船舶与海洋工程实验技术自航试验指导书要点.docx

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船舶与海洋工程实验技术自航试验指导书要点

船舶与海洋工程实验技术

自航试验指导书

华中科技大学船舶与海洋工程学院

船模拖曳水池实验室

2015年5月20日

0、前言  1

1、船模制作  1

2、仪器安装及操作  1

2.1电测阻力仪  1

2.2自航仪  9

3、自航试验操作  14

4、试验数据处理  16

5、实船性能预报  17

图目录

图1拉力传感器  2

图2放大器背面接口  3

图3放大器正面  4

图48HZ采集程序图标  5

图58HZ自航双桨  6

图68HZ系统设定  7

图78HZ数据采集  8

图88HZ数据处理  9

图9自航仪  10

图10电机  11

图11电机操作柜  12

图12转速数字显示仪  13

图13WD990微机电源  14

图14自航试验曲线  16

表目录

表1拉力传感器规格表  4

表2自航仪规格表  9

0、前言

自航试验有以下主要目的：

（1）分析和研究各种效率成分，研究桨、船两者的相互作用；

（2）预报实船性能。

即通过试验给出主机功率、转速和船速之间的关系，得出实船的航速预报，验证设计的船舶是否满足任务；

（3）判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。

我们所采用的自航方法为强迫自航法,又称英国法.有关自航的详细理论请参考《船舶性能实验技术》（第五章），俞湘三等主编，上海交通大学出版社。

1、船模制作

船模的制作和装载状态的调整都和阻力试验是一样的，此处就不在赘述。

2、仪器安装及操作

2.1电测阻力仪

电测阻力仪主要是用来测量强制力Z。

本系统主要由硬件，软件两部分组成：

硬件：

它是由多组十六路信号放大处理器、采集卡、计算机组成。

原理方框图如下:

信号放大处理器主要技术指标：

采样通道：

16路

输入阻抗：

>2MΩ

零点漂移：

0.05% 

精  度：

0.05%

D/A转换板：

12位  精度 0.015%

具体操作过程如下:

首先,拉力传感器固定在机械阻力台上，如图1所示

图1拉力传感器

拉力传感器，一头由数据线连接，到拖车操作室接到放大器背后的接口处，放大器型号为:

HG-98多功能数据处理系统，如图2和图3所示

图2放大器背面接口

图3放大器正面

选择通道，如CH5，然后放大器通过采集卡与计算机（靠门口那台）相连。

此外，拉力传感器的另一头有钢丝连接，与拖曳船模的钢丝相连接。

拉力传感器规格如下表1所示

表1拉力传感器规格表

类别

量程

系数

电压

拉力传感器

10Kg

30.5

6v

25Kg

33.3

12v

50Kg

66.6

12v

100Kg

135

12v

150Kg

211.5

12v

500Kg

1150

12v

1000Kg

1527

10v

软件：

采用VB语言编程，主要由窗体模块及标准数学分析模块组成。

软件流程图如下：

具体操作过程如下：

数据采集程序在电脑桌面上名为8HZ，如图4所示。

图48HZ采集程序图标

双击桌面图标8HZ，进入程序。

此时，一定要等程序自检的进度条读出一段后，再点击忽略。

然后点击“自航试验”，选择“双桨”，如图5所示。

图58HZ自航双桨

进去之后，选择系统设定，如图6所示。

此处，我们拉力传感器规格为25Kg，接的是CH2，所以在在通道二中更改，系数可以在表1中找到。

由于25Kg需要的电压为12V，所以在图3放大器正面中，调整CH2通道的电压为12V。

系统设定中的电压为5V，不用调整。

以双桨自航为例，我们需要在放大器中设置5个通道，分别测量强制力Z，左桨推力T左、扭矩Q左和右桨推力T右、扭矩Q右。

拉力传感器和自航仪的电压和系数的设置，请参照表1和表2.

