CN113928507A - 一种船舶实航速度的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船舶实航速度的评估方法，涉及船舶建造技术领域，该方法包括以下步骤:步骤一、开展试验获得实测数据；步骤二、螺旋桨负荷的总阻力计算；步骤三、消除风、浪因素的影响；步骤四、消除海流因素的影响；步骤五、消除浅水因素的影响；步骤六、增加空气因素的影响并消除水温和密度引起的影响；步骤七、消除排水体积差异的影响；步骤八、实船性能。本发明解决了现有技术中在修正过程中，需要将本来因为水流速度无法测量而采取的措施参与到消除风、浪等因素的过程中，这样得出的测量结果存在较大误差，且对于不同功率点消除各因素时也存在影响的问题。
Description
技术领域
本发明涉及船舶建造技术领域，具体涉及一种船舶实航速度的评估方法。
背景技术
实航试船是检验船舶是否满足合同要求的一个重要考核指标之一，关系到能否顺利交船。同时，实船试航也是船舶研制过程中的一个重要环节，利用实船试航得到的相关数据，可以检验和改进理论研究采用的数学模型，提高模型试验相关分析的精度。
为了保证航速测量的精确性，实船试航总是尽量选择在风浪较小的海况下进行测速试验，但海上风浪变幻莫测，实际测速较难在很理想的条件下进行，因此就需要对试航速度进行修正，把实船试航的结构修正到理想环境条件(无风、无浪、无流的深海)下，以验证船舶是否符合船厂和船东之间的要求。
测速一般是在主机多个设定工况下进行，每一工况在同一区域以往返的方式测速，同时尽量缩短每次测试之间的时间间隔，以此减小风、流和波浪变化带来的影响，即减小海况发生变化所造成的误差。
现有技术中，如在同一主机设定下来回进行测量记录，在修正过程中，需要将本来因为水流速度无法测量而采取的措施参与到消除风、浪等因素的过程中，这样得出的测量结果存在较大误差，且对于不同功率点消除各因素时也存在影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶实航速度的评估方法，以解决现有技术中在修正过程中，需要将本来因为水流速度无法测量而采取的措施参与到消除风、浪等因素的过程中，这样得出的测量结果存在较大误差，且对于不同功率点消除各因素时也存在影响的问题。
本发明的技术目的是通过以下技术方案是实现的：一种船舶实航速度的评估方法，该方法包括以下步骤:
步骤一、开展试验获得实测数据；
步骤二、螺旋桨负荷的总阻力计算；
步骤三、消除风、浪因素的影响；
步骤四、消除海流因素的影响；
步骤五、消除浅水因素的影响；
步骤六、增加空气因素的影响并消除水温和密度引起的影响；
步骤七、消除排水体积差异的影响；
步骤八、得到理想海况下测速目标吃水下船舶的航速。
具体地，所述实测数据包括测量数据和模型试验数据，所述螺旋桨负荷的总阻力计算公式为
(单位：kN)，其中，ρ为海水密度(单位：kg/m3)，测量数据；D为螺旋桨的直径(单位：m)；τ为螺旋桨的负荷系数；VA为螺旋桨的进速(单位：m/s)；t为推力减额系数，取自模型试验。
具体地，所述消除风、浪因素的影响在于消除风和浪对船舶增加的额外附加阻力，与真空状态相比，增加的空气阻力用RAA表示，增加的波浪阻力用RAW表示，相对于船舶在真空无浪海水中，船舶的额外附加阻力为ΔR1＝RAA+RAW，消除风浪影响后的船舶对地航速为VS1，船舶的轴功率为PS1。
具体地，因海流的影响，船舶来回的航速VS1和船舶的轴功率PS1形成两根曲线，两根曲线正中间位置画一根新曲线，新曲线上的速度为船舶的对水速度，在测速点上，船舶对水速度与对地速度之间的航速差异即为海流速度Vf，则在真空、无浪、静海下，船舶的对地航速为VS2＝VS1±Vf(单位：kn)。
