李齊垚

（海軍駐廣州427廠軍事代表室 廣州510715）

側(cè)推裝置推力減額研究

李齊垚

（海軍駐廣州427廠軍事代表室 廣州510715）

回顧了推進(jìn)器水動(dòng)力干擾的研究概況，開展了單側(cè)推裝置在不同流速、流向下的推力減額的試驗(yàn)研究和CFD計(jì)算，分析了多側(cè)推裝置下推力減額的變化規(guī)律和側(cè)推裝置間距對(duì)推力減額的影響。研究成果可為側(cè)推裝置的布置以及改進(jìn)側(cè)推器槽道進(jìn)出口形式提供參考。

側(cè)推裝置；推力減額；水動(dòng)力干擾；海流流速流向

引 言

目前有多種形式的推力裝置應(yīng)用在動(dòng)力定位船上，其中包括普通的推進(jìn)器、導(dǎo)管推進(jìn)器和直翼式推進(jìn)器。有些推進(jìn)器安裝在船上，其推力軸相對(duì)于船舶是固定的；有些推進(jìn)器則可以伸出船底，其推力軸可360°旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)船舶在水流中保持定位或在靜水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在推力器和主推進(jìn)器的作用下，作用于船體上的力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不再是單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的簡(jiǎn)單作用力，這是由于干擾將引起船體上的作用力和力矩大于或小于推力器單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的作用力或力矩。此外，在某些方位下，一個(gè)推進(jìn)器的螺旋槳尾流將進(jìn)入另一個(gè)推進(jìn)器，并影響下游推進(jìn)器的性能。

1 推進(jìn)器水動(dòng)力干擾研究概況

1.1 推進(jìn)器對(duì)船體的影響

由于船體形式和推進(jìn)器方向的不同，推進(jìn)器對(duì)船體的干擾影響非常復(fù)雜，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮的干擾有以下幾種：

（1）摩擦力

當(dāng)螺旋槳安裝在船體平坦底部時(shí)，螺旋槳將貼近船底表面，產(chǎn)生與推力方向相反的摩擦力，導(dǎo)致推力減額。

（2）科安達(dá)（Coanda）效應(yīng)

船體表面為曲面時(shí)，螺旋槳尾流會(huì)沿著曲面擴(kuò)散（如舭部連接處），并在曲面附近形成低壓區(qū)域，造成壓差阻力，從而抵消部分推力，這時(shí)有效推力將會(huì)減少，這就是科安達(dá)效應(yīng)。

1.2 推進(jìn)器之間的相互干擾

采用多個(gè)推進(jìn)器時(shí)，特別當(dāng)兩個(gè)推進(jìn)器的方向接近一條直線時(shí)，一個(gè)推進(jìn)器排出的水流會(huì)直接沖入另一個(gè)推進(jìn)器。

很多拖曳水池都曾對(duì)螺旋槳間的干擾進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究，盡管采用不同的螺旋槳，但結(jié)果都非常相似。Lehn［1］和Moberg［2］對(duì)兩個(gè)螺旋槳呈前后布置的形式進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)兩個(gè)螺旋槳距離越靠近，干擾問(wèn)題就越嚴(yán)重，尾流會(huì)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)對(duì)下游螺旋槳產(chǎn)生影響，在16倍直徑距離處，推力損失仍達(dá)1/4左右。當(dāng)螺旋槳置于平板下時(shí)，螺旋槳尾流的最大速度偏向平板，從而降低下游推力器的平均入流速度，并減少推力損失。當(dāng)上游螺旋槳改變角度或距離以避免其尾流對(duì)下游螺旋槳的直接沖擊，干擾問(wèn)題可以得到改善，Nienhuis［3］和Lehn的試驗(yàn)結(jié)果都證明了這點(diǎn)，他們對(duì)不同角度和不同距離進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：改變角度能夠大大改善推力損失，尤其是當(dāng)兩槳之間距離較大時(shí)。

2 側(cè)推裝置推力減額試驗(yàn)研究

2.1 概 述

艦船動(dòng)力定位時(shí)，側(cè)推器受到海流的影響，當(dāng)海流的流速和流向不同時(shí)，側(cè)推器產(chǎn)生的推力與其在靜水中的推力不同。為了正確估算所需側(cè)推裝置功率的大小，需確定側(cè)推器受不同流速、流向影響時(shí)的推力減額。經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外資料，未見相關(guān)側(cè)推裝置在不同流速、流向下推力減額的研究成果。

