基于非线性数值分析的船舶轴功率计算方法.pdf

第44卷第4期
船海工程
2015年8月
SHIIP &OCEAN ENGINEERING
Aug,2015
D01:10.3963/j,issn.1671-7953,2015,04.020
基于非线性数值分析的船舶轴功率计算方法
周橹君,朱晓军,闵少松,彭飞
(海军工程大学舰船工程系,武汉430033)
摘要:为了解决一些服役期较长的船舶有时无法采集到轴功率数据的问题,根据螺旋桨敞水性征曲线
推导轴功率与航速、轴转速的之间的非线性关系,以此计算轴功率,利用不同型号螺旋桨敞水试验数据,使用
Matlab拟合不同次数多项式的非线性关系,结果表明三次多项式拟合非线性关系的效果最好,且有着广泛的
适用性。用该方法计算轴功率,不但提高了航速、轴转速数据的适用范围,同时也提高了计算精度。
关键词:船舶轴功率;航速;轴转速;敞水性征曲线;非线性;拟合
中图分类号:U661.31
文献标志码;A
文章编号:1671-7953(2015)04-0074-05
船舶轴功率是评价和监测船舶性能的重要指推求轴功率、航速和轴转速之间关系的概念2。
标,并且对于故障原因的分析也有着重要的作用。将非线性引入到敞水性征曲线进而推求轴功率的
近年来,为了掌握污损的最佳清除时间,国内外均方法中来,理论上可提高航速、轴转速数据的适用
提出了基于轴功率与航速关系的船舶监测模型。范围,同时也可提高轴功率的计算精度,但这需要
因而,轴功率数据是建立监遡模型的关键,但对于进一步验证;并且,也需要进一步分析研究何种非
一些服役时期较长的船舶来说,由于存在技术或线性关系最为适用。
其他原因,无法采集到轴功率数据,导致无法建立
污损监测模型。
1基本原理
为此,有学者提出了以敞水性征曲线中转矩
敞水性征曲线是在静水试验情况下获得的
系数ん,与进速系数J的在一定范围内近似线性关但船舶实际航行时存在波浪等许多情况,螺旋桨
系推求轴功率与航速、轴转速之间的关系的方性能因此也会发生变化。但许多波浪中船舶失速
法,但此线性关系只在常用航速范围内成立,的理论中,仍然以静水中的敞水性征曲线为依
适用范围很小,见图1。
据。文献[4]提出了波浪中与静水中敞水性征
曲线完全相同的假设,并指出此假设在中等浪级
下应该是有效的。相关试验结果均表明,浸深足
够时,静水中与规则波中的敞水均值基本
样5?。因此,在中等海况以下,螺旋桨有足够的
10
浸深时,可认为敞水性征曲线是不变的,那么可认
为基于此敞水性征曲线建立的轴功率与航速、轴
0,2
0.8
转速之间的关系是一致的。
图1螺旋桨敞水性征曲线
2轴功率求解模型
国内也有相应的研究基于k。与J二次关系来
2.1非线性关系分析
收稿日期:2015-05-12
转矩系数k,与进速系数J表达式分别为
修回日期:2015-06-01
基金项目:海军工程大学自然科学基金资助项目
HGDQNJJ13038
第一作者简介:周橹君(1991-),男,硕士生
J = ND
(2)
D
研究方向:船舶维修工程
式中:Q一转矩
E-mail:304633472@gg.com
P一轴功率;
2015年
船海工程
第4期
周橹君,等:基于非线性数值分析的船舶轴功率计算方法
第44卷
V一航速;
v一一进速
海水密度
轴转速
D一螺旋桨直径;
a)大侧斜
b)CP1463
c)4381
一伴流分数。
图2螺旋桨模型
则转矩系数k。与进速系数J的二次方程可
表1前桨D=220mm散水试验数据
表达为
转速/、转矩/、进速/进速系10k.轴功率
S
数J
kw
mpn
13011.6364.3880.9200.068222.89
4.2444.4600.8100.132667.16
ND
17017.1674.5300.7260.1731276.71
整理可得
18028.8184.5860.6940.1901663.95
190010.4874.6410.6660.2032087.
06
200112.2504.6820.6380.2142566.86
式中:a1、a2、a3、a4、as、a。为系数,同一敞水性征
210214.1034.7350.6140.2233104.38
曲线下为常量
表2后桨D=216.8mm敝水试验数据
同理可得轴功率、航速及轴转速的高次关系
转速/转矩/进速/进速系10,判功率
P
)(N?m)(
/kw
13013.3964.3880.9790.191462.71
式中:m非线性的次数;
5.8814.4600.8620.248924.35
17018,5244.5300.7730.2801518.30
多项式的系数。
18029.4374.5860.7380.2771780.
2.2拟合求解
0.7080.3002267.9
利用海试的轴功率与航速、轴转速数据或早
200113.0634.6820.6790.3112737.19
期记录的数据对曲线方程进行拟合,采用 Matlab210214.3514.7350.6540.303158.87
作最小二乘拟合求解?。令y,=P,/n3、x=
表3CP1463桨D=220mm散水试验数据
v/n2,则拟合曲线为
转速/转矩/进速/进速系、kW
轴功率
c1十?+cnx
r?min-')(N?m)(m?s1)数J
式中:mー多项式的拟合次数;
4893.5361.0710.128140.32
1050
4.0993.5740.9280.260450.69
利用早期数据求解整理得到轴功率与航速、
1203
6.9633.5930.8150.336877.21
轴转速的关系曲线,代入航速轴转速值后,便可
0.1753.6490.7370.39
得到轴功率。
150613.9973.7230.6740.4312207.46
165617.9413.7950.6250.4573111.26
3验证分析
175220.9163.8310.5960.4763837.50
使用 Matlab对不同次数的多项式进行拟合,
表44381桨D=305mm散水试验数据
并用拟合优度进行分析,人而验证轴功率计算方转速ン、转矩/。进速』进速系1の.轴功率
法的可行性,并找出拟合效果最好的多项式次数。(rm
in)(N?m)(mnsh
数J
验证采用混合式对转大侧斜螺旋桨、CPl463
2,4173.0031.00.335228.08
1053
4.0613.1590
0.412447.77
桨和4381桨敞水试验数据进行验证,螺旋桨型号
6.1673.2030.80.481775.62
覆盖了普通桨、恻斜桨和大侧斜桨多种型号,见图<