0 引言

伴隨世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展與各國(guó)貿(mào)易的頻繁發(fā)生，使得海上交通愈加頻繁惊暴，為船舶的大型化發(fā)展提供了必要保障饼丘。特別是船舶總噸位的增加，一般的港口通航的密度也會(huì)變大辽话，進(jìn)而導(dǎo)致航道與港口愈加擁擠肄鸽。通過(guò)對(duì)船舶側(cè)推器的應(yīng)用，可以進(jìn)一步優(yōu)化船舶的操作性能油啤，因此得到了廣泛應(yīng)用讥捧。在這種情況下，有必要深入研究并分析船舶側(cè)推器及其控制系統(tǒng)揖漫，并進(jìn)行仿真锤楷，為系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供必要保障。

1 船舶側(cè)推器控制系統(tǒng)概述

1.1 基本工作原理

所謂的側(cè)推器垄坡，具體指的就是在導(dǎo)管內(nèi)的一種推進(jìn)裝置间皮，被安裝于連接船體艏部或是艉部導(dǎo)管之內(nèi)。一般情況下琼葫，導(dǎo)管和船舶的舯剖面相互垂直罩音，并且將螺旋槳裝設(shè)在導(dǎo)管的內(nèi)部馋顶。通過(guò)對(duì)螺旋槳使用所產(chǎn)生的射流即可形成推力，以保證船舶可以向著不同于射流的方向移動(dòng)试旬。只要對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向或是漿葉螺距進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變麻彬，即可使推力方向得以轉(zhuǎn)變，科學(xué)合理地操控船舶注寥。

在船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候窍各，船舶尾部側(cè)推所形成的轉(zhuǎn)向力矩大致相同。而在船舶行駛過(guò)程中廷蓉，船舶尾部側(cè)推所形成的轉(zhuǎn)向力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)首部側(cè)推轉(zhuǎn)向力矩全封。

在側(cè)推器螺旋槳處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，水流能夠在船體的一側(cè)向?qū)Ч芰魅胩胰蕴囟魉偻ㄟ^(guò)另一側(cè)流出并形成推力刹悴。結(jié)合動(dòng)量定理，水流所受的側(cè)推器作用力與水流動(dòng)量成正比攒暇，而且側(cè)推器所形成的推力與導(dǎo)管單位時(shí)間流量存在緊密聯(lián)系土匀。也就是說(shuō)，單位時(shí)間流量越大形用，實(shí)際的推力也越大恒削。

在設(shè)計(jì)側(cè)推器的過(guò)程中，需對(duì)以下假定條件作出適當(dāng)考慮：

1）側(cè)推器內(nèi)部水流會(huì)在假想封閉流管內(nèi)部流動(dòng)尾序，且流速特定钓丰；

2）假設(shè)側(cè)推器內(nèi)部水流是理想流體，螺旋槳盤(pán)面位置的壓力分布均勻每币；

3）假設(shè)船體側(cè)線(xiàn)和舯剖面相互平行携丁，同時(shí)側(cè)推導(dǎo)管和舯剖面互相垂直。

1.2 力學(xué)模型

圖1是船舶側(cè)推器內(nèi)部水流力學(xué)模型峰遇。

圖1 理想條件下船舶側(cè)推器力學(xué)模型

船舶側(cè)推器水動(dòng)力性能和導(dǎo)管周邊流場(chǎng)存在緊密聯(lián)系拿详，所以能夠利用側(cè)推器前后流場(chǎng)改變，對(duì)側(cè)推器水動(dòng)力性能加以真實(shí)反映篡前。在船速為0的情況下户克，在側(cè)推器導(dǎo)管入口的位置，水流會(huì)垂直經(jīng)過(guò)半球形的控制面順利進(jìn)入到導(dǎo)管中泡愉，在出口位置射流并不會(huì)受船速影響偏離输僻，偏離量如圖2所示。結(jié)合動(dòng)量定理锄灾，在側(cè)推器處于工作狀態(tài)下春庇，在t時(shí)間范圍內(nèi)，流經(jīng)導(dǎo)管流體的動(dòng)量表示為：

mV=tρQV

圖2 偏離量

而導(dǎo)管內(nèi)部的流體在側(cè)推器的作用力之下，可以表示為：

F=mV/t=ρQV

也就是說(shuō)猜逮，流體相對(duì)于側(cè)推器反向作用力可以表示為：

T=ρQV_j=ρAV²_j

式中：Q為導(dǎo)管單位時(shí)間流量胆快；A為導(dǎo)管截面積；Vj為導(dǎo)管出口位置射流法向的速度照菱。

結(jié)合伯努利方程烁焙，即可將導(dǎo)管兩端動(dòng)壓差表示為：

ΔP=1/2ρV²_j

而側(cè)推器做的功可以表示為：

W_N=ΔPQ=1/2ρAV³_j

側(cè)推器推力比可以表示為：

C=T/W_N=2/V_j

1.3 航行速度對(duì)船舶側(cè)推器影響表現(xiàn)