在上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了側(cè)推裝置推力減縮試驗(yàn)研究［4］，研究方案為：制作相應(yīng)比例的船模和側(cè)推螺旋槳，將側(cè)推器固定安裝在船模的隧道中，側(cè)推器由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。將船模固定在拖車上，通過(guò)改變船模與拖車的角度以及拖車的速度，來(lái)模擬不同的流速和流向。首先測(cè)量側(cè)推器全負(fù)荷工況下在靜水中的推力和扭矩，并以達(dá)到要求推力時(shí)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。然后測(cè)量不同流速和流向下推力器全負(fù)荷（額定轉(zhuǎn)速）工況下的推力和扭矩，以確定側(cè)推器在不同流速流向時(shí)的推力減縮系數(shù)。

在本次模型試驗(yàn)中，試驗(yàn)和分析所采用的隨船坐標(biāo)系O-XYZ如圖1所示。隨船坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于船模的中心處。圖中箭頭表示試驗(yàn)中的來(lái)流方向。來(lái)流方向由船首自0°開始沿逆時(shí)針?lè)较颍?60°。安裝在隧道中的螺旋槳安放在船的中縱剖面的位置上，葉面朝向左舷，故螺旋槳所受的推力方向指向右舷。

圖1 試驗(yàn)所用的坐標(biāo)系

2.2 側(cè)推系統(tǒng)和船舶模型概述

試驗(yàn)用螺旋槳模型的大小為D = 0.12 m，而實(shí)船的螺旋槳的尺寸為2.1 m，故采用的實(shí)船模型縮尺比為17.5。所有的模型均按照該縮尺比制作。

Z 型側(cè)推系統(tǒng)主要由螺旋槳、動(dòng)力部件、測(cè)力部件等組裝完成。其基本部件組成見下頁(yè)圖2。

圖2 Z型側(cè)推裝置組成圖

側(cè)推裝置額定推力不小于150 kN（即1 000 kW ×0.15 kN/kW），螺旋槳直徑D 為 2 100 mm。試驗(yàn)時(shí)，從備用槳中選取螺旋槳AU4作為試驗(yàn)用槳。該槳的直徑D為 120 mm（相應(yīng)的模型縮尺比為 2 100/120=17.5），螺距比（H / D） 為0.75，盤面比（A / Ad）為0.6。

側(cè)推系統(tǒng)由1臺(tái)稀土直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)最大功率250 W、輸入電壓90 V、最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min、最大扭矩1.67 N·m、最大電流3.7 A，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由數(shù)字轉(zhuǎn)速表控制，控制精度為±1.0 r/min。

由于側(cè)推系統(tǒng)采用Z型齒輪傳動(dòng)，故無(wú)法直接采用自航動(dòng)力儀來(lái)測(cè)量推力，因此試驗(yàn)中僅用自航動(dòng)力儀測(cè)量扭矩，而由固定螺旋槳垂向傳動(dòng)軸的測(cè)力天平來(lái)測(cè)量螺旋槳上的推力。在自航儀和螺旋槳的傳動(dòng)軸之間采用柔性連接結(jié)合。這樣既可以將自航儀的扭矩傳遞到螺旋槳上驅(qū)動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)避免將螺旋槳的推力傳遞到自航動(dòng)力儀上，使螺旋槳的推力完全施加在測(cè)力天平上，從而保證螺旋槳推力的正確測(cè)量。

自航儀最大測(cè)量扭矩±147 N·cm，推力和扭矩短時(shí)過(guò)載25%，最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min。測(cè)力天平的量程為98 N。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯耆勒招途€圖數(shù)據(jù)木制，并滿足相應(yīng)的精度。其吃水通過(guò)添加和改變船模內(nèi)壓載的質(zhì)量和位置進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到規(guī)定的要求。船首部的側(cè)推孔隧道采用厚壁有機(jī)玻璃管制作，隧道內(nèi)表面經(jīng)過(guò)精車加工。

