基于圖譜設計法的11 300 DWT 油船 螺旋槳優化設計

趙麗娜，焦鵬祥，楊志宏，全向宏

（1. 上海海關動植物與食品檢驗檢疫技術中心，上海 200135； 2. 上海海事大學 商船學院，上海 201306； 3. 中外運集裝箱運輸有限公司，上海 200001；4. 深圳華威近海船舶運輸股份有限公司，廣東深圳 518067）

關鍵字：螺旋槳；圖譜設計法；油耗率；設計優化

0 引言

全球90%的貿易依賴海運，船舶則是促進其發展重要的運輸工具。近年來，由于世界經濟的低迷，船舶運價急劇下降，船舶航運企業營運壓力增大，降低船舶能耗成為提高航運企業盈利能力的重要途徑。船舶設計過程中，在船型優化的基礎上對推進裝置螺旋槳及其相關位置進行優化設計是降低船舶能耗的重要手段之一。由此，優 化方法在螺旋槳設計中的應用研究開始出現，采用系列槳性能試驗回歸公式或升力面、CFD 等數值方法、優化采用遺傳算法、序列二次規劃法、DOE 方法等進行性能計算，優化目標包括推力、效率、激振力或其組合，但尚未形成較為成熟的體系，與工程應用的要求也有較大距離。

JANG 等[1]開發了無限維優化方法，根據希爾伯特空間理論證明了優化解的唯一性，螺旋槳 性能計算采用升力面方法進行計算；以效率為目標對槳葉螺距進行了優化，但得到的螺距分布出現較大波動，實用性存在問題。TAKEKOSHI 等[2]基于升力面方法，應用非線性序列二次規劃算法在非定常工況下對槳葉形狀進行了優化設計；作者用Fourier 多項式表達槳葉螺距、拱度及厚度分布，設計出的參數分布光順、合理，優化結果經模型試驗驗證，效率及空泡性能均得到改進。

本文基于螺旋槳水動力性能，采用圖譜設計法，選定MAU5 葉槳型進行螺旋槳圖譜設計，利用CFD 方法對螺旋槳優化后的淌水性能與節能效果進行了數值模擬，并將計算結果與試驗數據進行了比較分析和實船驗證。

1 螺旋槳優化設計

1.1 螺旋槳的基本參數

某輪是一艘11 300 載重噸的單槳油船，該船螺旋槳的主要信息及參數如表1 所示。

表1 原螺旋槳主要參數

1.2 MAU 圖譜槳設計法簡介

目前螺旋槳的設計方法一般有2 種，分為理論設計法和圖譜設計[3]。

1）理論設計法。按環流理論設計螺旋槳的方法。

2）圖譜設計法。顧名思義，它是根據螺旋槳模型系列法試驗結果繪制的圖譜進行設計的。

按圖譜設計螺旋槳即根據已知條件，在圖譜所提供的螺旋槳資料范圍內選擇最適宜的方案。前者無法直接用于適伴流及大側斜槳的設計，后者的設計結果可靠、計算方法簡便，應用也比較廣泛。

目前采用最多的圖譜設計方法即通過實驗得到的推力系數、轉矩系數與進速系數的關系，用近似的線性函數或用最小二乘法擬合，然后再通過擬合后的曲線選取所需要的螺旋槳參數。

根據船模試驗獲得的有效功率和自航因子等數據資料，應用MAU 圖譜設計圖譜槳，圖譜槳參數為：螺旋槳直徑D＝4.27 m；螺距比P/D＝0.696 7；盤面比Ae/A0＝0.4，槳葉數Z＝5 片。根據MAU 圖譜槳敞水性能結果和庫存槳模型試驗數據進行實船航速預報，當螺旋槳收到功率為2 515.6 kW時，最大航速為12.38 kn。

2 螺旋槳仿真計算及分析

2.1 淌水性能評估

應用CFD 軟件進行優化槳和原槳敞水性能計算評估[4-5]。先應用UG 軟件建立三維模型，再應用Gambit 軟件對模型周圍劃分流域和網格，最后應用Fluent 軟件進行水動力計算評估。

定義螺旋槳的進速系數J0、推力系數KT、扭矩系數KQ和敞水效率η0如式（1）～式（4）。

應用CFD 軟件進行優化槳和原槳敞水性能計算評估，將敞水性能CFD 計算值與試驗值進行比較，結果如表2 和圖1 所示。

表2 敞水性能 CFD 計算值與試驗值比較