具体地，船舶经过浅水的速度为VS，且VS＝VS2，船舶经过浅水引起的损失速度为ΔVS，经过浅水修正后，船舶的对地速度
具体地，在静止的空气中，相对风速即为船舶的对地航速，因静止空气增加的螺旋桨负荷系数为ΔτA，因实船测时海水与理想海水之间的差异，增加的螺旋桨负荷系数为Δτwater，在无风、无浪、无流的理想海况下，螺旋桨的负荷系数为τ2，船舶的对地速度为VS0。
具体地，船舶实际水体积与目标吃水状态的排水体积之间的差异，通过海军系数法消除其影响。
具体地，经消除风、浪、海流、水温和密度、浅水效应和排水体积因素的影响，得到理想海况下测速目标吃水下船舶以航速VS0航行，需轴功率PS0，螺旋桨转速为n0，功率修正因子为
转速修正因子为
其中，PS0m为船模试验结果，测速目标吃水航速VS0时的轴功率；nS0m为船模试验结果，测速目标吃水航速VS0时的螺旋桨转速；k为总的航次次数。
与现有技术相比，采用上述方案，本发明的有益效果是：
当外界环境变化，为保持船舶对水航速不变(即螺旋桨进速不变)，螺旋桨的转速将需相应调整，直至螺旋桨产生的推力与新的船舶阻力达到平衡。变化前后两个平衡点时螺旋桨的状态(如螺旋桨的转速和收到功率)由螺旋桨的特性联系，已知一个平衡点时螺旋桨的状态和两个平衡点之间阻力变化量，依据螺旋桨的特性求得另一平衡点时螺旋桨的转速和收到功率。同时，该方法仅消除海流因素的影响时，与各航次相关，消除其它风、浪等外界的影响仅与本航次的各因素相关，该方法更科学，且具有可操作性，对船舶实航速度的评估意义重大。
附图说明
图1为本发明一种船舶实航速度的评估方法的工作流程图；
图2为本发明中螺旋桨特性曲线示例图；
图3为本发明中在真空无浪下的速度-轴功率曲线示例图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步描述：
一种船舶实航速度的评估方法，如图1-3所示，该方法包括以下步骤:
步骤一、开展试验获得实测数据。
按照ISO 15016:2015“船舶和海上技术-分析速度试验数据评估速度和动力性能的指南”要求的海况下和测量方法记录各航次的航向、对地船速VG(单位：kn)、轴功率PS(单位：kW)、轴转速n(单位：r/s)、相对风速VWR、相对风向、水深、波高、相对波向、海水温度及密度、外界环境空气温度等数据。
步骤二、螺旋桨负荷的总阻力计算。
实测数据包括测量数据和模型试验数据，螺旋桨负荷的总阻力计算公式为
(单位：kN)，其中，ρ为海水密度(单位：kg/m3)，测量数据；D为螺旋桨的直径(单位：m)；τ为螺旋桨的负荷系数；VA为螺旋桨的进速(单位：m/s)；t为推力减额系数，取自模型试验。其中根绝螺旋桨的进速VA＝n*D*J，螺旋桨的负荷系数
基于测量数据和模型试验数据，计算得到螺旋桨的转矩系数
由螺旋桨特性曲线(KQ-J曲线)，根据KQ得到J，由螺旋桨特性曲线(τ-J曲线)，根绝J得到τ，其中PS为主机轴功率(单位：kW)，测量数据；n为螺旋桨的转速(单位：r/s)，测量数据；ηT为轴系效率；KQ为螺旋桨的转矩系数；ηR为相对旋转效率，取自模型试验；J为螺旋桨进速系数；KT为螺旋桨的推力系数；T为螺旋桨推力(单位：N)。
步骤三、消除风、浪因素的影响。
消除风、浪因素的影响在于消除风和浪对船舶增加的额外附加阻力，与真空状态相比，增加的空气阻力用RAA表示，增加的波浪阻力用RAW表示，其中RAA＝0.5*ρA*CAA*AXV*VWR 2*10-3(单位：kN)，式中ρA为空气密度(单位：kg/m3)，
空气密度因素C为