2.3 （無(wú)槳）背景流速下，船模隧道內(nèi)的流速測(cè)量

當(dāng)船模遭遇不同流向和流速的來(lái)流時(shí)，測(cè)量其在隧道內(nèi)的流速。采用葉輪式流速計(jì)測(cè)量隧道內(nèi)的流速。葉輪式流速計(jì)呈圓柱狀，直徑約6 mm、長(zhǎng)約5 mm，流速計(jì)的測(cè)量位置距螺旋槳中軸線R / 2（R為螺旋槳半徑），距離船舶的中縱剖面4.0 cm（相當(dāng)于實(shí)船0.7 m），位于螺旋槳的葉背一側(cè)處。隧道內(nèi)流速測(cè)量的結(jié)果見表1和圖3。

表1 （無(wú)槳）不同背景流速下，船模隧道內(nèi)的流速測(cè)量結(jié)果

圖3 （無(wú)槳）隧道內(nèi)，不同來(lái)流角度和流速作用下的槳前流速

從表1可以看出，當(dāng)來(lái)流方向?yàn)?°和180°（即艏部或艉部來(lái)流）時(shí)，隧道內(nèi)流速較??；當(dāng)背景流速達(dá)到3 kn（1.543 2 m/s）時(shí)，隧道內(nèi)流速最高才0.348 m/s，僅為背景流速的22.55%；而當(dāng)來(lái)流方向?yàn)?0°和270°時(shí)，隧道內(nèi)流速明顯大于外界背景流速，尤其來(lái)流方向?yàn)?70°、背景流速3 kn時(shí)，隧道內(nèi)的流速比外界流速高51.31%。

2.4 （有槳）背景流速下，船模隧道內(nèi)流速的測(cè)量

當(dāng)安裝螺旋槳的船模遭遇不同流向和流速的來(lái)流時(shí)，測(cè)量其在隧道內(nèi)流速，流速計(jì)的測(cè)量位置同前。由于考慮到在葉片的后面和葉片間隙的后面測(cè)量的流速會(huì)有所不同，因此分別進(jìn)行了以上兩個(gè)位置的流速測(cè)量，流速測(cè)量的結(jié)果見表2和圖4。

表2 （有槳，n=0）不同背景流速下，船模隧道內(nèi)的流速測(cè)量結(jié)果

圖4 （有槳）隧道內(nèi)，不同來(lái)流角度和流速作用下的槳前平均流速

從表2可以看出，當(dāng)隧道內(nèi)有槳（n = 0）時(shí)，隧道中的流速小于無(wú)槳時(shí)隧道內(nèi)流速。當(dāng)來(lái)流經(jīng)由槳背流入（順流）時(shí)，槳前的流速比較均勻，槳葉和槳隙的流速相差不大；而當(dāng)來(lái)流經(jīng)由槳面流入（逆流）時(shí)，槳前的流速比較紊亂，位于槳前（槳背）處的槳葉和槳隙的流速相差比較大，顯示流經(jīng)過(guò)槳后比較紊亂，分布不再均勻了。

2.5 全負(fù)荷工況下的試驗(yàn)測(cè)量

測(cè)量當(dāng)安裝螺旋槳的船模在靜水中和遭遇不同流向和流速的來(lái)流時(shí)，側(cè)推裝置全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為1 220 r/min）時(shí)，螺旋槳推力和扭矩變化。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，該側(cè)推系統(tǒng)（n = 1 220 r/min）在靜水中的敞水推力為27.773 N（模型值），扭矩為36.995 N·cm（模型值），換算到實(shí)船為152.57 kN，35.56 kN·m。

安裝到隧道內(nèi)以后，該側(cè)推系統(tǒng)（n = 1 220 r/min）在靜水中的推力為20.54 N（模型值），扭矩為29.321 N·cm（模型值），換算到實(shí)船為112.838 kN，28.19 kN·m?？梢?，安裝到隧道內(nèi)以后，螺旋槳在相同轉(zhuǎn)速下的推力、扭矩和功率都有所下降。

