陳楊科，何苗，姜治芳，解學(xué)參，楊向暉

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢430064

2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

0 引 言

槳舵組合式節(jié)能推進(jìn)器是一種新型組合節(jié)能推進(jìn)裝置。該裝置以優(yōu)化槳舵水動(dòng)力干擾為原則，對(duì)槳后舵進(jìn)行適伴流設(shè)計(jì)，從而使得舵前緣呈扭曲狀；同時(shí),采用舵球?qū)⒍媾c槳轂光順連接起來(lái)，舵球可隨舵一起轉(zhuǎn)動(dòng)，舵球前段與槳轂的咬合式設(shè)計(jì)能保證舵的回轉(zhuǎn)性。槳舵組合式節(jié)能推進(jìn)器通過(guò)節(jié)能裝置間的有利干擾達(dá)到改善槳后尾流場(chǎng)、節(jié)約燃油消耗、提高推進(jìn)效率的目的。

2008年，芬蘭瓦錫蘭公司最早推出了一款名為Energopac 的槳舵組合式推進(jìn)器，其資料顯示，不同船舶在安裝了組合式節(jié)能推進(jìn)裝置后在設(shè)計(jì)航速下推進(jìn)效率能提升2%～9%。隨后，英國(guó)R-R公司、瑞典MJP 公司等均推出了類似的產(chǎn)品，近年來(lái)，該產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)外得到推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)高校［1-2］和研究所已在開(kāi)展該技術(shù)的跟蹤研究，但在新型槳舵組合式推進(jìn)器理論設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究方面與國(guó)外差距明顯。

本文將以推進(jìn)器減阻增效為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，開(kāi)展槳舵組合式推進(jìn)器設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)驗(yàn)證研究。首先，對(duì)槳后舵進(jìn)行適伴流設(shè)計(jì)，并與一首端削平的舵球結(jié)合形成組合式推進(jìn)器方案，然后通過(guò)新型槳舵推進(jìn)器的數(shù)值仿真分析，初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，最后，通過(guò)槳舵推進(jìn)器船后水動(dòng)力性能試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性，獲得組合式槳舵推進(jìn)器的減阻增效效果。

1 槳舵組合式節(jié)能推進(jìn)器設(shè)計(jì)

1.1 扭曲舵設(shè)計(jì)

于螺旋槳后方工作的舵，即使在零度舵角時(shí)，也能產(chǎn)生側(cè)向力。這是由于螺旋槳尾流場(chǎng)對(duì)舵展向不同剖面處的誘導(dǎo)速度不同，因此各剖面受力的方向及大小均不一樣。常規(guī)舵在設(shè)計(jì)時(shí)并未充分考慮螺旋槳的尾流作用，因此，根據(jù)螺旋槳來(lái)流方向調(diào)整舵剖面攻角是扭曲舵設(shè)計(jì)的初衷。本文針對(duì)原槳舵模型以減小舵阻力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)原型舵進(jìn)行扭曲設(shè)計(jì)［3］。

假設(shè)船速為Vs，螺旋槳轉(zhuǎn)速為n，船體伴流誘導(dǎo)速度場(chǎng)在舵剖面位置處的三向分量分別為Vx，Vθ，Vr，螺旋槳誘導(dǎo)速度在舵剖面位置處的三向分量分別為ux，uθ，ur，若不考慮粘性耗散對(duì)伴流場(chǎng)的影響，當(dāng)舵角為0 時(shí)舵翼剖面處來(lái)流速度在水平方向的分量為

式中：uRx表示舵翼型剖面位置處的軸向誘導(dǎo)速度，uRy表示周向誘導(dǎo)速度在水平方向的分量。

在來(lái)流VR作用下，舵翼剖面產(chǎn)生的升力定義為ΔLR，產(chǎn)生的阻力定義為ΔDR，在舵角為0 的情況下，沿螺旋槳軸向產(chǎn)生的力定義為

扭曲舵設(shè)計(jì)是指根據(jù)來(lái)流的方向?qū)⒍嬲共煌叨忍幦~元體剖面偏轉(zhuǎn)一定的角度，使之在保持船體操縱性能的情況下減小舵阻。假設(shè)螺旋槳后方工作的直舵，某個(gè)葉元體剖面旋轉(zhuǎn)角度為αk，則舵沿螺旋槳軸向產(chǎn)生的力為