to为空气温度(单位：摄氏度)，测量数据；Pa为大气气压(单位mbar)，测量数据；CAA为相对风向对应的风阻系数；AXV为船舶试航状态水线以上横向投影面积(单位：m2)；VWR为相对风速(单位：m/s)，测量数据。波浪增加的阻力
(单位：kN)，式中：H1/3为波浪高度(单位：m)，测量数据；CB为方型系数；B为船宽(单位：m)；L为船舶水线长(单位：m)；g为重力加速度(单位：m/s2)；α为波浪相对船首方向，测量数据。相对于船舶在真空无浪海水中，船舶的额外附加阻力为ΔR1＝RAA+RAW。
消除风浪影响，真空无浪海水中船舶螺旋桨的附加负荷系数
真空无浪的情况下，螺旋桨的负荷系数：τ1＝τ-Δτ1，由螺旋桨特性曲线(J-τ曲线，见图2)插值得到τ1对应的J1，由螺旋桨特性曲线(J-KQ曲线，见图2)插值得到J1对应的KQ1。船舶对水速度保持不变，即螺旋桨的进速VA也不变。新负荷下螺旋桨的转速：
(单位：r/s)，此时的轴功率：
(单位：kW)，船舶对地速度：VS1＝VG(单位：kn)。
步骤四、消除海流因素的影响。
以上述步骤三推导出在真空无浪的情况下，因海流的影响，来回的航速VS1和轴功率PS1将形成两根曲线(如图3所示)。在两根曲线正中间位置画一根新的曲线，此新曲线上的速度为船舶对水速度。
各测速点，船舶对水速度与对地速度之间的航速差异即为海流速度Vf(单位：kn)。则在真空、无浪、静海下，船舶对地航速。
VS2＝VS1±Vf(单位：kn，顺流时候减，逆流时加)。
步骤五、消除浅水因素的影响。
当
且，测速时水深小于
和
中较大值时，可进行浅水修正，
否则
式中：h为水深(单位：m)，测量数据；AM为船舶水线下横剖面面积(单位：m2)；VS为船舶速度(＝VS2,单位:kn)；ΔVS为浅水引起的损失速度(单位：kn)，经过浅水修正后，船舶对地速
(单位：kn)。
步骤六、增加空气因素的影响并消除水温和密度引起的影响。
在静止空气中，相对风速即为船舶对地航速。因静止空气增加的螺旋桨负荷系数：
式中：w为伴流系数，
CAA0为相对风向0度对应的风阻系数；ρA0为15度时的标准空气的密度为1.225kg/m3。
因实船测时海水与理想的15度海水(密度为1026.021kg/m3，粘度1.1892*E-6m2/s)之间的差异,增加的螺旋桨负荷系数：
式中：ρ0为15度理想海水的密度，ρ0＝1025.8kg/m3；S为湿表面积(单位：m2)；CF为实际水温和盐度下的摩擦阻力系数；CF0为理想水温和盐度下的摩擦阻力系数。
在无风、无浪、无流的理想海况下的性能评估，螺旋桨在无风无浪无流的理想海况下的负荷系数：τ2＝τ1+ΔτA-Δτwater。
由螺旋桨特性曲线(J-τ曲线，见图2)插值得到τ2对应的J2。
由螺旋桨特性曲线(J-KQ曲线，见图2)插值得到J2对应的KQ2。
此时螺旋桨的转速为
(单位：RPM)；轴功率为
(单位：kW)；船舶对地速度为VS0(单位：kn)。
步骤七、消除排水体积差异的影响。
船舶实际排水体积与目标吃水状态的排水体积之间的差异，通过海军系数法消除其影响。
海军系数：
式中：Δ为船舶测速时的排水体积，(单位：m3)；△0为船舶测速目标吃水状态的排水体积，(单位：m3)。
修正后：轴功率为
(单位:kW)；船舶对地速度为为VS0(单位：kn)；螺旋桨的转速：n0(单位：RPM)。
步骤八、经消除风、浪、海流、水温和密度、浅水效应和排水体积因素的影响，得到理想海况下测速目标吃水下船舶以航速VS0航行，需轴功率PS0，螺旋桨转速为n0。
功率修正因子为
转速修正因子为
其中，PS0m为船模试验结果，测速目标吃水航速VS0时的轴功率；nS0m为船模试验结果，测速目标吃水航速VS0时的螺旋桨转速；k为总的航次次数。
基于船模试验，理想海况下目标吃水状态，实船性能：