在不同流向和流速的來(lái)流中，相同轉(zhuǎn)速（n = 1 220 r/min）的螺旋槳的推力和扭矩見表3和圖5中所示。 從圖表可以看出：

（1）螺旋槳在安裝到隧道內(nèi)后，相同轉(zhuǎn)速時(shí)推力和扭矩都有所下降。

（2）除了個(gè)別角度，推力和扭矩都隨來(lái)流流速的上升而下降。

（3）當(dāng)來(lái)流改變時(shí)，推力的變化比扭矩的變化更大。

（4）當(dāng)來(lái)流在180°～360°間變化時(shí)（此時(shí)水流從葉背流入，即順流），推力和扭矩隨流向而變化，但比較緩和。

（5）當(dāng)來(lái)流在 0°～180°間變化時(shí)（此時(shí)水流從葉面流入，即逆流），推力和扭矩隨流向變化比較劇烈；在90°～180°間，推力下降比較明顯（此時(shí)的水流由船尾左舷流入）。

圖5 同轉(zhuǎn)速（n =1 220 r/min）時(shí)，螺旋槳推力隨來(lái)流不同而變化

表3 不同背景流速下，螺旋槳推力和扭矩測(cè)量結(jié)果

3 多側(cè)推裝置推力減額CFD研究

3.1 概 述

如果船首部有多臺(tái)側(cè)推裝置時(shí)，在海流以同一流速、流向作用于船體時(shí)，由于3臺(tái)側(cè)推器距離較近，會(huì)產(chǎn)生相互干擾，隧道內(nèi)進(jìn)流速度不同，3臺(tái)側(cè)推器發(fā)出的推力也會(huì)不同。［5］

本文以單隧道側(cè)推力器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)目前世界上廣泛應(yīng)用的CFD流體力學(xué)軟件Fluent，進(jìn)行三隧道側(cè)推器聯(lián)合工作的水動(dòng)力性能分析，通過(guò)計(jì)算給出三隧道側(cè)推器在不同流速、不同流向時(shí)推力和扭距的變化規(guī)律，為動(dòng)力定位系統(tǒng)提供有用的數(shù)據(jù)資料。

3.2 螺旋槳敞水性能計(jì)算

螺旋槳敞水計(jì)算的模型為AU4，直徑D為2 100 mm，螺距比（H / D）為0.75，盤面比（A /Ad）為 0.6，與側(cè)推裝置推力減縮試驗(yàn)研究相同。計(jì)算采用Fluent軟件的Segregated求解器。由于在后面的槽道槳計(jì)算中有反向來(lái)流工況（例如來(lái)流方向在0°～180°之間），因此本文計(jì)算了螺旋槳在負(fù)進(jìn)速系數(shù)時(shí)的性能（見圖6）。

圖6 螺旋槳性能計(jì)算結(jié)果

在圖6中，除了畫出計(jì)算結(jié)果外，也畫出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中曲線計(jì)算值未作修正處理。可以看出，計(jì)算結(jié)果在進(jìn)速系數(shù)等于0附近誤差大一些，計(jì)算結(jié)果偏小；在J＞0.2以后計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。計(jì)算結(jié)果中扭矩偏大，這可能是因?yàn)橛?jì)算采取粘性流體計(jì)算，槳建模與試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌隆?/p>

分析計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值，找出誤差規(guī)律大約是進(jìn)速系數(shù)的2次方函數(shù)，在J＞0時(shí)用下式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正后，可獲得非常好的結(jié)果（見圖7）。

圖7 計(jì)算結(jié)果經(jīng)修正后的曲線圖

推力系數(shù)修正

計(jì)算修正的目的在于了解引起計(jì)算誤差的原因和規(guī)律，找出相關(guān)因素，供后期CFD計(jì)算參考。

3.3 單隧道側(cè)推器推力減縮計(jì)算

單隧道側(cè)推力器推力減縮計(jì)算包括：隧道內(nèi)流速計(jì)算、螺旋槳推力計(jì)算和船體水動(dòng)力計(jì)算3個(gè)部分，來(lái)流速度有1 kn、2 kn、3 kn，流向0°～360 °。隧道位置在舯前51.45 m且距基線2.4 m處，計(jì)算坐標(biāo)系與試驗(yàn)相同。

3.3.1 單隧道無(wú)槳時(shí)的隧道內(nèi)流速計(jì)算

為了驗(yàn)證計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的符合情況。流速測(cè)量位置在隧道內(nèi)距螺旋槳中軸線R / 2（R 為螺旋槳半徑），距離船舶的中縱剖面0.7 m，位于螺旋槳的葉背一側(cè)處，取圓周均布4點(diǎn)的軸向速度平均值。圖8是實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的比較。

