船舶与海上技术 螺旋桨空化观测和船体压力测量的全尺寸试验方法 征求意见稿

GB/T××××—××××/ISO22098:2020船舶与海上技术螺旋桨空化观测和船体压力测量的全尺寸试验方法本文件规定了螺旋桨空化观测和船体压力测量的全尺寸试验方法。试验目的是研究螺旋桨的空化特性及其对船体振动的影响。试验方法包括测试仪器和设备、确保结构安全的结构要求、测试和测量程序，以及报告文件。本文件适用于以下阶段的船舶：——海试之前或期间，交付阶段之前（在建船舶），以及——在交付阶段之后。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1实测船速measuredshipspeed在速度测量循环内，由起始位置和结束位置之间的距离和运行时间计算得到的船舶速度。3.2观察窗observationwindow用于观察和调查船舶螺旋桨气泡现象的透明窗口。3.3螺旋桨面propellerplane垂直于轴轴线并包含螺旋桨参考线的平面，即包含根部截面点的参考线。3.4船舶速度shipspeed船舶在规定条件下实现的速度。3.5舷窗sidescuttle面积不超过0.16m2的圆形或椭圆形开口。3.6通海阀箱seachest安装在水线以下的船体中，用于进水或排水。2GB/T××××—××××/ISO22098:20204仪器和设备4.1一般要求对于所有测试设备的船舶安装，需要检查被测试船舶对象的图纸，传感器选择和设备安装位置、工作空间和运输路线在设计和建造阶段宜进行考虑。4.2空化观测4.2.1一般要求到目前为止，已经开发了各种观测全尺寸空化的方法。本文件介绍了各种空化观测方法的特点，并规定了标准空化观测试验的必要准备。4.2.2空化观测方法传统的方法是使用带有频闪光源的CCD相机用于全尺寸空化观测。最近，一种在日光条件下使用高速摄像机的技术已被使用。与传统的方法相比，该技术减少了观察窗数量，并能够观察空化的详细运动，以用来研究气穴现象。此外，为了减少安装时间和成本，已采用孔镜仪技术代替现有的观察窗。对于内窥镜设备所需的小型贯穿件，可以在船舶处于漂浮状态时进行钻孔，安装时间从几天缩短到几个小时，并从昂贵的船舶停靠操作中节省资金。然而，孔镜仪技术需要强烈的阳光和良好的水质。观察窗对天气和海况条件要求并不高。因此，如果有足够的施工时间和空间，仍需要观察窗。应根据安装的目的、情况和时间选择设备。图像的频率很大程度上取决于照明条件，表1显示了全尺寸螺旋桨空化的各种观测方法的几个示例。表1空化观测方法示例否是是是是是否是是否4.2.3观察窗口观察窗的设计、制造和安装应符合以下要求3GB/T××××—××××/ISO22098:2020——观测能见度；——设置方便；——结构安全；——防水性能。应通过结构强度分析验证设计观察窗的安全性或分类认可。应符合符合规定的适宜材料制造，以避免在船舶的安装中产生问题。表2列出了典型观察窗的组件和材料。图1显示了一个典型观察窗的示例。表2典型观察窗的组件和材料样例图1典型观察窗示例观察窗的数量取决于所使用的观察方法。观察窗的安装、位置和尺寸宜通过船舶尾部结构分析并考虑以下因素进行选择：——空化发生位置和观测范围；——安装便利性、工作空间安全和移动路线；4GB/T××××—××××/ISO22098:2020——船舶操作吃水深度；——船壳结构安全和布置。观察窗的准确位置可以通过使用船体CAD建模3D分析来选择，如图2所示：图2观察窗定位的三维建模示例4.2.4高速摄像机用于观测的高速摄像机应能够在弱光源下拍摄。因为帧速率和分辨率成反比关系，宜根据天气条件和全尺寸螺旋桨的旋转速度选择适当的帧速率。根据观察窗口的数量，可以使用多个高速摄像机。在这种情况下，建议使用一种系统配置，在该配置中摄像机可同步记录。4.3船体压力测量4.3.1一般要求船体压力测量点宜选择在螺旋桨附近的船尾表面，此出由气化引起的压力波动值最大。压力传感器应安装在螺旋桨平面上方的船尾表面，通过信号处理器分析测量的船体压力。4.3.2压力传感器压力传感器的安装、位置和数量应通过综合考虑船体结构、测试目的、测量范围和安装空间确定。如果使用压力传感器，应根据制造商推荐进行校准。安装的压力传感器的一个例子是在最大压力下额定的应变计传感器345kPa，适用于水中0Hz至6000Hz的频率范围，如图3所示。图3给出了安装压力传感器的一个例子，应变计传感器最大额定压力为345kPa，适用于水中0Hz至6000Hz的频率范围。GB/T××××—××××/ISO22098:2020图3压力传感器安装示例实际情况是，单螺旋桨船的压力传感器大致从螺旋桨平面前方0.8D延伸布置到螺旋桨平面后方0.6D，其中D是螺旋桨直径。左舷和右舷的最大延伸范围应为0.6D至0.8D，具体取决于船体结构上的安装位置。一般情况下，传感器之间的距离在0.15D和0.35D之间。如果可能，应至少安装5个传感器。压力传感器的安装位置可以通过使用CAD建模对船体形状进行3D分析来选择。在综合考虑模型测试结果或CFD分析结果的情况下，仔细选择传感器的安装位置。图4给出了压力传感器的位置示例。图4压力传感器位置示例4.3.3脉冲控制器脉冲控制器需要将空化的位置与观测设备（如摄像机、视频、孔径仪和高速摄像机等）以及由于螺旋桨旋转而产生的压力传感器同步。旋转编码器或光学传感器通常安装在螺旋桨轴上，以产生连续脉冲并通过控制器控制产生的脉冲。