航速为V(单位，kn)；轴功率为PS＝PSm*CP；转速为n＝nSm*Cn；式中：PSm为船模试验结果，目标吃水下航速V时的轴功率；nSm为船模试验结果，目标吃水下航速V时的螺旋桨转速。
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
步骤一、开展试验获得实测数据；
步骤二、螺旋桨负荷的总阻力计算；
步骤三、消除风、浪因素的影响；
步骤四、消除海流因素的影响；
步骤五、消除浅水因素的影响；
步骤六、增加空气因素的影响并消除水温和密度引起的影响；
步骤七、消除排水体积差异的影响；
步骤八、得到理想海况下测速目标吃水下船舶的航速。
2.根据权利要求1所述的一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，所述实测数据包括测量数据和模型试验数据，所述螺旋桨负荷的总阻力计算公式为
(单位：kN)，其中，ρ为海水密度(单位：kg/m3)，测量数据；D为螺旋桨的直径(单位：m)；τ为螺旋桨的负荷系数；VA为螺旋桨的进速(单位：m/s)；t为推力减额系数，取自模型试验。
3.根据权利要求2所述的一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，所述消除风、浪因素的影响在于消除风和浪对船舶增加的额外附加阻力，与真空状态相比，增加的空气阻力用RAA表示，增加的波浪阻力用RAW表示，相对于船舶在真空无浪海水中，船舶的额外附加阻力为ΔR1＝RAA+RAW，消除风浪影响后的船舶对地航速为VS1，船舶的轴功率为PS1。
4.根据权利要求3所述的一种船舶实航速度评估方法，其特征在于，因海流的影响，船舶来回的航速VS1和船舶的轴功率PS1形成两根曲线，两根曲线正中间位置画一根新曲线，新曲线上的速度为船舶的对水速度，在测速点上，船舶对水速度与对地速度之间的航速差异即为海流速度Vf，则在真空、无浪、静海下，船舶的对地航速为VS2＝VS1±Vf(单位：kn)。
5.根据权利要求4所述的一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，船舶经过浅水的速度为VS，且VS＝VS2，船舶经过浅水引起的损失速度为ΔVS，经过浅水修正后，船舶的对地速度
6.根据权利要求5所述的一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，在静止的空气中，相对风速即为船舶的对地航速，因静止空气增加的螺旋桨负荷系数为ΔτA，因实船测时海水与理想海水之间的差异，增加的螺旋桨负荷系数为Δτwater，在无风、无浪、无流的理想海况下，螺旋桨的负荷系数为τ2，船舶的对地速度为VS0。
7.根据权利要求6所述的一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，船舶实际水体积与目标吃水状态的排水体积之间的差异，通过海军系数法消除其影响。
8.根据权利要求7所述的一种船舶实航速度的评估方法，其特征在于，经消除风、浪、海流、水温和密度、浅水效应和排水体积因素的影响，得到理想海况下测速目标吃水下船舶以航速VS0航行，需轴功率PS0，螺旋桨转速为n0，功率修正因子为
转速修正因子为
其中，PS0m为船模试验结果，测速目标吃水航速VS0时的轴功率；nS0m为船模试验结果，测速目标吃水航速VS0时的螺旋桨转速；k为总的航次次数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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