圖8 隧道內(nèi)流速的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

可見，計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值偏小，但變化規(guī)律相同。本文認(rèn)為主要原因在于計(jì)算時(shí)采取的是在槳前R / 2半徑處沿周向均布4點(diǎn)的軸向流速計(jì)算的平均值，而試驗(yàn)時(shí)采用旋槳流速儀進(jìn)行測(cè)量，隧道內(nèi)可能產(chǎn)生的周向速度會(huì)對(duì)流速儀槳葉產(chǎn)生作用，使測(cè)量值偏大。此外，從計(jì)算時(shí)的流場(chǎng)分布圖（圖9-圖11）中也可以看出，不同流向角時(shí)，隧道內(nèi)速度分布迥然不同。來(lái)流方向0°隧道內(nèi)流場(chǎng)，有兩個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)的漩渦，在中剖面處流速不穩(wěn)定；在45°來(lái)流時(shí)，靠近船中一側(cè)流速較大，船首一側(cè)為一漩渦，而在135°時(shí)，靠近船首一側(cè)流速比較大，在船中一側(cè)為漩渦。因此測(cè)速儀的測(cè)量位置直接影響測(cè)量值的大小。

圖9 流向0°、流速3 kn時(shí)，槳軸線水平剖面速度圖（無(wú)槳）

圖10 流向45°、流速3 kn時(shí)，槳軸線水平剖面速度圖（無(wú)槳）

圖11 流向135°、流速3 kn時(shí)，槳軸線水平剖面速度圖（無(wú)槳）

3.3.2 單隧道有槳（n=0）時(shí)的隧道內(nèi)流速計(jì)算

有槳隧道模型是在無(wú)槳隧道船體的隧道內(nèi)加上螺旋槳后生成，槳與隧道的一段組成一個(gè)計(jì)算域，

其他部分為另外一個(gè)計(jì)算域。計(jì)算流速點(diǎn)在隧道內(nèi)距螺旋槳中軸線R / 2（R 為螺旋槳半徑），距離船舶的中縱剖面0.7 m，位于螺旋槳的葉背一側(cè)。這與無(wú)槳時(shí)測(cè)量點(diǎn)的位置相同。由于螺旋槳是4葉槳，

取圓周均布8點(diǎn)的軸向速度計(jì)算平均值，其中4點(diǎn)在葉前，另外4點(diǎn)在兩葉的間隙處。來(lái)流速度分為1 kn、2 kn、3 kn，流向間隔為45°。圖12 -圖14給出在不同流向、流速的流作用下，隧道內(nèi)槳前流速的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較。

圖12 （有槳）背景流速1 kn時(shí)，隧道內(nèi)流速比較

圖13 （有槳）背景流速2 kn時(shí)，隧道內(nèi)流速比較

圖14 （有槳）背景流速3 kn時(shí)，隧道內(nèi)流速比較

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)隧道內(nèi)有槳但未轉(zhuǎn)時(shí)，隧道內(nèi)流速小于無(wú)槳時(shí)隧道內(nèi)流速，且來(lái)流在180°～360°之間比0°～180°之間的流速大，實(shí)驗(yàn)值的不對(duì)稱要比計(jì)算值表現(xiàn)得更為突出。此外計(jì)算值比較光順，實(shí)驗(yàn)值有起伏。在0°～180°范圍內(nèi)，水流從槳面流向槳背，測(cè)量點(diǎn)在葉片后，受葉片擋水的影響，測(cè)量和計(jì)算值??；在0°～360°范圍內(nèi)，水流從葉背流向葉面，測(cè)量點(diǎn)在槳葉前方，測(cè)量和計(jì)算的值比0°～180°內(nèi)大。

綜合看來(lái)，實(shí)驗(yàn)值比計(jì)算值偏大，測(cè)量值受葉片的影響比較明顯。這主要是由于槳葉不動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于導(dǎo)流片的作用，使水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，螺旋槳流速儀會(huì)受到周向速度的影響，并且測(cè)點(diǎn)的布置也會(huì)受槽道內(nèi)流場(chǎng)不均勻的影響所致。

