導(dǎo)管剖面對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器性能的影響

崔立新，顧 峰，黃彥文，武 宇

導(dǎo)管剖面對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器性能的影響

崔立新，顧 峰，黃彥文，武 宇

（振華重工股份有限公司，上海 200125）

隨著船舶大型化和高功率化，對(duì)于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的要求也越來(lái)越高。本文提出配置一種新型剖面導(dǎo)流管的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，該推進(jìn)器為上海振華重工集團(tuán)3800 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。對(duì)該全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行CFD模擬計(jì)算和敞水試驗(yàn)，并將新型導(dǎo)流管與19A型導(dǎo)流管進(jìn)行對(duì)比分析，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器 導(dǎo)流管 CFD 敞水試驗(yàn)

0 引言

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器可以在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，能夠靈活的改變推力的方向，可使船舶完成原地回轉(zhuǎn)、橫向平移、精確定位、反向行駛等常規(guī)推進(jìn)器難以完成的操作，具有能夠推進(jìn)船舶和操縱船舶兩種功能。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器能夠在載荷較重的情況下，仍具有相對(duì)較高的效率，并且能夠高效的進(jìn)行船舶操控。因此，隨著船舶大型化、高功率化發(fā)展，尤其是在各種工程船舶中，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器得到了廣泛的應(yīng)用。隨著人們對(duì)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)，海洋工程船舶要求的不斷提高，大功率，高效率的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已成為主流趨勢(shì)[1]。

本文以上海振華重工3800 kW推進(jìn)器為例，該全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器采用了一種新的型的導(dǎo)流管，從CFD仿真模擬和敞水試驗(yàn)兩方面來(lái)與之前被廣泛使用的19A型導(dǎo)流管進(jìn)行分析比較，認(rèn)為新型導(dǎo)流管具有更高的推進(jìn)效率。

1 新型導(dǎo)管

1.1 導(dǎo)管參數(shù)

導(dǎo)管的幾何特征可用下列參數(shù)表示[2]：

圖1 19A型導(dǎo)管剖面形狀圖

1.2 主尺度

本文采用的螺旋槳是Ka 4-70型螺旋槳[3]，其主要參數(shù)見(jiàn)表一。為便于對(duì)比分析，本文選取19A型導(dǎo)流管（導(dǎo)管一），與新型流管（導(dǎo)管二）進(jìn)行對(duì)比分析。圖2為不同導(dǎo)管剖面示意圖，其中，導(dǎo)管一為19A 型導(dǎo)管，導(dǎo)管二為增加了收縮系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)后的新型導(dǎo)管。表二為兩個(gè)導(dǎo)管的主要參數(shù)。

表1 螺旋槳主要參數(shù)

表2 導(dǎo)管主要參數(shù)

圖2 導(dǎo)管剖面圖

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

本文分析中設(shè)定流體為不可壓縮流體，則導(dǎo)管螺旋槳周圍流場(chǎng)的控制方程為[4]：

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量守恒方程

2.2 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)圓柱體區(qū)域，圓柱體直徑為 10D，其長(zhǎng)度為 16D，流場(chǎng)的速度入口設(shè)置在槳盤面前 6D位置處，流場(chǎng)的壓力出口在槳盤面后 10D 位置。為了計(jì)算的需要。又把整個(gè)流域分成2個(gè)域，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)包含螺旋槳在內(nèi)的域?yàn)橛?jì)算域，并對(duì)其進(jìn)行局部加密，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。下圖3為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的三維視圖，圖4為網(wǎng)格劃分圖。

圖3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器三維模型

3.3 邊界條件

在螺旋槳的敞水計(jì)算中，整個(gè)計(jì)算區(qū)域均相對(duì)某個(gè)參考坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而螺旋槳周圍不存在與其相互干擾的物體，因此可選用 Fluent軟件提供的運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系模型（即MRF模型）[5]。

在進(jìn)口邊界處設(shè)置為壓力進(jìn)口條件，出口邊界定義為壓力出口，旋轉(zhuǎn)域和外域的交界面設(shè)為interface面，壁面設(shè)為無(wú)滑移固壁條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算域內(nèi)的流體則按 MRF模型設(shè)置為繞軸以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。

圖4 網(wǎng)格劃分

2.4 結(jié)果分析

本文中計(jì)算進(jìn)速系數(shù)J=0.4的情況下，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的敞水性能。

圖5中，圖（a）為導(dǎo)管一在垂直于槳軸截面的壓力分布圖，圖（b）為導(dǎo)管二在垂直于槳軸截面的壓力分布圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，導(dǎo)管二槳葉前部的負(fù)壓區(qū)域更大。這是由于收縮系數(shù)的增大，相當(dāng)于入口面積增大，使得單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)螺旋槳盤面的流量增加，使槳前的負(fù)壓區(qū)域增加，提高整個(gè)推進(jìn)器的效率。

圖5 垂直于槳軸截面的壓力分布圖

圖6 槳葉葉背壓力分布圖

通過(guò)圖6可以看出，導(dǎo)管二葉背的壓力分布更為均勻。這是由于導(dǎo)管伸張系數(shù)增大，使導(dǎo)管出口處的面積擴(kuò)大，從而減小尾流的收縮。伸張系數(shù)的增加，可以使螺旋槳的一部分尾渦變成導(dǎo)管的附著渦，從而可減少螺旋槳尾流的能量損失。

