1、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 日目录0、前言11、船模制作12、仪器安装及操作12.1 电测阻力仪12.2 自航仪93、自航试验操作144、试验数据处理165、实船性能预报17I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 4 8HZ 采集程序图标5图 5 8HZ 自航双桨6图 6 8HZ 系统设定7图 7 8HZ 数据采集8图 8 8HZ 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 13 WD990 微机电源14图 14 自航
2、试验曲线16I表目录表 1 拉力传感器规格表4表 2 自航仪规格表9I华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 875429460、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
3、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 :拉力传感器信号放大处理器采集卡计算机信号放大处理器主要技术指标：采样通道： 16 路输入阻抗： 2M零点漂移： 0.05%精度 ： 0.05%1华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946D/A 转
4、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2华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946图 2 放大器背面接口3华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 8754
5、2946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10Kg30.56v25Kg33.312v50Kg66.612v拉力传感器100Kg13512v150Kg211.512v500Kg115012v1000Kg152710v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：系统设定数据采集数据文件数据处理4华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1
6、037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946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 4 8HZ 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。5华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946图 5 8HZ 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
7、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 2.6华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946图 6 8HZ 系统设定然后进入数据采集界面，如图所示。在
8、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。7华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946图 7 8HZ 数据采集8华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946图 8 8HZ 数据处理数据处理，和阻力部分一样， 仍打开对
9、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10kg推力： 34.2推力： 6.025kg.cm扭矩： 82.5扭矩： 10.0德国自航仪10kg推力： 35推力： 6.0（坏头）25kg.cm扭矩： 82扭矩： 10.09华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946自航仪 5#10kg推力： 33.75推力： 6.0（ 702 所）30
10、kg.cm扭矩： 69扭矩： 10.0自航仪 9#10kg推力： 33.2推力： 6.0（ 702 所）30kg.cm扭矩： 67.6扭矩： 10.0自航仪25kg推力： 40推力： 12.0（ 702 所）50kg.cm扭矩： 167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 :自航仪信号放大处理器采集卡计算机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10华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：0
11、27 87543358Fax：027 87542946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。11华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946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12华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Te
12、l：027 87543358Fax：027 87542946下图 13 所示。图 12 转速数字显示仪13华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946图 13 WD990 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14华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水
13、池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946FD Rtmm Rts3s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：FD1mSmvm2 (cfm cfs)2摩擦阻力系数计算采用1957-ITTC 公式，其表达式为：C f0.075(log R 2) 2N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
14、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
15、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。15华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946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 nZ 曲线相交，找出对应
16、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V s(km/h)V m (m/s)Cfm (10e-3)Cfs (10e-3)Fd(kgf)16华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87
17、543358Fax：027 87542946实船速度V s(kn)船模速度V m(m/s)船模阻力Rm(kgf)摩擦阻力修正Fd(kgf)桨模转速n(rpm)单桨模扭矩Q(kgf.cm)单桨模推力T(kgf)模型推进效率Q.P.C.按等推力法进行分析：24推力系数K t =T m/( nD )25扭矩系数K q =Qm/( nD )进速系数J(由敞水曲线查得)K q（由敞水曲线查得）敞水效率0相对旋转效率r= K q/K q推力减额分数t=1 (Rtm-Fd)/ (2T m)V A (m/s)伴流分数=1 nDJ/V m船身效率h=(1-t)/(1- )推进效率Q.P.C.校核 =0hr表 4
18、 自航试验分析121314155、实船性能预报实船性能预报采用（ 1 X ）， K2 方法，根据经验取X 0.05，K2 0.02。实船螺旋桨转速：N SK 2 nm /(1X )EHP实船螺旋桨收到功率：DHPQ.P.Cts = tmwstm0.04( wmt m0.04) *C f(1K )C fs /(1K )C fm（当 ws wm 时，依经验取 wswm）s =m17华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946压载状态预报结果见。表 5 实船自航因子及效率成份预报结
19、果Vs(kn)12131415w srs0shsQ.P.C.stsNs(rpm)EHP(kw)(1+x)*EHP/Q.P.C. （ kw ）数据处理之后，绘制如下两个图。rwtQ.P.C.ohr,h 1.4,0,1.2.C.P.1.0Q,t, 0.80.60.40.20.0111213141516Vs ( kn)图 15 推进因子及效率成份18华中科技大学船舶与海洋工程学院船模拖曳水池实验室430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037 号 Tel：027 87543358Fax：027 87542946)2500Wk(sPDHPsHD20001500100050001112 13 14 15 16 Vs ( kn )图 16 航速预报曲线19
