中型豪華郵輪吊艙推進舵角工況下的推進性能模型試驗

吳四川

(招商局工業集團有限公司，廣東 深圳 518063)

吊艙推進器同時具備推進和操縱的功能，其結構設計相對常規推進器設計更為復雜。吊艙安裝形式分為兩種，固定的和可以旋轉的。豪華郵輪對推進器的設計有更高的要求。豪華郵輪采用吊艙式推進器，能夠使用更少的能量以更高的速度運輸更多的有效負載，效率高、噪聲低且振動小，船舶操縱性和乘客舒適度更好, 節約能源成本并且滿足環保需要。

關于吊艙推進性能的研究主要集中在敞水推進特性研究和操縱性能研究。常用方法為模型試驗和數值仿真技術。已有研究表明，艙推進器螺旋槳效率較常規槳有所提高，但如果考慮吊艙下的阻力，則吊艙推進裝置的系統效率較不考慮吊艙有所下降。拖式吊艙推進器敞水工況下在大舵角變化范圍內，隨著螺旋槳進速的增加，槳葉的推力、轉矩及吊艙單元的推力下降，但是由于相關研究只在敞水工況下進行，且舵角范圍相對較大，對于吊艙推進單元在自航工況下舵角對推進性能的影響未見報道。對于波浪中航行的船舶，在波長與船長的比接近1時，規則波對船舶推進性能的影響最顯著。除了采用模型試驗的方法，隨著技術的不斷進步，CFD數值仿真技術也廣泛地應用于推進器的設計。CFD方法可以有效模擬螺旋槳的敞水試驗，得到吊艙推進單元的推進性能。其優點是相對模型試驗，能夠比較直觀顯示吊艙對槳葉載荷的分布、吊艙支架正前和正后的流場分布情況，同時易于修改模型參數，為吊艙推進器的設計和優化提供便捷的解決方案，但往往CFD方法需與模型試驗進行對比和驗證。

但無論是采用模型試驗方法還是CFD數值仿真，同樣存在以下問題。

1)關于吊艙推進單元的推進性能研究，大多模型只建立單獨吊艙推進單元，沒有考慮船體和推進單元之間的相互影響。有少數研究涉及到敞水工況下大舵角范圍內吊艙單元推進性能的變化特點。

2)建立吊艙推進單元和船體完整模型，大多用于研究推進單元的操縱性能，關于舵角工況下的吊艙推進器的推進性能未見相關報道。

為了探索和分析中型豪華郵輪吊艙推進舵角工況下是否存在最優舵角，以某中型豪華郵輪為目標船，在上海船舶運輸科學研究所拖曳水池中分別進行設計吃水下的船模阻力試驗、吊艙推進器模型敞水試驗及設計吃水下的自航試驗。根據ITTC推薦方法對郵輪阻力、螺旋槳敞水效率進行預報和計算。同時開展吊艙推進器不同舵角工況下的船模自航試驗，并尋找吊艙推進器的最佳舵角，為中型豪華郵輪吊艙推進器的設計優化提供理論和數據支撐。

1 試驗模型

模型縮尺比為27.5，實船與船模及螺旋槳主尺度見表1。中型豪華郵輪船體試驗模型為木質，船模上未加裝舭龍骨，在船模第19站和球艏距前端1/3處安裝激流絲，試驗模型見圖1。在船尾布置雙槳式吊艙推進器，螺旋槳為內旋4葉槳，吊艙推進器試驗模型見圖2。

表1 實船與船模主尺度

圖1 中型豪華郵輪試驗模型

圖2 中型豪華郵輪吊艙推進器試驗模型

2 試驗分析方法

根據船模阻力試驗數據，采用二因次法將船模阻力試驗結果換算到實船，同時考慮空氣阻力和舭龍骨阻力。摩擦阻力系數采用1957年 ITTC公式計算得到。

船模摩擦阻力系數為

=0075(lg-2)

(1)

式中:為雷諾數。

船模總阻力系數為

(2)

式中:為船模阻力；為水密度；為船模濕表面積；為船模速度。

剩余阻力系數為

=-

(3)

實船總阻力系數為

=[(+)]×[+Δ]++

(4)