3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器敞水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

上海振華重工（集團(tuán))股份有限公司委托上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所在拖曳水池中進(jìn)行全回轉(zhuǎn)推進(jìn)單元模型的敞水試驗(yàn)。推進(jìn)單元模型由螺旋槳、導(dǎo)管、艙體與吊柱組成，推進(jìn)單元模型的具體外形與尺寸，均照振華提供的圖紙加工。

螺旋槳模型采用振華提供圖紙加工，鋁合金制造，槳模直徑D=0.175 m。導(dǎo)管、凸臺(tái)、艙體、吊柱是有機(jī)玻璃制造，均按振華提供的圖紙參數(shù)加工。為了控制導(dǎo)管的安裝角度，利用數(shù)控機(jī)床在導(dǎo)管上方加工了一個(gè)凸臺(tái)，使得凸臺(tái)上方的安裝平面水平時(shí)，導(dǎo)管角度即可滿足要求。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖7。

敞水試驗(yàn)通常保持轉(zhuǎn)速不變，通過(guò)改變進(jìn)速來(lái)改變載荷。考慮到六分力天平的量程，螺旋槳模型敞水試驗(yàn)轉(zhuǎn)速均為21 r/s。每個(gè)工況下均進(jìn)行系柱狀態(tài)測(cè)量，進(jìn)速范圍從0~0.8。在常規(guī)推進(jìn)的敞水試驗(yàn)中，槳軸浸深為直徑的1.5 倍，試驗(yàn)測(cè)量各航速下的螺旋槳推力、導(dǎo)管推力和螺旋槳的扭矩。

在全回轉(zhuǎn)推進(jìn)的敞水試驗(yàn)中，螺旋槳模安裝在直角傳動(dòng)推進(jìn)單元的水平驅(qū)動(dòng)軸上，除了常規(guī)推進(jìn)敞水試驗(yàn)中需要測(cè)量的數(shù)據(jù)，還需測(cè)量吊艙推進(jìn)單元所受到的力F1~F6；其中，F(xiàn)1、F2、F3的合力為單元垂直向力；F4為單元推力；F5、F6的合力為單元側(cè)向力；推進(jìn)單元為艙體、吊柱和螺旋槳、導(dǎo)管組成的一個(gè)整體，單元推力前進(jìn)方向?yàn)檎瑔卧獋?cè)向力往前進(jìn)方向看，向左為正。

圖7 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果給出了全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推力系數(shù)及扭矩系數(shù)，其中：

試驗(yàn)從零航速開(kāi)始拖航，不斷增加進(jìn)速，獲得全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的敞水性能見(jiàn)下圖。

圖8 推力系數(shù)

圖9 轉(zhuǎn)矩系數(shù)

圖8和圖9為兩種不同剖面的導(dǎo)管的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，可見(jiàn)裝有新型導(dǎo)流管的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)都相對(duì)較小。

圖10為兩種全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)效率，在進(jìn)速系數(shù)<0.6情況下，裝有新型導(dǎo)流管的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器具有更高的敞水效率。

4 結(jié)論

本文旨在研究新型的導(dǎo)流管全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，認(rèn)為與19型導(dǎo)流管相比較，具有更高的效率。

1）新型導(dǎo)流管在保持導(dǎo)管的長(zhǎng)徑比相同的情況下，增加導(dǎo)管的收縮系數(shù)和伸張系數(shù)。在保持長(zhǎng)徑比不變的情況下，導(dǎo)管收縮系數(shù)增大，使得單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)螺旋槳盤面的流量增加；導(dǎo)管伸張系數(shù)增大，其實(shí)質(zhì)是增加了導(dǎo)管出口處的面積，這將導(dǎo)致尾流的收縮減小，減小能量損失，最直接的體現(xiàn)是使推進(jìn)器的轉(zhuǎn)矩系數(shù)減小。

2）本文提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為工程實(shí)際設(shè)計(jì)和使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器提供一定參考，為日能夠在滿足工程要求的情況下，如何設(shè)計(jì)出效率更高的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器提供依據(jù)。

圖10 推進(jìn)效率

[1] 褚德英, 張葆華, 王瑩, 汝長(zhǎng)青. 全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究[J]. 船舶工程, 2013, S2: 58-61.

[2] 夏泰淳. 導(dǎo)流管主要參數(shù)對(duì)導(dǎo)管槳性能的影響[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 1999, (2): 19-21

[3] 盛振邦, 楊家盛, 柴揚(yáng)業(yè). 中國(guó)船用螺旋槳系列試驗(yàn)圖譜集[J]. 中國(guó)造船, 1983: 113-115.

[4] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 89-110.

[5] 崔立新. 導(dǎo)管螺旋槳的水動(dòng)力性能及噪聲性能預(yù)報(bào)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2013.

The Azimuth Thruster with A New Type of Nozzle

Cui Lixin, Gu Feng, Huang Yanwen, Wu Yu

（Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 200125, China）

U664

A

1003-4862（2019）10-0046-04

2019-03-13

崔立新(1987-)，女。研究方向：船舶配套機(jī)械設(shè)備。E-mail: cuilixin@zpmc.net