大型循環水槽吊艙推進器空泡性能試驗研究

黃紅波，吳穎昕，王建芳，樊曉冰

（1．中國船舶科學研究中心船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082；2．江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇無錫214082）

大型循環水槽吊艙推進器空泡性能試驗研究

黃紅波1，2，吳穎昕1，王建芳1，樊曉冰1，2

（1．中國船舶科學研究中心船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082；2．江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇無錫214082）

文章介紹了大型循環水槽實驗室利用全附體船模進行了RORO吊艙推進器空泡性能試驗研究情況及相應吊艙推進器空泡試驗方法，并與Marin試驗結果進行了比較。試驗結果表明：在相同模型與試驗工況下，吊艙推進器螺旋槳葉片上空泡形態及空泡誘導的船體脈動壓力與國外Marin試驗結果相當。

吊艙推進器；空泡；脈動壓力；大型循環水槽（CLCC）

0 引言[1-5]

在船舶眾多的推進方式中，吊艙式推進（Azimuthing Podded Propeller）是近年來新興的熱門推進方式，是船舶推進器領域的創新成果，它已經成功應用于眾多商船和游船，而且正越來越受到重視。

吊艙推進器多與吊艙包一起安裝于船體下方，由吊艙包內的電機驅動。吊艙推進器相比于常規推進器的有其特有的優點：吊艙推進器可通過與船體相鏈接的法蘭來控制推進器整體的轉動方向，從而提供各個方向的推力，可省掉舵及側向推進器等裝置，明顯改善船舶的操縱性能。由于吊艙推進器的動力機構安裝在吊艙包內，省去了較長的傳動軸系，提高了船舶艙容，動力機艙布置更加自由，節省空間及成本。除此以外，吊艙推進器的螺旋槳離船體較遠，其工作流場與常規推進方式相比均勻得多，大大改善了螺旋槳的工作環境，因此可以提高效率、改善推進器空泡性能，降低水動力噪聲；吊艙推進器一般不需要齒輪傳動，軸系長度較短，軸承數量較少，因此也降低了機械振動噪聲。另外，使用吊艙推進器的船舶艉部線型的設計更加自由，不再受推進器設計的限制。

目前，國外吊艙式推進器的應用已相當廣泛，特別是在豪華游輪、跨海渡輪、油船、LNG船及一些特種工作船上。歐洲已出現了數個具有各自特點的吊艙式推進器品牌，如Azipod，Mermaid，Dolphin和SSP等等。吊艙推進器在提高軍用艦船隱身性方面的潛力也不容忽視，高臨界航速是軍船推進器設計的主要指標之一，若采用吊艙式推進器可大大改善推進器伴流場，從而臨界航速可大為提高。正是由于吊艙推進器的上述優點，它在水面艦船上有較為廣闊的應用前景。特別是，吊艙推進器是電驅動的推進系統，完全符合軍船“全電化”的趨勢。正因如此，對吊艙推進器進行研究具有深遠的軍事意義，美、英海軍的新型驅逐艦設想中就已提出了吊艙式推進方案。

吊艙推進器雖優點突出，但在現階段還有很多問題需要解決，特別是在回轉操作過程中，非定常水動力空泡及其誘導的脈動壓力、噪聲性能等等，國內在這方面鮮有研究。本文介紹中國船舶科學研究中心大型循環水槽實驗室進行吊艙推進器空泡及其誘導的脈動壓力試驗。

1 循環水槽吊艙推進器空泡試驗方案選擇[7-10]

拖曳水池在進行吊艙推進器試驗時，所有設備安裝于船模之中，且船模浮于水面之上，不受空間與水密限制，有更大發揮空間，如圖1所示，拖曳水池中與吊艙推進器相關的試驗既可選擇驅動電機豎式布置結構，也可選擇驅動電機橫式布置結構。而對于封閉式大型循環水槽而言，由于受試驗段中艙空間與水密限制，實現吊艙推進器試驗要復雜的多，主要是由于推進器空泡試驗特點所決定：①吊艙推進器空泡試驗時負荷遠高于敞水試驗及自航試驗時的負荷；②大型循環水槽對吊艙推進器布置有嚴格限制，發揮空間有限；③空泡試驗時測試設備工作環境惡劣，處于高真空變壓環境中。在大型循環水槽中的本次空泡試驗選擇橫式布置的電機驅動方式。硬件布置示意如圖2、圖3所示。