图5显示了安装在螺旋桨轴上的脉冲发生器的示例。GB/T××××—××××/ISO22098:2020图5安装在螺旋桨轴上的脉冲发生器示例4.3.4数据处理系统应安装信号处理装置，为可变压力传感器供电，以及用于放大和处理输出信号。必要时，由压力转化器提高采样率。还可以根据压力传感器的数量配置测量系统，同时对通道的数量进行采样。压力传感器的采样频率应满足Nyquist-Shannon采样定理，例如，它应至少是测试中最高频率的两倍。如果可能，建议为最高频率的四倍。5安装要求5.1一般要求当进行全尺寸试验的船舶处于“交付后阶段”时，船壳上的测量部分（观察窗应位于此处）的设计和安装不应作为船壳部分，可作为通海阀箱。应仔细设计壳板的厚度。按照IACSUILL62和/或IMO决议MSC.143(77)的适用要求，作为一种切实可行的安装，观察窗应被视为“舷窗”。观察窗及其玻璃、百叶窗和防风罩（如已安装）应采用经批准的设计，并具有结构强度安全的坚固结构，水密性符合或相当于国家或国际标准的要求。不允许采用非金属框架。空化观测配置示例见附录A。当安装有底塞时，还应按上述要求处理内窥镜孔和/或压力传感器孔。观察窗应按照规范要求使用适宜的材料，并按规范要求安装，不应在船舶安装中产生任何问题。观察窗的尺寸和形状、压力传感器和窗户摄像头配置可以根据具体情况确定。5.2安全间隙和水密性当观察窗被螺栓盖覆盖时，应确认泄漏检测的安全间隙（见ISO5894）。当电缆贯穿舱壁或甲板等水密部分时，电缆孔的水密性应经相关船级社和相关船旗国批准认可。6试验和测量程序空化观测试验和船体压力测量宜考虑以下内容：7GB/T××××—××××/ISO22098:2020——螺旋桨叶片的试验准备（必要时清洁和/或叶片上的径向标记）；——安装和检查观测设备（摄像机、视频、孔镜仪、高速摄像机和闪光灯等）和/或压力测量设备；——确定试验条件（船舶速度和/或轴功率）；——在进行空化观测时，应根据天气环境、空化观测范围和轴转速确定观测设备（相机、视频、孔镜仪、高速相机和频闪灯等）的分辨率设置；——考虑到观测设备分辨率和轴转速，设置足够的测量时间；——考虑到不确定性，在相同的操作条件下进行了两次以上的测试和测量记录。在试航试验期间，第7章所列的环境数据和船舶运行条件宜按照ISO15016规定的程序进行测量。特别是，船速和实测船速应符合ISO15016规定的船速。压力波动测量和使用高速相机观察气化模式同时进行时，建议同步进行，以便测量的压力信号可以直接与观察到的气化模式关联。关于船体压力测量，数据应记录在时域和分析频谱中。最常用的数据处理是对测量值进行平均后的谐波分析。通过频域分析，可以确定叶片频率谐波的信号幅度。信号的振幅和相应的相位角，如最大、最小、平均和最高振幅百分比可由此确定。为了分析螺旋桨引起的脉动压力信号，对每个叶片频率分量进行频率分析。由于脉冲传感器安装在螺旋桨旋转轴上，脉冲信号中的一个脉冲恰好对应螺旋桨的一个旋转周期。使用每转一个脉冲的信息，可以将测量信号的整个间隔划分为每转一圈的m个旋转间隔。脉动压力信号的频率分析方法如附录B所示。模型尺度船体压力测量的实验可以根据适当的程序通过数据进行分析。7试验报告全尺寸空化观测试验结果和脉冲压力测量数据应结合以下船舶操作条件进行报告：——船舶数据（在垂线前后测得的吃水深度、观察窗布置和传感器、轴中线位置）；——螺旋桨数据（螺旋桨直径和叶片数量）；——试验条件（船速、实测船速、发动机制动功率、螺旋桨转速和/或扭矩和/或推力——环境数据（风、海况、水深）。GB/T××××—××××/ISO22098:2020（资料性）空化观测结构示例图A.1给出了安装在壳体上的通海阀箱结构示例。图A.1通海阀箱结构示例GB/T××××—××××/ISO22098:2020（资料性）压力波动信号分析对应于转动一圈得m个间隔的波动压力信号f（t）可由以下公式表示：式中：t——时间；n——谐波次序；Z——螺旋桨叶片数量；P——螺旋桨一转的周期；An——第n个谐波的波幅，βn——相位角（度），由于整个测量间隔被划分为m转间隔，m转间隔的压力波动幅度和相位角平均值计算如下：GB/T××××—××××/ISO22098:2020参考文献[1]ISO5894,Shipsandmarinetechnology—Manholeswithboltedcovers[2]ISO15016,Shipsandmarinetechnology—Guidelinesfortheassessmentofspeedandpowerperformancebyanalysisofspeedtrialdata[3]IACSUILL62,SideScuttles,WindowsandSkylights(Regulation23)[4]IMOResolutionMSC.143(77)(adoptedon5June2003),AmendmentstotheProtocolof1988RelatingtotheInternationalConventiononLoadLines,1966,asreferredtoas“ICLL1988”hereafter[5]HoshinoT.,JungJ.,KimJ.-H.,LeeJ.-H.,HanJ.-M.,ParkH.-G.2010,Fullscalecavitationobservationandpressurefluct