扭曲舵空泡觀測實船試驗研究

2021-03-29 10:06:36葉金銘于安斌王友乾曹彥濤

船舶力學 2021年3期

葉金銘，于安斌，王威，王友乾，曹彥濤

（1.海軍工程大學a.艦船與海洋學院；b.振動與噪聲研究所，武漢430033；2.海軍上海地區裝備修理監修室，上海200135；3.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）

0 引言

近年來，由于艦船向著高速化和大型化方向發展，特別是對于高速艦船，處于螺旋槳后工作的舵葉振動和空化剝蝕也越來越嚴重，因此對舵性能的考慮也越來越全面。由于螺旋槳尾流的旋轉作用，常規舵在0o舵角時，舵葉在不同展向位置的來流相對舵葉剖面會存在一定的迎流攻角，導致舵的左右兩面壓力不對稱，吸力面會存在明顯的低壓區。隨著航速的增加，舵角的增大，低壓區壓力會不斷降低，當航速增加到某一定數值時，低壓區壓力降到水的汽化壓力，舵葉表面就會發生空化。艦船在海上航行時直航是最主要的航行狀態，但在實際情況中，由于海上風浪流的影響，艦船為了保持直航，需要不停地來回打小舵角，加劇了艦船直航時常規舵葉的空化問題[1]。而舵空化正是引起舵葉表面空化剝蝕、振動和噪聲大幅增加的重要原因[2]。

20世紀90年代美國海軍為測試槳和舵的水動力性能和噪聲特性，進行了一項實船航行舵空泡觀測試驗[3]。試驗表明，即便是中等海況下保持航向航行，在23 kn 航速下舵表面即出現空泡，而舵空化引起的空化剝蝕在后來的塢修中也被證實。作者為深入了解常規舵的空化剝蝕情況，實地調研得到如圖1 所示的某水面艦船的舵剝蝕照片。可以看出舵面靠近前緣處發生了大量的涂料脫落，而這一區域正是空化發生的位置，說明舵面發生了嚴重的空化剝蝕。

圖1 舵空化剝蝕情況Fig.1 Denudation of rudder

最早提出扭曲舵思想的是Tuin，其最初設計目的是充分利用螺旋槳尾流的能量以提高推進效率。為解決水面艦船的舵空化問題，學者們則開始對扭曲舵的抗空化性能進行研究。國外對該領域的研究相對較多，Shen[4]在美國大型空泡水洞中對扭曲舵和常規舵進行了對比試驗，模擬船舶伴流、船槳干擾，在給予模型較高的流速下發現，與常規舵相比，扭曲舵的水動力性能得到了明顯提高，扭曲舵不易發生空泡剝蝕，能夠有效補償由推進器與船體引起的來流攻角，且其升力不亞于常規舵。目前，這種扭曲舵已經成功應用于阿利伯克級導彈驅逐艦。Nishiyama[5]為解決集裝箱船半平衡舵的空化問題，提出了進流角計算的經驗公式和扭曲舵的解決方案。Mewis[6]首先針對集裝箱船設計出了扭曲舵，該扭曲舵的上端和下端朝著相反的方向進行扭曲，不僅具有良好的抗空化性能，還可以提高推進效率。而第24 屆ITTC 會議[7]指出，該扭曲舵在槳軸處的不連續性可能會加劇轂渦以及其引起的空化剝蝕。Kim[8]針對扭曲舵的設計提出了一種基于渦格法的遺傳算法。Choi、Ahn 等[9-10]則針對大型集裝箱船的扭曲舵進行了優化設計研究。

國內葉金銘[1，11-13]提出了抗空化扭曲舵的設計方法，分別采用CFD 方法和面元法比較了扭曲舵和常規舵的空化起始航速，結果表明扭曲舵在0°舵角時的空化起始航速可提高5.9 kn左右。王威[14]則采用CFD 方法對扭曲舵的水動力性能進行評價并通過拖曳水池的舵力測量試驗進行驗證。于安斌[15]在空泡水洞中針對扭曲舵和常規舵開展了舵空泡觀測模型試驗，結果表明扭曲舵具有良好的抗空化性能。

本文針對某水面艦船的舵空化問題，在前期研究的基礎上，以該船的常規舵為母型，在不改變主要尺寸和接口的前提下進行抗空化扭曲舵設計和加工，并在該船上完成了常規舵和扭曲舵的空泡觀測實船試驗，驗證扭曲舵的抗空化性能，從而為扭曲舵在水面艦船上的推廣應用奠定基礎。

1 扭曲舵抗空化性能實船驗證試驗

1.1 試驗對象

試驗船為雙槳雙舵，以左舵向左打舵為研究狀態，觀測其內側的空化現象，其操舵示意如圖2 所示。試驗對象為某水面高速艦船的實尺度常規舵以及在常規舵基礎上進行改型設計得到的實尺度扭曲舵，如圖3所示。