圖1 不同實驗設施吊艙推進器試驗布置方式Fig.1 The motor arrangement of podded propeller for different Lab

圖2 循環水槽全附體吊艙推進器空泡試驗布置（整體）Fig.2 The motor arrangement of podded propeller for CLCC Lab(whole view)

圖3 循環水槽全附體吊艙推進器空泡試驗布置（局部）Fig.3 The motor arrangement of podded propeller for CLCC Lab(local view)

2 吊艙推進器空泡試驗方法[6-8]

模型試驗最基本原則是相似準則，即幾何相似、運動相似和動力相似。試驗過程中船模與螺旋槳模型按相同的縮比保證了幾何相似，空泡試驗中確保空泡數相等與負荷系數相等，確保運動與動力相似。其中負荷系數相等可根據自身設備情況及實驗數據分析又可分為二種，即等Kt或等Kq。

2.1 螺旋槳等推力系數方法

吊艙推進單元根據螺旋槳與吊艙包的相對位置，可分為推式與拉式兩種。本次試驗用吊艙推進單元為拉式推進系統。要準確確定吊艙單元空泡試驗工況必須了解吊艙推進快速性試驗方法。根據吊艙推進器特點，如上所述可按兩種方式進行。第一種方法是將吊艙包作為船舶附體，螺旋槳作為推進器，進行相關的阻力、自航試驗。第二種方法是將吊艙包與螺旋槳作為一個整體，作為推進單元，按常規螺旋槳快速性試驗方法進行。兩種力測量劃分方法示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 螺旋槳為推進單元（吊艙包作為附體）Fig.4 Propeller as propulsion unit(pod as accessory)

圖5 吊艙包及螺旋槳整體為推進單元Fig.5 Propeller and pod as propulsion unit

第一種方法存在缺點為吊艙包端面與螺旋槳端面緊挨相連，當螺旋槳旋轉時，吊艙包端面與螺旋槳端面之間會形成負壓區，對螺旋槳推力測量有一定影響，特別是兩端面間隙增加時，螺旋槳推力明顯變化。對于拉式吊艙而言，吊艙包對螺旋槳尾流有一定阻塞作用，螺旋槳推力也會增加。進一步而言，吊艙包作為船舶附體的一部分進行阻力試驗時，其阻力成分實船修正暫不明了。所有這些對吊艙推進單元預報存在不確定因素，影響航速精確預報，不能準確確定空泡試驗方法與工況。

第二種方法將螺旋槳與吊艙包作為一整體為推進單元，螺旋槳與吊艙包之間的相互影響，為整個推進器的特性。目前，國內外對吊艙推進試驗方法經驗及ITTC推薦試驗規程均以第二種方法為最佳推薦方法。應用此種方法時應特別注意吊艙包上端面與船體之間間隙，減小間隙對力測量的影響。

2.2 螺旋槳等扭力系數方法

國內外有關吊艙推進器模型試驗表明，由于螺旋槳和吊艙室間的間隙影響明顯，使精確測量吊艙推進器的螺旋槳推力存在很大不確定性，各個試驗室之間測量數據有較大誤差，因此在空泡試驗中ITTC更推薦使用“等扭矩系數”條件，滿足實船推進器扭矩系數KQP相等。本次循環水槽空泡試驗將借鑒等KQP方法。

為了減小層流對空泡性能的影響，在工況選擇時將考慮較高的螺旋槳轉速及試驗水速，使之獲得較高的槳葉雷諾數。

3 試驗模型

3.1 船舶及附體模型

為實現循環水槽吊艙推進器空泡試驗，針對某127 m長RORO船[9]，開展1：13.636縮比模型吊艙推進器的螺旋槳空泡試驗研究?？张菰囼炗么０纯s比加工吃水線以下外形，材質為玻璃鋼。模型按要求達到幾何相似、外型光順和噴漆表面光潔。表1列出實尺度和模型尺度船舶的主要幾何參數，圖6給出整船模照片。為模擬吊艙推進器空泡試驗，按船模相同的縮尺比，加工兩只玻璃鋼材質吊艙包，其模型照片見圖7。