图68HZ系统设定

然后进入数据采集界面，如图所示。

在拖车开动之前，要对拉力传感仪进行调零。

即在水池水面平稳状态下，钢丝处于松弛状态时，点击系统设定里面的调零保存，使该通道的工程值基本在0附近飘动。

具体采集过程，见3自航试验操作。

图78HZ数据采集

图88HZ数据处理

数据处理，和阻力部分一样，仍打开对应的文件名，然后拉取较平稳的一部分，然后读数记录。

2.2自航仪

自航仪为测量船模航行时螺旋桨的推力和扭矩的仪器

型号参考如下表格。

表2自航仪规格表

类别

量程

系数

电压（V）

德国自航仪

10kg25kg.cm

推力：

34.2扭矩：

82.5

推力：

6.0扭矩：

10.0

德国自航仪（坏头）

10kg25kg.cm

推力：

35扭矩：

82

推力：

6.0扭矩：

10.0

自航仪5#（702所）

10kg30kg.cm

推力：

33.75扭矩：

69

推力：

6.0扭矩：

10.0

自航仪9#（702所）

10kg30kg.cm

推力：

33.2扭矩：

67.6

推力：

6.0扭矩：

10.0

自航仪（702所）

25kg50kg.cm

推力：

40扭矩：

167

推力：

12.0扭矩：

12.0

本系统主要由硬件，软件两部分组成：

硬件：

它是由多组十六路信号放大处理器、采集卡、计算机组成。

原理方框图如下:

具体操作过程

自航仪与电机和螺旋桨通过轴系进行连接，可以测量螺旋桨的推力和扭矩。

图9自航仪

图10电机

电机通过电源线与电机操作柜相连。

我们通过电机操作柜开启、关闭电机，并且能够调整电机的转速。

图11电机操作柜

此外在电机上还连接有转速数字显示仪，通过转速显示器上的数字变动，我们能够直观的看到转速的变化,如图12所示。

此仪器同样通过稳压电源进行供电，如下图13所示。

图12转速数字显示仪

图13WD990微机电源

软件：

自航仪的数据采集和强制力都是同时完成，可参考2.1的此部分。

3、自航试验操作

在未装螺旋桨之前，我们先要测量桨轴的零扭矩Q0，后续计算会用到。

在进行自航试验时，为使船模和实船的阻力之间满足缩尺比的三次方的关系，我们需要人为的增加一个摩擦阻力修正值，即

实际上,试验时在船模上加一个拖曳力FD,则桨模发出的推力Tm需克服的阻力为（Rtm-FD）。

在这一点上，试验船型达到力的平衡，称改点为实船自航点。

通常我们需要提前估算一下实船和船模的摩擦阻力系数，公式如下：

摩擦阻力系数计算采用1957-ITTC公式，其表达式为：

自航试验一般应不少于4个自航速度，即vm1，vm2，vm3，vm4，其中vm3应相当于实船的设计航速，vm4则高于实船设计航速，各速度应取合理的间隔。

对于某一选定的自航速度vm，一般取5个不同的强制力，即Z1，Z2，Z3，Z4，Z5。

为使试验点分布较均匀合理，一般取Z=0，相当于船模自航点。

Z3=FD，相当于实船自航点。

其余的大致为：

Z2=0.5FD，Z4=1.5FD，Z5=2FD。

在拖车开动之前,先让螺旋桨转动一定转速,比如500转,然后开动拖车,继续增加或者减小转速,使操纵台上拉力传感器的数值稍大于FD,此时就是我们需要的第一个强制力.

根据实际情况,以比上一次大一些的转速转动螺旋桨,然后启动拖车,等拖车稳定后,采集数据.我们需要记录转速n，强制力Z，还有两个桨模的推力T和扭矩Q。

然后等数据稳定之后，我们继续稍微增加螺旋桨的转速，等稳定后，再次采集以上数据。

即通过改变螺旋桨转速的方法，采集五个不同强制力下的Z，n，和左右桨的推力T和扭矩Q。

然后保存文件，采集一次，最多可以采集十组数据。

等五个速度的数据全部收集之后，我们就可以画出自航试验曲线。

图14自航试验曲线

然后在纵坐标中量取Z=FD，做平行于X轴的直线，和n—Z曲线相交，找出对应的转速n，然后在其他曲线上找出对应的T和Q。

把得到的数据带入计算表格中估算效率。

4、试验数据处理

根据前面计算的摩擦阻力修正值，对应相应的状态和速度，进行插值得出要求的转速N、推力T、扭矩Q按等推力法进行自航数据分析，计算中已扣除零扭矩Q0。

已有相应的excel计算表格，可以进行较快捷的数据处理。

要处理的数据如下所示。

摩擦力修正值计算见。

表3摩擦阻力修正值计算

Vs（km/h）

Vm（m/s）

Cfm（10e-3）

Cfs（10e-3）

Fd（kgf）

表4自航试验分析