减阻7.9%;小方形系数调查船上翘SV型球艏在Fn=0.26时满载减阻6.7%,压载减阻3.3%;CB=0.494的驱逐舰柱形球艏在Fn=0.373时减阻约15%;CB=0.57的BSRA渔船水滴型球艏在Fn>0.30以上纵倾减阻9%~11%,平浮增阻;CB=0.457的瘦型方艉艇水滴型球艏在Fn=0.313时减阻7.5%;CB=0.63的渔船圆球型球艏在Fn=0.30时减阻约10%。球鼻艏在减阻的同时有利于提高船的航向稳定性,减小横摇,在一些情况下还可改善浮态。在上海市30m级标准化节能渔船研究中,在对目标船主尺度和船型优化得到的基本船型的基础上,作了增设球鼻艏的减阻效能多重模型比较试验研究,预期进一步减阻5%~10%。最终结果达到满意的预期效果。1基本船型1.1节能方案指导思想本研究目标船的基本船型为不带球鼻艏的常规渔船船型,系根据目标要求通过对主尺度、船型、性能的综合分析、论证,优化得出。指导思想是:满足使用要求,保证充分的安全性,达到良好的适航性、适居性和船机桨配合,追求快速性能最佳,结合其它措施应用,实现优秀节能船型目标。研究结果给出基本船型主要技术参数示见表1。1.2主尺度和用量的确定基本船型如图1。其主要技术特征如下:(1)0.85D以下线型借鉴英国造船协会BSRA常规拖网渔船线型和国内优秀渔船线型光顺得出;(2)艏部线型:简化为直线前倾首柱,为增设不同球艏试验做铺垫。尽量减小半进水角;根据国内渔船使用习惯尽量做大艏外飘;(3)艉部线型:配合大艉框,可容纳直径直径1.80m的普通螺旋桨或直径1.60~1.70m的导管螺旋桨,对应该尺度渔船的主机功率配置可以达到高的推进效率。桨轴前方船体做成小球艉形状。配合宽大方整后甲板面光顺给出较大的尾悬体横剖面积以保证拖网时船尾压水能力;(4)舯部线型:根据设定主尺度和排水量参数,按快速性和耐波性综合寻优所需的棱形系数确定;(5)其它:相关控制浮心纵向位置等。1.3实船速度和阻力基本船型及其增加球艏后的各项船模试验在江苏科技大学船舶与海洋工程学院工程检测中心的船模拖曳水池中进行。水池长100m,宽6m,深2m。拖车最高拖速6m/s,可试验船模尺度2~4m。船模为玻璃钢质,缩尺比λ=10,离船首L/20处装有1mm激流丝。基本船型船模未装桨、舵等附体。试验分平浮和纵倾2种状态。阻力试验结果用二因次方法进行换算,即将总阻力分成摩擦阻力和剩余阻力2大部分,并假定相同傅汝德数时船模和实船剩余阻力系数相等,其换算式为:实船速度VS=λ√VM0.5144(kn)VS=λVΜ0.5144(kn)实船总阻力系数CTS=RM0.5ρMVM2SM−CFM+CFS+ΔCFCΤS=RΜ0.5ρΜVΜ2SΜ-CFΜ+CFS+ΔCF实船阻力RS=0.5λρSVM2SSCTS(N)实船有效功率PES=VSRS1944(kW)ΡES=VSRS1944(kW)式中:下标S和M分别代表实船和模型;VS—实船航速,kn;VM—模型航速,m/s;S—湿表面积,m2;CFS和CFM—摩擦阻力系数,按1957ITTC平板摩擦公式计算;ΔCF—粗糙度补贴,取0.0004。1.4有效功率曲线船模阻力试验结果给出实船裸船体单位排水量有效功率曲线如图2(按15℃标准海水)。常处航速区间内在裸船体试验值基础上增加10%附体阻力后的单位排水量功率见表2。1.5船型的阻力对比以常用纵倾浮态较大值为考察基准,结合有效功率数学模型,与目前国内广泛使用的几种定型渔船船型的阻力情况进行对比分析,结果为:该基本船型阻力相对最小,比目前快速性能良好的渔船在相近傅汝德数时降低阻力2%~7%;在本类渔船通常的10.5kn航速时降低阻力7%~30%。2球球设计2.1减阻效果分析球艏形状大致有:柱状撞角型、水滴型、V(瓜子)型、SV型、上翘SV型等。渔船球艏一般采用水滴型和SV型,目前应用较多的优秀球艏基本呈前伸SV型。球艏适用于0.25<Fn<0.38的速域,在Fn达到0.30~0.32的兴波阻力峰区减阻效果尤为显著。渔船就处在这一区间。渔船应用球艏在减阻的同时提高了船的航向稳定性,浮心位置控制得好还能改善浮态。表征球艏的主要参数有:球艏面积比fb(%)=艏垂线处剖面积Ab/舯剖面积Am、球艏相对长度lb(%)=球艏前端点距艏垂线距离Lb/垂线间长Lpp;次要参数有:相对宽度bb(%)=艏垂线处球鼻最大宽度Bb/船宽B、相对体积vb(%)=球艏体积Vb/船排水体积V等。