表1 RORO船實尺度及模型主尺度Tab.1 The main specifications of full scale ship and model ship

圖6 RORO船模型Fig.6 The RORO ship model

圖7 吊艙包模型Fig.7 The pod model

3.2 螺旋槳模型

此艘RORO船共有兩套拉式吊艙推進單元，兩螺旋槳為內旋。螺旋槳模型主要特征參數見表2，此槳為銅質材料加工，表面噴涂蘭色油漆，如圖8所示。試驗中測量左舷側右旋螺旋槳。

表2 螺旋槳主參數Tab.2 The main specifications of full scale propeller and model propeller

圖8 螺旋槳模型照片Fig.8 The photos of model propeller

4 測試設備及測量儀表

4.1 大型循環水槽

試驗在CSSRC的大型循環水槽內進行。水槽試驗段長度10.5 m，寬度2.2 m，高度為2.0 m。水速變化為1～15 m/s。試驗段中心線壓力可30～350 kPa變化。船模安裝在試驗段，用平板模擬水線面。

4.2 動力儀

驅動螺旋槳模型轉動的水密交流電機的最大轉速為2 900 rpm，轉速精度為0.2%。螺旋槳推力和轉矩由H101動力儀(Cussons公司制造)測量。動力儀的推力量程為600 N，轉矩為30 N·m，測量精度為0.3%。

4.3 脈動壓力測試設備和分析方法

脈動壓力用14個KYOWA PGMC-A-200KP壓力傳感器測量，傳感器的最大量程為0.2 MPa，頻率響應達到20 kHz。這些傳感器鑲嵌在船模螺旋槳上方船底板上，傳感器測量表面與船底板下表面齊平；傳感器的布置見圖9。相鄰傳感器之間的距離為80-90 mm。

圖9 脈動壓力傳感器布置（與Marin一致）Fig.9 Arrangement of pulse transducers

壓力信號由14個具有寬頻響應特征的DH3840放大器放大；經NI4472 A/D采樣卡采集信號；通過FFT分析，可以得到具有不同倍頻的壓力脈動幅值ΔPim（i=1,2,3,……），根據下面公式可以換算為無量綱的脈動壓力系數KPi：

假設脈動壓力系數KPi沒有尺度效應，在模型尺度和實船實尺度下認為KPi相等。根據測得的KPi，按下式預報實船尺度下的壓力脈動幅值ΔPis：

4.4 空泡觀察儀器

在螺旋槳上游船模內左側安裝了兩個微型水密CCD，下游安裝一個CCD用以觀測螺旋槳槳葉和舵表面的空泡，觀察窗外的三個頻閃儀的頻率與螺旋槳轉速相等，用以觀察螺旋槳不同角度位置時葉片的空泡形態。

5 吊艙推進器空泡試驗

5.1 空泡試驗工況

此RORO船[9]在設計吃水10%sea margin（10%功率儲備）時，航速20.15 kns，其空泡試驗工況見表3。考慮ITTC推薦規程及其它水池經驗，循環水槽進吊艙空泡試驗按等KQP工況進行。其中偏航角以吊艙包前端向外為正角度。

表3 吊艙推進器空泡試驗工況Tab.3 Test conditions of podded propeller

5.2 吊艙螺旋槳水動力測量

試驗用RoRo船模型固定在安裝架上，整體吊裝在試驗段頂部，船模沿口與試驗段天花板齊平，同時船模及吊艙包中心線平行試驗段中行線，安裝過程照片如圖10所示?？张菰囼炃埃瑴y量了吊艙推進器螺旋槳水動力，結果如圖11所示。

圖10 吊艙推進器模型安裝照片Fig.10 Test setup of ship model

圖11 吊艙推進器螺旋槳船后水動力結果Fig.11 The performance hydrodynamics behind ship

5.3 吊艙推進器空泡試驗及結果分析

根據拉式吊艙推進器螺旋槳水動力結果及試驗工況表，按等空泡數及等扭矩系數確定了推進器空泡試驗工況。大型循環水槽（CLCC）中吊艙推進器空泡試驗，觀測對象為左舷側右旋螺旋槳，而荷蘭水池為右舷側左旋螺旋槳（導邊噴沙），兩實驗室均以螺旋槳參考線在12點鐘位置為觀測的0°，按螺旋槳旋轉方向，角度增加為正。大型循環水槽（CLCC）進行空泡試驗時，為盡可能提高螺旋葉片雷諾數＞（1×106），模型試驗轉速取30 r/s（荷蘭水池約14 r/s，槳葉導邊噴沙處理），試驗過程中螺旋槳葉片條狀片空泡非常明顯、梢渦空泡也存在；特別是在30°角度附近，槳葉葉背片空泡達到最大面積。隨著角度增加空泡面積從小增大后逐漸減小。試驗過程中附體未見空泡生產，如圖12所示。在循環水槽空泡試驗時，此船槳葉葉背片空泡結果與Marin減壓水池中槳葉葉背片空泡相當，而槳葉葉梢梢渦強弱有細微區別。