圖2 操舵示意圖Fig.2 Diagram of controlling rudder

圖3 實船舵Fig.3 Real ship′s rudder

1.2 試驗裝置和試驗方法

試驗主要通過伸到船體外部的內窺鏡實現舵空化的觀測。試驗前，對船底板進行開孔并通過螺栓密封。試驗時，將螺栓拆下，換裝密封球閥，然后將內窺鏡伸入球閥觀測。內窺鏡下端與船底板之間通過密封球閥連接（圖4a），內窺鏡上端與CCD相機鏡頭連接（圖4b）。

圖4 試驗裝置Fig.4 Test apparatus

CCD 相機則連接到電腦實時成像，其示意圖如圖5 所示。試驗過程中，首先通過轉動內窺鏡，由電腦實時顯示的圖像尋找一個周向最佳觀測位置，以合理記錄空泡產生和發展的區域；然后在達到所需工況時，通過電腦進行數據采集和存儲。常規舵空泡觀測實船試驗完成后，進船塢換裝扭曲舵，再按照以上方法進行扭曲舵空泡觀測實船試驗。

圖5 舵空化觀測示意圖Fig.5 Diagram of rudder cavitation observation

1.3 試驗環境和試驗工況

1.3.1 試驗環境

試驗環境對舵空泡觀測影響較大，為保證觀測效果，實船試驗環境必須滿足一定要求，主要包括：

（1）試驗必須在水質清澈的海域進行，水深不小于30 m，并要求在天氣晴朗時實施；

（2）試驗時海區的風力不大于3級，浪高不大于3級，流速不大于2 kn；

（3）艦船的縱傾狀態應與設計狀態相一致，相對于設計狀態允許有小于0.1%設計水線長的縱傾偏差，但不允許有首傾；橫傾角不大于0.5°；

（4）艦船船體水下部分、螺旋槳和附體應清潔光滑；

（5）所有的供應品、備品、工具和消耗材料等應按規定位置安放妥當并固定牢靠；

（6）所有的艙室設備、可拆鋪板等均須安放在規定的位置并固定牢靠，甲板上設備與艙面屬具須按航行狀態緊固。

1.3.2 試驗工況

實船為雙槳雙舵，左右操舵具有對稱性，故本試驗僅研究向左操舵工況。由于舵主要處于螺旋槳槳盤面中心以上區域，常規舵各展向剖面翼型的速度示意圖如圖6所示。

圖6 常規舵剖面速度示意圖Fig.6 Velocity diagram of general rudder’s section

當常規舵保持0°舵角時，作用在舵各剖面翼型的橫向速度Vy指向內側，軸向速度Vx由前緣指向尾緣，合成速度Va與舵剖面翼型中線存在指向內側的入射角α0，可判斷翼型內側為吸力面，外側為壓力面，因此對比兩種舵的空化現象時只需觀測內側吸力面空化。進一步地，當常規舵向左操舵α1舵角時，左舵各剖面翼型的入射角αL= α1+ α0，右舵各剖面翼型的入射角αR= α1- α0，即αL> αR。而當翼型一定時，入射角越大，吸力面的最大減壓系數就越大，越容易發生空化，即此時左舵吸力面比右舵吸力面更易發生空化，故針對左舵吸力面的空化進行觀測即可。而當分析對象為扭曲舵時，舵保持0°舵角時各剖面的入射角α0近似為0°，則將扭曲舵進行向左操舵時，左舵和右舵的入射角近似相等，故就扭曲舵而言，同樣只研究左舵即可。因此，以左舵為研究對象，當其向左操舵時觀測其內側吸力面的空化現象即可有效對比兩種舵的抗空化性能。

為有效對比扭曲舵和常規舵的抗空化性能，試驗主要選定如表1所示工況進行實船舵空泡觀測對比試驗。

表1 試驗工況Tab.1 Working condition of test

2 試驗結果

2.1 舵空泡脈動特性

在進行實船舵空化觀測時，是通過內窺鏡進行觀察，內窺鏡的觀察結果由CCD相機進行連續拍照記錄，因此可以得到舵面發生空化的動態結果。經分析發現，舵面發生空化后，空化的范圍會呈現明顯周期性的脈動變化，以普通舵在最大航速下5°舵角時的舵空泡為例，對舵片空泡的脈動特性進行了研究，試驗結果如圖7所示。

圖7 空泡發展過程Fig.7 Development process of cavitation

由圖7 可以看出，舵空泡的體積是不斷變化的。其中，圖7（a）為舵片空泡范圍最大的狀態，圖7（b）為空泡開始脫落的狀態，圖7（c）為空泡完全脫落的狀態，圖7（d）則為空泡開始增長的狀態，而空泡的脫落和潰滅正是導致振動和噪聲大幅增加的重要原因。