渔船类小方形系数的船舶的球艏面积比常用fb=5%~15%,球艏相对长度lb=0%~7.5%。同一船型时fb应随Fn增大而增大,同一Fn时fb应随CB增大而增大;lb增大一般都对减阻有利。分析文献及其它实船情况表明,fb>12%以后减阻收益率逐渐降低,fb=15%时在变浮态情况下反而会增阻;lb>5%以后减阻收益率逐渐降低,且可能影响锚泊设置。渔船艏部V形线型配合V型及其改良的SV型前伸球艏,其良好的减阻效果即使在轻载或纵倾状态下减阻性一般也是一致的(水滴型球艏在正浮或纵倾时会出现增减阻相反的效果,fb大者反向作用尤甚),同时有利于减缓抨击。设计中一般使球鼻高点位于正常运行水线以下(经验证有效的或特殊用途的上翘SV型球艏除外)。有文献认为Lb>0.2B后减阻效果甚微。本文研究发现此观点在渔船上不适用,L/B值较大的渔船Lb可适度增大,以方便施工且不影响锚泊为准,用lb的百分数进行量化分析较适宜。渔船满载工况和轻载工况有10%~15%的吃水差,且占绝大多数的尾机尾楼型渔船通常处于纵倾状态运行,球艏设计时应予以兼顾,用正浮和纵倾2种状态减阻收益的加权平均百分数作为考察减阻效果的一项衡量指标,尽量避免2种浮态减阻效果反向情况的出现。现代渔船普遍采用降功率节能运行,应注意有的球艏高速时减阻效果好而低速时效果会相反,应选择合适的fb和lb参数,使船在设计航速和降功率航速的整个区间内都有良好的减阻效果,建议取航速区间内减阻收益的平均百分数作为考察减阻效果的另一项衡量指标。对于中小型渔船,考虑fb和lb时,还应注意到施工的方便性。2.2球参数优化设计假定基本船型横剖面面积曲线已达到理想阻力效果,增设球艏按主体附加方式,单纯考察球艏影响。预期目标在优秀基本船型上增加球艏后进一步降低阻力5%~10%。考虑到水滴型球艏fb较小减阻效果有限,fb较大在正浮或纵倾时会出现增减阻相反的效果,拟采用前伸SV型球艏轮廓,设计3种球艏参数。分析多种文献资料,研究给出在本船Fn=0.325附近时,最佳球艏面积比fb=8%~12%,鉴于本船CB较小及兼顾降功率减速航行,取定fb=8%~10%,通过改变长度进行研究。3个球艏参数见表3,增设球艏的船型如图3。增设球艏后排水量依球艏大小增加1.0~1.8t,CB≈0.52。3球的额外效果3.1各船型常处转速区间内单位排水系统有效功率的变化距艏垂线0.2L以后为同一船模,基本船型首部和3个带球艏首部各为局部艏模,在分项试验时前后对接构成完整船模,保持船型比较参照物的一致性。3种球艏船模阻力试验结果给出实船裸船体有效功率曲线如图4。纵倾状态各船型常处航速区间内单位排水量有效功率情况见表4。相对基本船型的阻力变化情况:(1)正浮状态:球艏Ⅰ在10.5kn、Fn=0.31以下增阻,9~10kn段平均增阻约4.4%;10.5kn以上减阻,设计航速11kn、Fn=0.325时减阻5.4%。球艏Ⅱ在9~10.5kn段与基本船型大致相同,11kn时减阻4.4%。球艏Ⅲ在8.5kn以上减阻,11kn时减阻10.4%。(2)纵倾状态:3种球艏在8.2kn以上减阻,11kn时分别减阻15.7%、16.0%、15.8%。10.5kn以下时球艏Ⅲ减阻效果不及另二球艏,且在8.2kn以下时增阻最大。3.2球对实际船降功率和纵倾根据试验结果,分析得出:正浮状态球艏减阻效果对fb和lb的敏感度较强,相对较大的fb和lb值获得较好的效果;纵倾状态对fb和lb的敏感度较弱,当fb>8%、lb>3%后都能取得十分满意的效果。对于纵倾浮态占绝大多数运行时间的渔船而言,增设球艏可获得很好的节能效果。具体研究球艏参数时应结合渔船的实际运行工况加以考虑,主要是降功率运行的航速区间和纵倾航行的时间概率。假定本船降功率最大幅度约为50%,航速下降约13.5%,则可推出本船经济运行航速区间设为9~11kn。根据本船浮态情况设正浮和纵倾各占50%。表5给出3个球艏在设计点和实际速域内考虑正浮和纵倾实际情况的综合减阻收益程度。应予指出的是,采用速域内多点平均化分析的另一好处是避免个别试验点误差造成判断有误。由表5可见,球艏Ⅲ在正浮和纵倾状态下减阻都超过10%,在实际速域内综合减阻也超过10%,效果优秀。本船设计中以该球艏为参照,结合锚泊和施工等要求予以综合考虑。实现在优秀基本船型上增设球艏进一步降低阻力5%~10%的预期目标