3.3.3 單隧道側(cè)推器不同來(lái)流的推力減縮計(jì)算

單隧道側(cè)推器推力減縮計(jì)算模型和槳不轉(zhuǎn)時(shí)相同，移動(dòng)網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)定為30.54 1/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速n為 291.6 r/min，同試驗(yàn)報(bào)告中一致。背景流速分別取1 kn、2 kn、3 kn，流向間隔45°。圖15給出了計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的比較，圖中只畫出180°～360°之間的比較，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)是動(dòng)力定位側(cè)推裝置工作的正常區(qū)域。

圖15 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的推力比較

圖15表明，除了實(shí)驗(yàn)值有波動(dòng)外，計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。應(yīng)該指出，在流向0°～180°之間，計(jì)算值的規(guī)律和試驗(yàn)結(jié)果有很大差別，主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的推力減小，在130°左右達(dá)到最小值，計(jì)算值在0°～180°之間的推力、轉(zhuǎn)矩、功率都比180°～360°之間大。0°～180°之間隧道中水流是從葉面流向葉背，螺旋槳處于負(fù)進(jìn)速范圍，在失速前推力增加。從敞水計(jì)算結(jié)果和相關(guān)資料上看，螺旋槳失速應(yīng)在J=-0.25～-0.55之間，而從隧道流速的計(jì)算和測(cè)量結(jié)果分析，最大流速為2.0 m/s，計(jì)算進(jìn)速系數(shù)為-0.196，達(dá)不到失速狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)是正常的。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，由于水流狀態(tài)受各種因素的影響，以及模型加工及安裝等，會(huì)使螺旋槳的失速位置有變化，因此試驗(yàn)結(jié)果也是合理的。

3.3.4 三隧道側(cè)推器推力減縮計(jì)算

三隧道側(cè)推系統(tǒng)是在單隧道的基礎(chǔ)上前后各增加一個(gè)隧道側(cè)推器組成的，3個(gè)螺旋槳的尺寸和槳型相同，坐標(biāo)系、網(wǎng)格形式、計(jì)算方法均與單隧道時(shí)相同，此處不再贅述。三隧道側(cè)推器推力減縮計(jì)算內(nèi)容包括：隧道內(nèi)流速計(jì)算、螺旋槳推力計(jì)算和船體水動(dòng)力計(jì)算三部分。來(lái)流速度有1 kn、2 kn、3 kn，流向0°～360°，以15°為間隔。1號(hào)隧道位置在舯前46.75 m、距基線2.2 m處，2號(hào)隧道位置在舯前50.65 m、距基線2.4 m處，3號(hào)隧道位置在舯前54.55 m、距基線2.6 m處，隧道縱向間距3.9 m。

（1）三隧道無(wú)槳時(shí)，隧道內(nèi)流速計(jì)算

三隧道無(wú)槳時(shí)流速計(jì)算結(jié)果列于表4中。從中可以看出，在相同條件下，三個(gè)隧道中的流速變化和大小基本相同，這說(shuō)明船體首部離隧道的距離足夠遠(yuǎn)，船體對(duì)隧道所在位置處的流場(chǎng)影響基本相同。

（2）三隧道有槳（n=0）時(shí)，隧道內(nèi)流速計(jì)算

三隧道有槳（n=0）時(shí)，隧道內(nèi)流速計(jì)算結(jié)果列于下頁(yè)表5中。從中可以看出，在相同條件下，三個(gè)隧道內(nèi)流速變化和大小基本相差不大。在0°～18°之間，由于測(cè)量點(diǎn)在螺旋槳葉背一側(cè)，水流受到槳葉的阻擋，流速變低，流動(dòng)觀測(cè)也可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)槳背附近是一個(gè)漩渦區(qū)。

（3）三隧道側(cè)推器不同來(lái)流的推力減縮計(jì)算

三隧道側(cè)推器推力減縮計(jì)算的背景流速分為1 kn、2 kn和3 kn，流向間隔30°，三個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)速n為291.6 r/min。計(jì)算的推力列于下頁(yè)表6中。計(jì)算結(jié)果表明：螺旋槳的推力隨著背景流速的增大而減小，即推力減縮增大。

