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海洋拖网渔船拖力的计算

发表时间:2020/6/24 13:37:36  来源:中国船检杂志社  浏览次数:1956  
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经常会有人问“渔船拖网时的拖力怎么计算”?简单的回答是螺旋桨推力减去船体的阻力即为拖网的拖力。因现在船舶设计都采用计算机辅助设计,只要填写好相关的参数,其所需结果会自动生成,这拖力也不应例外。但值得注意的是,实船拖力的大小与螺旋桨设计的优劣密切相关,螺旋桨设计的好坏又与设计参数的选取有直接的关系,现把手工计算的程序简介一下,也许会对使用CAD的设计有一定的帮助。

一、设计参数的确定

1、船体参数

螺旋桨设计应达到船机桨相互匹配,所需提供的船体参数有:设计水线长LWL(m);垂线间长LPP(m);型宽B(m);设计吃水d(m);方形系数CB;棱形系数CP;满载排水量△(t)。

有了船体的上述参数,可以求出船体在不同航速V(kn)下的有效功率PH=f(V)曲线或表。该曲线或表是螺旋桨设计所必需,也是求取不同航速下拖力所必需。设计时可将有效功率PH提高15%~25%作为航速储备来计算螺旋桨,以消减计算过程及螺旋桨制造过程当中的误差。

2、主机及齿轮箱参数

螺旋桨设计所需提供主机及齿轮箱的参数有:主机型号;主机数量z;单机额定功率PB(ps);额定转速NH(r/min);旋向;外带辅机功率PF(ps);齿轮箱型号;减速比i。

二、螺旋桨设计条件

螺旋桨设计的条件需要综合考虑事先选定,主要有:

1、选择设计工况:螺旋桨可以按最佳航速、最佳拖力、最佳航速与最佳拖力折中、限制直径等工况进行设计。

2、选择桨种:设计螺旋桨可以是普通桨,也可以是导管桨或可调螺距螺旋桨。

对普通桨而言,MAU桨效率与其他常用桨效率相当,因其给出的是海水、米、节、公制马力(ps)的图谱,不需要另行换算,使用比较方便,故现在普遍采用。

导管桨可以增加推力,且对减小船舶的纵摇有利,比较适合拖网渔船。但也有船东认为现在海中漂浮物较多,一旦卡桨会造成很大麻烦,故不喜欢导管桨。

可调螺距螺旋桨也有很多优点,但造价及后续的维修费用是渔民不敢问津的主要因素。

3、作业考虑:根据统计,拖网渔船航次作业的自由航行时间占30%,拖网时间占70%。由于拖力大拖速快在单位时间内可增多扫海面积,进而提高捕捞效益,按最佳拖力设计导管桨是比较理想的方案。但有些船东并不认可这样的设计,故本计算介绍按最佳航速进行普通桨的设计。

4、桨型:MAU。

5、叶数:4,根据具体情况,可以选择3、4、5叶螺旋桨,本例题选择4叶桨。

6、桨数:z,桨数与主机数相匹配,现渔船上多是单机单桨,还没有双机并车的渔船。

7、结构:整体式,整体式较组合式效率高,可调桨仅在大型拖网加工船上有个别采用。

8、材料:Cu2,该材料软硬适中。

三、其他计算参数

1、伴流分数:w=0.77Cp-0.28,此单桨拖网渔船公式。W过大或过小都不能发挥主机功率,但偏大取为宜,可以使主机负荷轻,容易达到额定转速NH;取值偏小效果相反。

2、推力减额分数:t=0.77CP-0.30,此单桨拖网渔船公式,其分布情况为,在系桩时其值为0.03或0.04,设计航速时其值为t,其中间的航速时直线插值,超过设计航速t值不变。

3、船身效率:ηH=(1-t)/(1-w)。

4、相对旋转效率:ηR,一般取值为1.0。

5、轴系传递效率:ηS=∑ηSi;其中ηsi为轴系各部位的传递效率:单级齿轮箱取为0.975,双级齿轮箱取为0.950,中间轴承取为0.998,推力轴承取为0.990,艉轴管取为0.990。中机型直接传动者,可取ηs=0.97,艉机型直接传动者,可取ηS=0.98。

6、功率储备系数:c,一般取(10%~15%)。

7、螺旋桨收到功率:PD=〔(1-c)PB-PF〕ηS(ps)。

8、螺旋桨转数:N=i NH(r/min),i为齿轮箱的减速比。

四、船舶有效功率曲线计算

船体主要参数确定之后,其有效功率曲线PH=ƒ(V)可由计算机自动生成,亦可以手工计算或参考母型船进行换算,其计算结果见表1。

拖网渔船拖力的计算

表1 船舶有效功率曲线表PE=ƒ(V)

五、有效推力及可达航速计算

按最佳效率桨计算推力及航速,已知条件有:螺旋桨数z ;转速N(r/min);收到功率PD(ps);功率系数N PD0.5;船身效率ηH;相对旋转效率ηR,其计算程序见表2。

拖网渔船拖力的计算

表2 有效推力及可达航速计算

六、螺旋桨空泡校核

螺旋桨空泡校核可以按设计手册或教科书进行(校核过程 略)。但其有简化校核的技巧:

1、可以只先算MAU4-40,如空泡校核已经满足,就不必另行插值计算最佳叶面比的螺旋桨。因为设计和建造都会有一定的误差,其精度没有达到100%的。

2、如MAU4-40不满足空泡要求,再按其差值的大小补算一个MAU4-55或MAU4-70桨,然后进行插值求满足空泡的叶面比。

3、用满足空泡的叶面比插值出来的D、P/D、ηO即为设计螺旋桨的参数。

4、导管桨的空泡校核:AE/AO≈PD/(0.7ND3),也可按普通桨所需投射面积AP增加10%~15%处理。

七、螺旋桨强度校核

按规范要求进行(校核过程 略)。

八、低于设计航速推力的计算(按表3)

已知条件有:伴流分数w,推力减额分数t,螺旋桨收到功率PD(ps),转速N(r/min)

螺旋桨直径D(m),螺距比P/D,设计航速V(kn),有效功率曲线或表。

拖网渔船拖力的计算

表3 低于设计航速推力的计算

九、螺旋桨设计总结

收到功率PD(ps);设计转速N(r/min);设计航速V(kn);桨型MAU4;叶面比AE/AO;直径D(m);螺距比P/D;毂径比d/D;毂长l(m);纵斜角θ(°);敞水效率ηO;系桩拉力FP0(kg);X节拖网拖力FT(kg);估算质量GP(kg);转动惯性矩:IP(kg.cm.s2);旋向;材料Cu2 ;螺旋桨个数(只)。

十、结论

按照上述程序计算出的螺旋桨是不会有问题的,其拖网拖力也真实可信,如果需要还可以计算出F=ƒ(V)的拖力曲线或表,供不同拖速插值使用。

拖网渔船螺旋桨的设计与拖轮螺旋桨的设计有诸多相似之处。例如,港作拖轮没有航程的紧迫要求,应以追求拖力为主故要按最大拖力工况设计;救助拖轮航程较远且时间紧迫应以追求航速为主故要按最佳航速设计。拖轮可以依据被拖船只参数计算出拖带速度及拖力,而拖网渔船因网具的深度、底质及渔获物的多少不同其阻力是不可预估的,故只能在设定拖速的情况下求出拖力。

另:因为模板原因,本文涉及的公式里有下标的都无法显示,大家可以看表格里的标注的。

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