通過(guò)上述對(duì)側(cè)推器力學(xué)模型的研究，主要是將船舶零航速作為重要基礎(chǔ)耕赘，特別是在中航速與低航速的情況下骄蝇，側(cè)推器實(shí)際工作效能會(huì)下降，且噪聲與振動(dòng)也很大鞠苟。受航速影響，使得導(dǎo)管的進(jìn)口位置水流出現(xiàn)擾動(dòng)情況秽之，對(duì)螺旋槳前方軸向流動(dòng)的速度產(chǎn)生了直接的影響当娱。在這種情況下，航速也會(huì)使導(dǎo)管出口的射流出現(xiàn)偏離考榨。

導(dǎo)管進(jìn)口位置水流并不會(huì)影響側(cè)推器的推力大小跨细，只是使船舶航行狀態(tài)下船體阻力增加，且航行速度不會(huì)對(duì)側(cè)推導(dǎo)管內(nèi)部的水流的流動(dòng)速度產(chǎn)生影響河质。然而需要注意的是冀惭，若在導(dǎo)管出口位置，受航速射流影響而出現(xiàn)偏離掀鹅，逐漸趨向船體散休，同時(shí)在與出口位置相臨近的位置產(chǎn)生低壓區(qū)。

導(dǎo)管出口位置周邊區(qū)域存在低壓區(qū)出蛾，在這種情況下促讶，導(dǎo)管進(jìn)口區(qū)就可以當(dāng)作高壓區(qū)，所以水流會(huì)從高壓流向低壓掏躬，而此力與側(cè)推器推力方向相反侮捷，直接影響了船舶側(cè)推器的使用效果。伴隨航行速度的加快续疲，側(cè)推器使用的效能也會(huì)隨之下降偶画。

下面簡(jiǎn)單對(duì)側(cè)推器在航行時(shí)受到的干擾進(jìn)行建模，由于船舶兩側(cè)的側(cè)推器受到的干擾基本是對(duì)稱(chēng)分布的嘁梦，假設(shè)其干擾時(shí)延是相同的祟期，可用d^c_i(λ_x，λ_y)表示為：

2 艦船側(cè)推器控制系統(tǒng)仿真

為了對(duì)上文中研究的船舶側(cè)推器控制系統(tǒng)性能與應(yīng)用可行性進(jìn)行驗(yàn)證滩蔼，以下將某船舶作為主要研究對(duì)象舅兑，針對(duì)其側(cè)推器控制系統(tǒng)進(jìn)行必要的仿真實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)船舶的初始速度控制在8kn的情況下，主機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是120r/min腐蛀，而水深和吃水比是1.3俭驮，為了保證仿真的準(zhǔn)確度，必須通過(guò)調(diào)制參數(shù)使得誤差控制在一定的范圍內(nèi)春贸，軌跡的誤差分布如圖3所示混萝。可以說(shuō)明萍恕，通過(guò)該系統(tǒng)模型能夠?qū)Υ皞?cè)推器進(jìn)行模擬逸嘀，為船舶海上運(yùn)動(dòng)操縱提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

圖3 軌跡的誤差

當(dāng)船舶初始速度是2kn的情況下允粤，船舶尾部側(cè)推器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是1500r/min崭倘，對(duì)船舶操控方式的應(yīng)用確定旋回軌跡。根據(jù)仿真結(jié)果可以了解到类垫，船舶首部與尾部的側(cè)推器應(yīng)用司光，能夠使船舶操縱的性能得以?xún)?yōu)化，且實(shí)際作用的效果可觀悉患，優(yōu)化后的誤差分布如圖4所示残家，整體控制在1以?xún)?nèi)。

圖4 優(yōu)化后的誤差分布

當(dāng)船速是1kn的情況下售躁，船舶首部與尾部側(cè)的作用的效果并不明顯闸骨。而在船舶航行速度為4kn的情況下，兩者的效果就會(huì)出現(xiàn)顯著性差異缰鹏。在仿真中發(fā)現(xiàn)奔祟，船舶首部側(cè)推器的側(cè)向力會(huì)伴隨船舶速度的增加而不斷減小，但船舶尾部側(cè)推器的側(cè)向力會(huì)伴隨船舶速度加快而不斷提高榄路，并且滿(mǎn)足船舶航速為0情況下的倍數(shù)朗玩。

除此之外，當(dāng)船舶比較擁擠時(shí)蔼于，船舶周邊的水流變化非常大即荞，此時(shí)的模型又要通過(guò)不斷修正，才能準(zhǔn)確模擬出各種受力情況柴怒。

3 結(jié)語(yǔ)

船舶側(cè)推器是重要的輔助推進(jìn)裝置尾疟，能夠使船舶操縱性能與安全性能不斷優(yōu)化。而在側(cè)推器設(shè)計(jì)工況條件下肩雾，作為設(shè)計(jì)工作人員垫弱，必須要高度重視水動(dòng)力性能，只有這樣症杏，才能夠使船舶操縱性能得以增強(qiáng)装获。本文通過(guò)對(duì)船舶側(cè)推器控制系統(tǒng)的研究瑞信，取得了較為理想的結(jié)果。

（來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：莫年發(fā) 梁紅 ）

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