表4 不同背景流速下，三隧道無(wú)槳時(shí)的隧道內(nèi)流速m/s

表5 不同背景流速下，三隧道有槳且n = 0時(shí)的隧道內(nèi)流速m/s

表6 不同背景流速下，三隧道螺旋槳推力計(jì)算結(jié)果（n = 291.6 r/min）m/s

（4）改變側(cè)推器間距后的螺旋槳性能計(jì)算

為了解隧道間距對(duì)側(cè)推螺旋槳的影響，本文在原方案的基礎(chǔ)上，將隧道間距減小后，以2 kn背景流速計(jì)算了側(cè)推螺旋槳在不同來(lái)流方向時(shí)的推力和轉(zhuǎn)矩。改變間距后的隧道位置是：2號(hào)隧道位置不變，縱向位置在中前50.65 m，垂向距基線2.4 m；1號(hào)隧道縱向位置在中前47.5 m，垂向距基線2.2 m；3號(hào)隧道縱向位置在中前53.8 m，垂向距基線2.6 m。隧道縱向間距3.15 m，由原來(lái)的1.857D變?yōu)?.5D，三個(gè)隧道的垂向位置保持原來(lái)不變。

計(jì)算結(jié)果表明：2號(hào)隧道中的螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩與原間距時(shí)基本相同，幾乎沒(méi)有影響；1號(hào)槳的推力和轉(zhuǎn)矩比原間距時(shí)??；3號(hào)槳的推力和轉(zhuǎn)矩比原間距時(shí)大。

綜合分析結(jié)果表明，隧道間距大于等于1.5D時(shí)間距的影響是小量，螺旋槳的推力大小主要與位置有關(guān)?？拷椎穆菪龢屏p縮要比靠近船中的大。

圖16 背景流速2 kn時(shí)，1號(hào)槳推力比較

圖17 背景流速2 kn時(shí)，2號(hào)槳推力比較

圖18 背景流速2 kn時(shí)，3號(hào)槳推力比較

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)螺旋槳敞水性能計(jì)算和單隧道螺旋槳推力計(jì)算與模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較表明，本文的計(jì)算結(jié)果可供側(cè)推系統(tǒng)研究中參考。

（2）隧道側(cè)推裝置螺旋槳的推力減縮，隨背景流速的增加而增大。

（3）在三隧道情況下，側(cè)推器越靠近船首螺旋槳推力減縮越明顯，靠近船中的螺旋槳推力減縮比靠近船首的小。

（4）通過(guò)改變隧道間距的計(jì)算結(jié)果表明，在隧道間距大于1.5D時(shí)，間距對(duì)螺旋槳的推力減縮影響不大，位置的影響占主要地位。

（5）流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可作為改進(jìn)側(cè)推器槽道進(jìn)出口形式的參考。

［1］LEHN E. Thruster Interaction Effect ［R］. The Ship Research Institute of Norway: NSFI Report-102.80, 1980.

［2］MOBERG S，HELLSTROM S A. Dynamic Positioning of a Four-Column Semi-Submersible Model Tests of Interaction Forces and a Philosophy about Optimum Strategy when Operating the Thrusters ［A］. Proceedings of the Second International Symposium on Ocean Engineering and Ship Handling ［C］. Gothenburg, Sweden, 1983: 443-480.

［3］NIENHUIS U. Analysis of Thruster Effectivity for Dynamic Positioning and Low speed Manoeuvring ［D］. Dissertation of Technical University Delft, 1992.

［4］彭濤，張承懿.側(cè)推裝置推力減縮試驗(yàn)報(bào)告［R］. 2003.

［5］葉明，姚朝幫.兩船干擾力測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)［J］.船舶，2012（4）：12-15.

On thrust deduction of side thruster

LI Qi-yao
(The Military Commissary Department in NO.427 Manufactory in Guangzhou, Guangzhou 510715, China)

This paper reviews the research of hydrodynamics interference of thrusters, and carries out the experimental investigation and CFD calculations of thrust deduction of side thruster under di ff erent current speed and direction. It also analyzes the change law of the thrust deduction of multiple side thrusters and the in fl uence of the spacing between side thrusters on thrust deduction. The results can provide reference for the arrangement of side thrusters and the improvement of the type of the inlet and outlet of thruster tunnels.

side thruster; thrust deduction; hydrodynamic interference; current speed and direction

U661.3

A

1001-9855（2014）04-0006-11

2014-04-28；

2014-06-16

李齊垚（1987-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)和裝備管理。