此時(shí)，舵剖面來(lái)流及受力情況如圖1 所示。

圖1 舵剖面受力示意圖Fig.1 Forse on rudder section

可以看出，在已知舵剖面形狀、舵前誘導(dǎo)速度的前提下，求舵阻力的關(guān)鍵在于確定葉元體剖面的偏轉(zhuǎn)角αk。因此，對(duì)于每個(gè)葉元體剖面需要滿足附加推力最大（阻力最?。?，即

最大。無(wú)量綱后可表示為

式中，CL和CD為翼型的升阻力系數(shù)。

1.2 舵球設(shè)計(jì)

舵球是一種簡(jiǎn)易、實(shí)用、有效的尾部節(jié)能附體，目前的研究證實(shí)舵球可填充螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，減少因紊流、渦流引起的能量損失，減輕尾流對(duì)舵和船艉的激振力等。

舵球?yàn)楹?jiǎn)單回轉(zhuǎn)體，其形狀參數(shù)包括長(zhǎng)度及直徑，由于本研究的舵球前端與轂帽光順過(guò)渡，因此根據(jù)槳舵的定位即可確定舵球長(zhǎng)度。文獻(xiàn)［4］研究認(rèn)為舵球直徑與螺旋槳直徑之比在0.2～0.216 區(qū)間為宜，文獻(xiàn)［5］研究認(rèn)為舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.22 時(shí)節(jié)能效果較優(yōu)，因此，本文的舵球直徑取為螺旋槳直徑的0.22 倍。

需要注意的是，實(shí)際的槳舵組合式推進(jìn)器為保證舵的回轉(zhuǎn)性，將舵球前端與槳轂尾端設(shè)計(jì)為凹凸咬合形式。在理論設(shè)計(jì)中，僅考慮了0°舵角時(shí)舵的水動(dòng)力性能，因此只將槳轂后端與舵球前端簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)成平端面。

1.3 槳舵組合式推進(jìn)器設(shè)計(jì)方案

以某船傳統(tǒng)槳舵推進(jìn)器為研究對(duì)象，其螺旋槳和原型舵參數(shù)分別如表1 和表2 所示。

表1 螺旋槳幾何參數(shù)Tab.1 Propeller geometry parameters

表2 原始舵幾何參數(shù)Tab.2 Rudder geometry parameters

以槳舵相互干擾的流場(chǎng)計(jì)算為基礎(chǔ)，根據(jù)增大扭曲舵理論設(shè)計(jì)原理，重新設(shè)計(jì)舵不同展向位置的剖面，不同位置的剖面偏轉(zhuǎn)角如表3所示。

表3 扭曲舵偏轉(zhuǎn)角Tab.3 Twist angle of new rudder

基于扭曲舵設(shè)計(jì)結(jié)果并與舵球進(jìn)行組合，獲得了槳舵組合式推進(jìn)器方案，傳統(tǒng)槳舵推進(jìn)器與槳舵組合式推進(jìn)器設(shè)計(jì)方案對(duì)比如圖2 所示。

圖2 槳舵系統(tǒng)三維輪廓圖Fig.2 3-D vision of propeller and rudder systems

2 槳舵組合式推進(jìn)器性能數(shù)值仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性及設(shè)計(jì)方案的節(jié)能效果，對(duì)黏性流場(chǎng)中槳舵組合式推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值仿真，對(duì)比分析了傳統(tǒng)槳舵推進(jìn)器及槳舵組合推進(jìn)器的受力、壓力分布及流場(chǎng)特性。

2.1 數(shù)值驗(yàn)證

2.1.1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

槳舵組合推進(jìn)器水動(dòng)力性能仿真的計(jì)算域采用與螺旋槳同軸的內(nèi)外兩個(gè)圓柱形流域，內(nèi)域包含螺旋槳，如圖3所示。計(jì)算域長(zhǎng)度為［-4D，8D］，半徑為4D。采用速度入口及壓力出口的邊界條件，螺旋槳及舵表面為不可滑移壁面。采用定常、多參考坐標(biāo)模型（MRF），外域采用絕對(duì)靜止坐標(biāo)系，內(nèi)域旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系固定于螺旋槳中心，并以-600 r/min 的角速度旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)域之間利用Interface邊界連接，流場(chǎng)信息通過(guò)插值進(jìn)行傳遞［6］。

