前置預(yù)旋定子的剖面設(shè)計(jì)

苗飛，黃國富，黃樹權(quán)

(中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

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前置預(yù)旋定子的剖面設(shè)計(jì)

苗飛，黃國富，黃樹權(quán)

(中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

分析前置預(yù)旋定子葉剖面阻力特性，提出一種新型的葉剖面設(shè)計(jì)方法，基于CFD數(shù)值計(jì)算，給出葉剖面翼型的水動力性能圖譜，以一艘常規(guī)散貨船為目標(biāo)開展基于新型葉剖面的前置預(yù)旋定子方案設(shè)計(jì)。船模試驗(yàn)證實(shí)設(shè)計(jì)方案的可行性。

前置預(yù)旋定子；剖面設(shè)計(jì)；船舶尾流場；CFD；節(jié)能裝置

隨著船舶能效指數(shù)(EEDI)的實(shí)施，對降低船舶油耗和碳排放的要求越來越高。在船上加裝水動力節(jié)能裝置成為重要的技術(shù)解決方案之一。前置預(yù)旋定子[1-2](pre-swirl stator)是一型由若干個周向布置的葉片組成的槳前節(jié)能裝置。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，其節(jié)能效果可達(dá)3%～6%[3-4]。對前置預(yù)旋定子而言，葉剖面形狀是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，從工程上易于加工角度考慮，常規(guī)的定子壓力面的剖面形狀多采用平的，但其預(yù)旋效果略差。為此，考慮定子葉片阻力特性，提出一種新型的定子葉剖面設(shè)計(jì)方法，以一艘常規(guī)散貨船為例開展了前置預(yù)旋定子的方案設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 阻力特性分析

從能量平衡的角度來看，采用前置預(yù)旋定子的目的是為了減少槳后流場的旋轉(zhuǎn)動能，由前置預(yù)旋定子誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)尾流削弱了由螺旋槳誘導(dǎo)產(chǎn)生的更大強(qiáng)度的反向旋轉(zhuǎn)水流，因而降低了尾流場的旋轉(zhuǎn)能量損失。

為使前置預(yù)旋定子葉片產(chǎn)生預(yù)旋，須給予葉片一定的進(jìn)流角度。前置預(yù)旋定子葉剖面的速度三角形如圖1所示，這里指定軸向方向以沿著前置預(yù)旋定子的來流方向指向下游為正，切向方向以逆時針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?/p>

Va,Vt-軸向進(jìn)流速度和切向進(jìn)流速度；W-合成速度；βi-水動力進(jìn)角，α-進(jìn)流攻角；L，D-葉剖面的升力和阻力；Ft-葉剖面所受切向力；Fx-葉剖面所受軸向力，也即合成阻力圖1 前置預(yù)旋定子葉剖面速度三角形

Fx在左右弦有所差異。

左舷

(1)

右舷

(2)

由式(1)、式(2)可見，對左舷的定子葉片來說，葉剖面的升力L對合成阻力Fx起著削弱的作用，而阻力D的增加則會增大Fx。當(dāng)前置預(yù)旋定子葉剖面的升力在軸向的分量足夠大時，葉剖面甚至可以產(chǎn)生推力。而對右舷的定子葉片而言，剖面的升力L和阻力D都起著增大Fx的作用。通常情況下，在左舷會布置較多的定子葉片。因此，就前置預(yù)旋定子整體而言，選擇升阻比較大的葉剖面形式將有利于減小前置預(yù)旋定子葉片上的阻力。本文設(shè)計(jì)的前置預(yù)旋定子即基于這一原則來選取葉剖面形狀。

2 葉剖面翼型的水動力性能圖譜

由升力線理論設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可得出葉剖面的升力系數(shù)，但升力系數(shù)一定且具有最大升阻比的葉剖面形式仍多種多樣，因此有必要根據(jù)二維翼型的水動力性能圖譜最終確定葉剖面形狀。由于缺乏試驗(yàn)資料，采用數(shù)值方法建立前置預(yù)旋定子葉剖面翼型的水動力性能圖譜，以此來確定具有最大升阻比的葉剖面的形狀參數(shù)。