2.2 固定舵角工況

對水面艦船在設計航速和最大航速下固定舵角工況時的的舵面空化進行了對比觀測，其結果如圖8～9所示。

圖8 設計航速下的舵面空化Fig.8 Rudder cavitation at design speed

圖9 最大航速下的舵面空化Fig.9 Rudder cavitation at maximum speed

由圖8 可以看出，在設計航速0°舵角時，常規舵舵面即開始發生少許片空化，而扭曲舵此時未發現空化現象；由圖9 可以看出，在最大航速0°舵角時，常規舵舵面靠近導邊部分發生了較為劇烈的片空化，扭曲舵此時仍未發現空化現象。這證明扭曲舵可有效改善常規舵在高航速時0°舵角時的舵面抗空化性能。

由圖8 可以發現，常規舵在設計航速0°舵角時舵面即開始發生空化，而扭曲舵在設計航速10°舵角時仍未發生空化，故扭曲舵在設計航速下的舵面空化起始舵角可提高10°以上；由圖9可以發現，常規舵在最大航速0°舵角時舵面發生了較大面積的空化，其弦向長度約占局部弦長的1/3，而扭曲舵最大航速10°舵角的舵面空泡弦向長度約占局部弦長的1/4，故扭曲舵在最大航速下的舵面空化起始舵角可提高10°左右。當進速系數相等時，實船在不同航速下的速度場成相似關系，扭曲舵的抗空化效果可認為相同。故在相同航速工況下，扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右。

由圖8可以看出，在設計航速15°舵角時，扭曲舵舵面開始發生明顯空化，其弦向長度約占局部弦向長度的1/4，而常規舵舵面此時的空化弦向長度基本達到隨邊處，故此時扭曲舵的舵面空化范圍要遠小于常規舵此時的空化范圍；由圖9 可以看出，在最大航速10°舵角時，扭曲舵舵面開始發生空化，其弦向長度約占局部弦向長度的1/4，而常規舵的舵面片空化最大弦向長度幾乎與局部弦長相當，故扭曲舵的舵面空化范圍遠小于常規舵。因此可認為，在相同航速和舵角工況下，當扭曲舵發生空化時，其舵面空化范圍要遠小于常規舵。

2.3 直航自動舵工況

對于水面艦船而言，為保持航向航行，需要不斷地來回打小舵角，即為直航自動舵工況。為進一步驗證扭曲舵的抗空化性能，在中低海況條件下，分別針對常規舵和扭曲舵開展了直航自動舵工況下的舵空泡觀測試驗。圖10 和圖11 分別為設計航速和最大航速時常規舵和扭曲舵在直航自動舵工況下的舵空泡對比情況，其中直航自動舵工況下的舵空泡情況分別選取了自動操舵時舵角由小到大時三個狀態的空化照片。

圖10 設計航速下直航自動舵工況時的舵空泡情況Fig.10 Rudder cavitation of auto-pilot at direct route of design speed

圖11 最大航速下直航自動舵工況時的舵空泡情況Fig.11 Rudder cavitation of auto-pilot at direct route of maximum speed

由圖10 可以看出，在設計航速工況下，為保持航向航行，常規舵舵面處于無空化、有空化和充分發展空化之間不斷變換，而扭曲舵在操舵的過程中一直未產生空化；由圖11可以看出，在最大航速工況下，為保持航向航行，常規舵舵面的空化現象一直存在，且在舵角較大時產生嚴重空化，而扭曲舵在操舵的過程中依舊未產生空化。而保持航向航行是艦船最常用的航行狀態，因此，扭曲舵可以消除艦船在常用航行狀態下舵面的空化問題。

2.4 舵下端面和防腐蝕電極影響分析

為解決常規舵下端面空化問題和舵防腐蝕電極空化問題，在舵下端面處設計了一種抗空化導流罩，并將舵中上部位的防腐蝕電極上移一定距離使之靠近船體邊界層，將舵中下部位的防腐蝕電極安裝在舵下端導流罩內部（見圖12）。

圖13（a）為巡航航速工況下0°舵角時的常規舵空泡觀測圖。如圖所示，常規舵的下端部和舵面防腐蝕電極處先于舵面發生了空化，這主要是由于舵下端面和防腐蝕電極處形狀尖銳，易發生流體分離和空化。圖13（b）為設計航速工況下扭曲舵在0°舵角時的空泡觀測圖。由圖可以看出，原防腐蝕電極位置和舵下端面處未出現空化現象，而扭曲舵在設計航速下5°和10°舵角及最大航速下0°和5°舵角時的空化現象均與此相一致。因此，對防腐蝕電極的安裝位置和舵下端面形狀進行優化設計后，扭曲舵有效提高了防腐蝕電極和舵下端面處的抗空化性能。