計(jì)算采用混合網(wǎng)格，包含螺旋槳的內(nèi)域劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為方便捕捉到重要的流場(chǎng)信息，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域（如螺旋槳槳葉的導(dǎo)隨邊、葉梢、葉根以及扭曲舵舵球位置、舵的導(dǎo)隨邊等）進(jìn)行加密，對(duì)距離槳舵推進(jìn)器較遠(yuǎn)的區(qū)域，則適當(dāng)降低網(wǎng)格密度以便于控制總網(wǎng)格數(shù)［7-8］，整體計(jì)算域網(wǎng)格約為300萬(wàn)。

圖3 槳舵系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算的計(jì)算域Fig.3 Simulation domain of propeller and rudder system

2.1.2 湍流模型及邊界條件設(shè)置

計(jì)算螺旋槳流場(chǎng)的數(shù)值方程為三維不可壓縮RANS 方程，計(jì)算時(shí)采用有限體積法進(jìn)行離散，擴(kuò)散相采用中心差分格式，對(duì)流相采用一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC 算法。連續(xù)性曲線小于0.000 1時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

2.1.3 槳舵組合式節(jié)能推進(jìn)器計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對(duì)某MAU 槳舵［4］模型進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算進(jìn)速為0.3，0.4，0.5，0.6和0.7，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Fig.4 Comparison between the calculatio results and experimental results

圖4所示為槳舵系統(tǒng)的推力KT、扭矩KQ、效率η 計(jì)算值與勢(shì)流計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)值的比較，從圖中可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差均在5%以內(nèi)，滿足研究精度要求。

2.2 槳舵組合式推進(jìn)器性能仿真

2.2.1 水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)工況下傳統(tǒng)槳舵推進(jìn)器及新型槳舵組合推進(jìn)器的定常性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)，如表4 所示。其中：

KTx=KTPx+KTRx,為槳舵系統(tǒng)推力系數(shù)；

Δ為不同槳舵系統(tǒng)系數(shù)之間的差值。

表4 槳舵系統(tǒng)性能對(duì)比Tab.4 Hydrodynamic performance comparison of two propeller-rudder systems

由計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可知，槳舵組合推進(jìn)器使螺旋槳推力增加約1.5%，扭矩減小約2%，同時(shí)舵的阻力減小約13%，最終使得槳舵組合推進(jìn)系統(tǒng)的效率增大約5%，有較好的節(jié)能效果。

2.2.2 流線分布

槳舵組合推進(jìn)器的設(shè)計(jì)原理為優(yōu)化推進(jìn)器與流場(chǎng)之間的匹配性，因此在計(jì)算收斂后，截取了槳后3 個(gè)典型剖面（圖5）進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與流場(chǎng)的適配性。其中：z/L=-0.275 剖面位于舵球下端；z/L = 0 剖面位于舵球中間；z/L = 0.605剖面位于舵球上端。

圖5 不同舵展剖面處流線對(duì)比Fig.5 Comparison of streamlines at different spanwise sections of rudders

通過(guò)對(duì)比可以看出，槳舵組合式推進(jìn)器翼型剖面具有更好的適伴流特性。在螺旋槳槳盤(pán)面后方（z/L=-0.275），新型舵剖面與流線的夾角較原型舵減小，舵球中心剖面的流線較原型舵均勻，且阻止了槳轂及舵后方流線的聚集，對(duì)螺旋槳轂渦有抑制作用。而在螺旋槳槳盤(pán)面外部，槳的誘導(dǎo)速度迅速減弱，流線與舵攻角較小，無(wú)需進(jìn)行舵的扭曲設(shè)計(jì)。

2.2.3 槳舵系統(tǒng)壓力分布

進(jìn)一步提取傳統(tǒng)槳舵推進(jìn)器與槳舵組合推進(jìn)器的螺旋槳表面壓力分布，并進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 不同方案槳葉弦向壓力分布對(duì)比Fig.6 Comparation of propeller pressure distribution at different radial sections