葉剖面選用NACA66 moda=0.8翼型，翼型厚度比取為0.13。為驗(yàn)證計(jì)算網(wǎng)格的合理性及數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，選擇與前置預(yù)旋定子剖面翼型相接近的且有試驗(yàn)結(jié)果的NACA661-212翼型為對象進(jìn)行計(jì)算，以便與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。

計(jì)算域如圖2所示，整個計(jì)算域采用C形貼體網(wǎng)格，為保證對近壁面處復(fù)雜流動的計(jì)算精度，近壁面的第一層網(wǎng)格距離翼型表面的距離取為弦長的10-5量級[5]，并對翼型的前緣和尾緣處進(jìn)行局部加密，經(jīng)網(wǎng)格收斂性檢查后，選取的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為5萬。入口給定速度進(jìn)口；出口設(shè)定自由出流；翼型表面設(shè)為無滑移固壁邊界條件。計(jì)算的雷諾數(shù)為Re=9×106。

圖2 計(jì)算域示意

圖3給出了CFD計(jì)算的翼型升力系數(shù)與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較。由圖3可見，在來流攻角較小時，CFD計(jì)算所得的升力系數(shù)和試驗(yàn)值吻合較好。升力系數(shù)與試驗(yàn)值的偏差隨著來流攻角的增加逐漸增大，這可能是由于翼型壁面粘性效應(yīng)所導(dǎo)致的?？偟膩碚f，數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有可信度。

圖3 升力系數(shù)比較

通過改變拱度比計(jì)算不同來流攻角下翼型的水動力性能，可得到升力系數(shù)曲線和升阻比曲線，插值可得不同升力系數(shù)對應(yīng)的最大升阻比及相應(yīng)的攻角和拱度比，結(jié)果見圖4。從圖4c)可以看出，在升力系數(shù)CL<1.2的范圍內(nèi)，具有最大升阻比的葉剖面拱度比可取0.030～0.035。根據(jù)此圖譜，可配置前置預(yù)旋定子各葉片的剖面。

圖4 前置預(yù)旋定子葉剖面翼型的水動力性能圖譜

3 設(shè)計(jì)流程和試驗(yàn)驗(yàn)證

選用一艘常規(guī)散貨船進(jìn)行前置預(yù)旋定子設(shè)計(jì)。該散貨船船體及螺旋槳的主參數(shù)見表1。

表1 船體與螺旋槳的主參數(shù)

船體和螺旋槳的三維模型見圖5。前置預(yù)旋定子方案采用自編的升力線設(shè)計(jì)程序理論設(shè)計(jì)優(yōu)選所得，剖面形狀根據(jù)上述圖譜配置，前置預(yù)旋定子的方案設(shè)計(jì)過程可見圖6。

圖5 船體和螺旋槳的三維幾何模型

圖6 前置預(yù)旋定子設(shè)計(jì)流程

1)螺旋槳尾流中各半徑處的切向速度平均值可用該半徑下沿周向的環(huán)量值來表示，因此，根據(jù)螺旋槳尾流場的環(huán)量來確定前置預(yù)旋定子的設(shè)計(jì)環(huán)量。

根據(jù)不帶前置預(yù)旋定子的船體CFD自航計(jì)算結(jié)果可得螺旋槳進(jìn)、出口截面處的環(huán)量分布，則2者差值G2(r)-G1(r)可視為前置預(yù)旋定子總的參考設(shè)計(jì)環(huán)量分布G(r)，其中G1(r)為螺旋槳進(jìn)口截面處的環(huán)量分布，G2(r)為螺旋槳出口處的環(huán)量分布。

2)由于伴流場的非均勻性，前置預(yù)旋定子各葉片所處的伴流情況不同，付出的阻力代價與得到的預(yù)旋收益之比也不相同。因此，每個葉片需采用的設(shè)計(jì)環(huán)量也不相同，有利位置上的葉片應(yīng)多承擔(dān)負(fù)荷，不利位置上的葉片應(yīng)少承擔(dān)負(fù)荷。采用環(huán)量加權(quán)因子的方法給定各葉片的環(huán)量分布。

設(shè)第i(i=1,2,3,4)號葉片的環(huán)量分布為Gsi(r)，則

(3)