式中:為實船濕表面積；為舭龍骨面積；為實船摩擦阻力系數；Δ為粗糙度補貼數；為空氣阻力系數。

實船總阻力為

(5)

式中:為海水密度；為實船航速。

自航試驗分析方法采用等推力法，外推方法采用ITTC推薦換算方法。當施加在船模上的強制力等于摩擦阻力修正值時，插值得到實船自航點的轉速、推力和轉矩。摩擦阻力修正值為

[-]

(6)

式中:為船模摩擦阻力系數；為吊艙阻力尺度效應修正系數；船模螺旋槳推力；為船模推進單元推力。

假定推力減額無尺度效應，并由下式(7)確定。

(7)

式中:為推力減額系數；為船模總阻力；為槳模推力。

根據等推力法，根據推力系數在槳模的敞水性征曲線上插值得到進速系數和敞水中的轉矩系數。推力系數和船后轉矩系數由下式得到

(8)

式中:為船模螺旋槳轉速；為槳模直徑；船模螺旋槳轉矩。

船模伴流分數按下式計算。

(9)

式中:為船模螺旋槳進速系數。

相對旋轉效率按下式計算。

(10)

式中:為船后轉矩系數。

實船伴流修正按ITTC推薦公式計算或采用Ei方法計算得到：

(11)

=(1-)(1-)

(12)

推力減額和相對旋轉效率不考慮尺度作用。

3 試驗結果與分析

所有模型試驗和試驗數據處理參照ITTC規范。首先進行設計吃水下的船模阻力試驗和吊艙推進器模型敞水試驗。試驗過程中船模由拖車帶動，在數據測量階段拖車速度保持恒定，拖車上配有計算機數據實時采集系統，采樣完成后拖車減速，直到停止，完成一次模型試驗。試驗規定舵角為正時，舵的導邊往外旋轉。

阻力試驗分析方法采用二因次法，采用ITTC推薦摩擦阻力系數計算公式換算到實船。船舶阻力試驗結果和螺旋槳敞水試驗結果見圖3、4。

圖3 船模阻力試驗結果

圖4 實船推進器敞水性征曲線(單槳)

隨后進行設計吃水下的船模自航試驗，并進行不同舵角工況下的中型豪華郵輪吊艙推進器推進性能試驗。在深海、海水水溫15 ℃，無風、無浪、無流、船體無污底的理想試航條件下，對各試驗工況實船有效功率進行預報。自航試驗中推進器在基準位置改變不同的舵角，用以分析舵角對吊艙推進器推進性能的影響。不同舵角的自航試驗結果見表2。以0°、3°和6°舵角為例，試驗結果見表2和圖5。試驗結果表明，當舵角在0°～3°之間時，船舶的收到功率變化不大，舵角繼續增加則船舶收到功率增加。

圖5 不同舵角下功率預報結果

表2 不同舵角下功率預報結果

進一步分析小范圍內舵角變化對吊艙推進器推進性能的影響，以0.2°為間隔，0°到3°范圍內的舵角進行自航模型試驗。對應本研究推進器安裝在基準位置即舵角0°工況時，船舶收到功率隨舵角的變化量見表3。試驗結果分析表明，正向小舵角能夠降低收到功率，當舵角在1.4°時，收到功率降低約0.5%至0.7%，平均收到功率降低為0.62%，相對其他艙角工況，此時平均收到功率降低值最大，因此，舵角為1.4°左右時為中型豪華郵輪吊艙推進器的最佳舵角，此時吊艙推進器推進性能最優。

表3 收到功率隨舵角的變化率 %

4 結論

1)舵角變化對中型豪華郵輪吊艙推進器的推進性能有一定影響，當舵角在基準角小范圍變化時，船舶的收到功率變化不大。當舵角持續增加時，則船舶收到功率增加，吊艙推進器的推進性能變差。

2)綜合考慮平均收到功率的變化量，可在小范圍內尋找到吊艙推進器的最佳舵角。

3)通過船模試驗驗證了吊艙推進器存在最優舵角。

4)考慮模型試驗試驗費用較高且周期較長，可考慮采用數值方法與模型試驗相結合的方法，通過模型試驗驗證數值方法的準確性，在此基礎上，基于數值仿真技術對大量舵角工況下的吊艙推進器性能進行研究，為吊艙推進器的設計優化提供更為便捷的方法。