由圖6 中螺旋槳表面壓力分布對(duì)比可知，舵優(yōu)化對(duì)螺旋槳內(nèi)半徑（r/R＜0.5）的壓力影響較明顯，而對(duì)螺旋槳外半徑的壓力影響則較小。這主要是由于舵球尺度與槳轂相近，它的存在覆蓋了原來(lái)槳轂后方的低壓區(qū)，對(duì)流場(chǎng)的擠壓作用使得螺旋槳內(nèi)半徑流場(chǎng)的速度減小，壓力增大。

進(jìn)一步提取原型舵與新型舵不同剖面處的壓力分布，如圖7 所示。從圖中可以看出，槳舵組合推進(jìn)器的舵剖面壓力分布更為均勻，降低了舵表面的低壓峰值，有利于舵空泡性能。同時(shí)剖面壓力分布對(duì)比表明，剖面載荷高于傳統(tǒng)舵，因此舵效應(yīng)變化不大。

圖7 不同方案舵展向位置壓力分布對(duì)比Fig.7 Comparation of rudder pressure distribution at different spanwise sections

3 槳舵組合式節(jié)能推進(jìn)器性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型槳舵推進(jìn)器設(shè)計(jì)方法的合理性、水動(dòng)力仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及節(jié)能效果，開(kāi)展了不同推進(jìn)器方案的快速性試驗(yàn)。試驗(yàn)船模采用雙槳推進(jìn)，設(shè)計(jì)航速為12 kn。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶11，縮尺后螺旋槳直徑為0.148 m，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)3.5×105。在對(duì)應(yīng)實(shí)船不同航速下分別測(cè)量了螺旋槳推力、扭矩及舵的3 個(gè)分力（即舵的阻力、側(cè)向力及轉(zhuǎn)舵力矩），結(jié)果如表5 和表6 所示。其中：Vs為實(shí)船航速；TPx為螺旋槳x 軸方向受力，朝向船艏為正；QPx為螺旋槳扭矩；TRx為舵沿x 軸方向推力；TRy為舵?zhèn)认蛄Α?/p>

表5 槳舵推進(jìn)器推力及扭矩對(duì)比Tab.5 Comparison of thrusts and torques

表6 槳舵推進(jìn)器舵受力對(duì)比Tab.6 Comparison of rudder forces

由試驗(yàn)結(jié)果可知，新型組合式推進(jìn)器使得螺旋槳的推力增加，而扭矩減小，因此螺旋槳的效率增加。

由舵的受力對(duì)比可知，組合式推進(jìn)器的舵阻力和傳統(tǒng)舵相比降低了10%～15%，而側(cè)向力變化較小，降低了5%左右，這主要是由于通過(guò)舵的偏轉(zhuǎn)及扭曲設(shè)計(jì)，舵與螺旋槳尾流場(chǎng)的匹配性更優(yōu)。

定義槳舵推進(jìn)系統(tǒng)的效率為

其中:kTP為螺旋槳推力系數(shù)；kR為舵的軸向力系數(shù)；kQ為螺旋槳的扭矩系數(shù)。傳統(tǒng)槳舵推進(jìn)器和組合式推進(jìn)器效率對(duì)比如表7 所示。

表7 槳舵推進(jìn)器效率對(duì)比Tab.7 Comparison of efficiencies

由槳舵推進(jìn)系統(tǒng)的效率對(duì)比可知，組合式推進(jìn)器的效率較傳統(tǒng)槳舵最大提高了約2.7%，而隨著航速的增加，節(jié)能效果減弱，到16 kn 時(shí)節(jié)能效果約為1%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以推進(jìn)器減阻增效為目標(biāo)，開(kāi)展了槳舵組合式推進(jìn)器的設(shè)計(jì)研究。通過(guò)對(duì)槳后舵適伴流設(shè)計(jì)，結(jié)合與槳轂光順連接的舵球，形成了組合式槳舵推進(jìn)器方案；通過(guò)數(shù)值仿真獲得了敞水中組合式槳舵推進(jìn)器的水動(dòng)力性能、壓力分布、流場(chǎng)特性等細(xì)節(jié)，初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的正確性。進(jìn)一步開(kāi)展了原型及組合式槳舵推進(jìn)器的船后水動(dòng)力性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在各航速下,螺旋槳推力增大、扭矩減小，新型舵阻力減小10%以上，整體槳舵推進(jìn)器效率增值最大達(dá)2.7%，槳舵組合式推進(jìn)器確實(shí)具有減阻增效的作用。

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