式中：ki為i號葉片的環(huán)量加權(quán)因子。

3)由升力線設(shè)計(jì)程序得到的前置預(yù)旋定子葉剖面的升力系數(shù)按照圖4的“圖譜”內(nèi)插得到各剖面的攻角α和拱度比c/b。由攻角α和剖面的水動力進(jìn)角βi可得前置預(yù)旋定子各剖面的安裝角θ；對于左舷的前置預(yù)旋定子葉剖面，安裝角θ=(π/2-βi)-α；對于右舷的前置預(yù)旋定子葉剖面，安裝角θ=(π/2-βi)+α。

4)由葉剖面的拱度比和已知的厚度比、弦長分布等參數(shù)可得前置預(yù)旋定子各剖面的型值，根據(jù)不同半徑處的剖面型值在UG軟件中生成前置預(yù)旋定子的三維幾何模型。

5)采用CFD方法數(shù)值評估船體+前置預(yù)旋定子方案的水動力性能和定子的節(jié)能效果[6-8]。

表2和圖7分別給出了最終設(shè)計(jì)方案的定子葉片設(shè)計(jì)環(huán)量分配和定子葉剖面的流線圖。

表2 前置預(yù)旋定子最終方案的設(shè)計(jì)環(huán)量分配

圖7 定子最終方案葉片各半徑剖面的流線圖(CFD計(jì)算結(jié)果，R為螺旋槳半徑)

定子最終設(shè)計(jì)方案由布置在船體左舷的3個葉片組成。葉片的展長略大于螺旋槳的半徑。前置預(yù)旋定子葉片的弦長沿其展長方向呈線性變化，在葉根處，弦長與螺旋槳直徑的比值為0.2，葉梢處為0.1。模型試驗(yàn)在中國船舶科學(xué)研究中心拖曳水池中進(jìn)行，模型縮尺比為1∶30，見圖8。

圖8 前置預(yù)旋定子模型和試驗(yàn)安裝

表3給出了船模自航試驗(yàn)結(jié)果，其中PD1和PD0分別為帶與不帶前置預(yù)旋定子下的船后螺旋槳收到功率。由表3可見，加裝前置預(yù)旋定子后，從自航結(jié)果來看，船后螺旋槳的收到功率有了一定程度的下降。在設(shè)計(jì)航速(Vm=1.362 m/s)下，收到功率下降了4.54%，即前置預(yù)旋定子的節(jié)能效果為4.54%，節(jié)能效果較好，說明了前置預(yù)旋定子設(shè)計(jì)方案的可行性。

表3 模型自航試驗(yàn)預(yù)報(bào)的前置預(yù)旋定子的節(jié)能效果

4 結(jié)論

1)提出了一種新型的定子剖面設(shè)計(jì)方法：定子葉剖面應(yīng)選擇升阻比較大的剖面形式，有利于提高其預(yù)旋效果；

2)采用CFD數(shù)值方法建立了定子葉剖面翼型的水動力性能圖譜，可供設(shè)計(jì)之用；

3)以一艘常規(guī)散貨船為對象，基于新型葉剖面形狀開展了前置預(yù)旋定子的方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)點(diǎn)處具有4.54%的節(jié)能效果，表明了該剖面設(shè)計(jì)方法的可行性。

該剖面設(shè)計(jì)方法對前置預(yù)旋定子的工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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Studies on the Profile Design of Pre-swirl Stator

MIAO Fei, HUANG Guo-fu, HUANG Shu-quan

(China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China)

A new design method of the profile of pre-swirl stator was put forward based on the analysis on resistance characteristics of the profile. By CFD simulation, a set of hydrodynamic performance charts were developed, which can be applied to the design of pre-swirl stator for bulk carriers. The model tests were carried out to validate the performance of pre-swirl stator design, showing that the energy saving effect of the pre-swirl design for the bulk carrier is 4.54%.

pre-swirl stator; profile design; ship stern flow; CFD calculation; energy-saving device

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.029

2016-10-11

苗飛(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶推進(jìn)理論及設(shè)計(jì)技術(shù)

U662

A

1671-7953(2017)04-0130-04

修回日期：2016-10-28