圖12 設計吃水空泡形態照片（0°偏航角）Fig.12 Cavitation photos at design draft condition(0°yaw angle)

圖13 設計吃水預報實船脈動壓力結果對比Fig.13 Comparision of pressure fluctuation for full scale at design draft between CLCC and Marin

空泡試驗過程中，同時測量了螺旋槳空泡誘導的脈動壓力，并按（2）式預報到實船結果，實驗結果表明，吊艙推進器螺旋槳空泡誘導的脈動壓力非常小，最大脈動壓力值在300 Pa左右，不同測點脈動壓力數值大小及分布情況，如圖13所示。

循環水槽還進行了在吊艙包在偏航角5°（向外偏斜）時空泡與脈動壓力測試，試驗結果表明其空泡及脈動壓力比0°略嚴重，空泡形態如圖14，脈動壓力結果如圖15所示。

圖14 設計吃水空泡形態照片（5°偏航角）Fig.14 Cavitation photos at design draft condition(5°yaw angle)

圖15 預報實船脈動壓力（5°偏航角）Fig.15 Pressure fluctuation for full scale at design draft(5°yaw angle)

6 循環水槽實驗室與Marin水池實驗室空泡試驗對比分析

荷蘭水池進行吊艙推進器空泡試驗在減壓拖曳水池中進行，根據試驗工況、深水拖曳水池阻力和自航試驗結果預報確定按等傅氏數確定試驗中水速及轉速，試驗壓力按等空泡數確定。自航試驗時，槳葉及吊艙包均不噴沙，空泡試驗時，從槳葉根部到梢部（葉背葉面）的導邊兩側沿弦長方向噴涂2 mm左右沙帶，此目的是減少過低雷諾數對空泡的影響。其次，水池空泡試驗時水中空氣含量約為0.3[2]。

大型循環水槽進行空泡試驗時，需根據水池自航試驗結果確定螺旋槳等負荷（等KPQ）點，試驗前必須測量螺旋槳水動力，根據以往經驗，導邊噴涂沙粒會顯著影響螺旋槳水動力結果，因此水槽空泡前必須剔除槳葉導邊沙粒，試驗中為盡可能高的雷諾數，試驗轉速30 r/s，是荷蘭水池的2倍。循環水槽空泡試驗時，水中空氣含量在0.8左右。

基于上述兩主要區別，以及不同實驗室中水質的區別，空泡試驗過程中槳葉表面空泡形態及其誘導的船體脈動壓力存在微小區別見圖13，工程應用研究上兩者結果均可接受。

7 結論

（1）大型循環水槽是吊艙推進器空泡性能研究的最佳試驗設施之一，本文介紹的吊艙推進器空泡試驗方法及試驗中應當注意的問題值得在同行中交流、推薦，并將逐步形成試驗規程；

（2）吊艙推進器空泡誘導的船體脈動壓力，相對于常規螺旋槳而言，幅值明顯偏?。?/p>

（3）針對同一個試驗對象，大型循環水槽與荷蘭水池試驗結果互相得到了印證，對空泡形態及其誘導的船體脈動的少許差別進行了分析，在工程應用意義上，兩家結果完全可接受。

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Research on cavitation performance of podded propeller in CLCC

HUANG Hong-bo1,2,WU Yin-xin1,WANG Jiang-fang1,FAN Xiao-bin1,2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082, China;2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

The cavitation characteristics for podded propeller of a whole RoRo model in the CLCC and its test method were presented and introduced.A good agreement of cavitation performance and the induced fluctuation pressures on model between CLCC and Marin was abtained under the same test condition,same locations for same RoRo ship model.

podded propeller;cavitation;pressure fluctuation;CLCC(China Large Cavitation Channel)

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.04.003

1007-7294（2017）04-0396-11

2016-12-12

十二五水動力學預研基金資助項目（51314010101）

黃紅波（1979-），男，高級工程師，E-mail：13621516671@163.com；吳穎昕（1985-），男，工程師。