基于CFD技術的3 300 t多用途船螺旋槳整改分析

錢 俊

(安徽杰濤船舶工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

當前國內小型船舶通常采用圖譜法、回歸公式法或參照母型船數據估算法進行船舶推進性能設計，如采用荷蘭MARIN水池的Holtop84方法、Hollenbach98方法、Davidson回歸法等來估算船舶阻力性能。以上估算方法的精度一方面受到數據樣本積累數量的影響，另一方面僅僅代表了所收集樣本的平均水平，有可能偏于保守。特別是對于改動非常大的船型，經驗積累或母型船的試驗數據統計的參考意義不大，容易導致船舶阻力性能估算結果誤差，進而影響螺旋槳的設計和機槳的匹配。

本文基于CFD技術，根據數學模型，采用數值方法模擬船舶航行時的流場，分析計算船舶阻力及其他運動特性，可用于優化船舶線型、螺旋槳設計，進而提升船舶推進效率。

1 某3 300 t多用途船試航問題

某3 300 t多用途船是一型適用于印度尼西亞水域(限制在離岸200 n mile以內)的兼雜貨與集裝箱裝載的雙機、雙槳、雙尾鰭船。該船推進系統由主機、齒輪箱、定距槳組成。主機型號為XCW6200ZC：功率698 kW，轉速1 000 r/min 。鑒于船東對120只集裝箱全部按25 t/箱的重箱來設計的非常規要求，又需兼顧成本、經濟性和等同于無限航區的完整穩性衡準要求，導致該船設計時線型肥大，方型系數高達0.89，遠大于常規貨船，且艉部線型過于飽滿。而推進系統選型、螺旋槳設計時對該船的船體阻力性能只是參照經驗公式進行估算，并未通過船模試驗或CFD技術對船體水動力性能進行測算、分析。該船建成后，試航時出現以下問題：

(1)該船主機的最大轉速不能達到額定轉速1 000 r/min。常規情況下，螺旋槳設計應有3.5%的轉速儲備，即主機達到額定功率698 kW時，轉速應達到1 035 r/min。但實際試航時，左機平均轉速為948 r/min，右機平均轉速僅為898 r/min，且雙機均冒黑煙，各缸平均排溫已高達450 ℃以上(臺架試驗報告中，主機110%負荷時各缸排溫約450 ℃)。

(2)螺旋槳轉速不穩定，波動大于10 r/min，且艉部振動明顯偏大。

(3)試航中，船舶壓載狀態下的平均航速僅為9.9 kn(逆流7.5 kn，順流12.3 kn)，按常規經驗推算到滿載狀態下，設計航速應在9.0 kn，遠低于合同約定的10.6 kn，已遠超1.0 kn差距的棄船條款。

2 原因分析與補救措施

在排除螺旋槳破損、被異物纏繞、軸系安裝不當等因素后，直觀判斷螺旋槳設計偏“重”，即：機槳不匹配，槳直徑或螺距偏大，導致帶動螺旋槳軸轉動的主機負載加大。排溫過高的現象和爆壓測試表明主機已經超負荷了，沒有更多的富余功率來支撐主機轉速的進一步提升至其額定轉速。同時，艉部振動超標、航速嚴重不達標。為了保證3 300 t多用途船能達到合同約定框架內可接受的船舶性能指標，通過船舶建模CFD計算，對該問題進行復查、分析，以給出適當的修正、補救措施。

2.1 修槳方案

通過船型建模CFD計算，該船在滿載與壓載狀態下有效功率值

P

見表1。反饋原估算值較表1計算值高出30%～40%，且螺旋槳的設計點選擇也欠妥當。根據其估算，螺旋槳設計過“重”達13.5%，因而需要對槳采取切割直徑及修削隨邊的雙重措施,以減輕槳的負荷，使螺旋槳在主機額定功率下達到額定轉速，并有一定的裕度。修槳方案見圖1。

表1 CFD計算的船舶有效功率值

圖1 螺旋槳修槳方案(單位：mm)

2.2 船尾加裝整流鰭

試航時發現該船螺旋槳的轉速忽高忽低，約在8%～10%的范圍內波動，且艉部振動過大。這說明該船的艉部流場異常，在螺旋槳的上方及前方有緩水區域。同時，從圖2中CFD的槳盤面伴流圖(

v

=9.5 kn與

v

=10.5 kn是原設計狀態下的2種常用航速)來看，螺旋槳處于不均勻、不穩定的伴流場，且螺旋槳供水不足。

圖2 槳盤面伴流圖

根據經驗，采取在船尾設計加裝整流鰭的方案。在螺旋槳軸的上方安裝一對有一定拱度并具有一定長度的整流鰭，用以加速艉部進入螺旋槳盤面上方及前方的水流，以降低伴流峰值，改善伴流分布和螺旋槳上方及前方的緩水區域，達到穩定螺旋槳轉速、改善艉部振動目的。

2.3 加裝舵球

鑒于航速的合同硬性指標要求，在上述2種改善措施的同時，本文研究了舵球對螺旋槳水動力性能的影響。舵球填充螺旋槳后方的空間，有利于削弱后方軸線處的低壓區，也有助于提高槳盤面處伴流場的均勻度，有利于改善螺旋槳空泡、激振等性能。舵球可以提高節能效果約3%～5%，且投資少、安裝方便，因此本文設計加裝了舵球的方案，見圖3。

3 補救措施的效果

采用了上述3項補救措施后，該船再次進行了試航，測試的結果(見表2)基本符合預計目標。主機轉速可以達到設定的額定轉速1 000 r/min且轉速已相對穩定，運轉平穩，艉部振動明顯改善，航速也大幅提高。根據試航測速結果，再根據壓載狀態可以推算到滿載狀態下的航速為10.35 kn，雖然仍不滿足合同約定的指標(10.6 kn)，但也不足以作為棄船條款進而影響船舶交付。

圖3 舵球設計方案(單位：mm)

4 結語

對于任何一個新的船型，即便是小型船舶，在沒有成熟設計作為參照的前提下，僅僅依靠經驗、常規估算是不科學的，也是有風險的。CFD技術能夠對船舶阻力進行科學計算，進而得到準確的數據，避免出現螺旋槳設計不當與機槳不匹配現象。同時，采用CFD技術可分析艉部流場與螺旋槳軸向伴流峰值情況，進而根據需求設計安裝整流鰭。整流鰭的采用加大了槳盤面水流的速度，改善了艉部的流場，穩定了該船螺旋槳的轉速，并改善了其艉部振動。

舵球是一種改善船舶推進性能、提高節能效果的簡易節能裝置，可以在小型船舶上推廣應用。

表2 試航測速報告