陳建挺， 高玉玲， 伍 銳

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

?

25 000噸級(jí)油船螺旋槳及轂帽鰭優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳建挺， 高玉玲， 伍 銳

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

運(yùn)用數(shù)值升力面理論設(shè)計(jì)25 000噸級(jí)油船螺旋槳，配以轂帽鰭的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證：螺旋槳機(jī)槳的匹配性能良好，推進(jìn)效率高，空泡性能和脈動(dòng)壓力滿足設(shè)計(jì)要求，具有高效低振的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的轂帽鰭具有明顯的節(jié)能效果。

油船； 螺旋槳設(shè)計(jì)； 轂帽鰭

0 引 言

“安全環(huán)保、節(jié)能低碳、環(huán)境友好”等綠色技術(shù)是21世紀(jì)船舶科技發(fā)展的主流趨勢(shì)。國(guó)際海事組織(International Martime Organazation, IMO)制定的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index, EEDI)已于2013年1月1日生效實(shí)施。控制溫室氣體排放、保護(hù)大氣環(huán)境受到航運(yùn)界的普遍關(guān)注。隨著全球航運(yùn)市場(chǎng)日益蕭條，航運(yùn)公司對(duì)影響營(yíng)運(yùn)成本的船舶能效更加關(guān)注，對(duì)新造船舶能效指標(biāo)的要求更加嚴(yán)苛。船舶設(shè)計(jì)時(shí)，在船型優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)推進(jìn)裝置螺旋槳及其相關(guān)附體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低船舶能耗的重要途徑。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱船研所)從20世紀(jì)90年代起，開(kāi)始應(yīng)用基于數(shù)值升力面理論-渦格法的現(xiàn)代螺旋槳計(jì)算程序進(jìn)行適伴流螺旋槳設(shè)計(jì)，已成功應(yīng)用于多艘油船及散貨船上。近年來(lái)，船研所研發(fā)設(shè)計(jì)的轂帽鰭等節(jié)能附體技術(shù)已在多艘船上安裝應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。針對(duì)25 000噸級(jí)油船，在其前期研發(fā)階段運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件對(duì)船體線型進(jìn)行優(yōu)化和模型試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和主機(jī)資料進(jìn)行螺旋槳及轂帽鰭的優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 螺旋槳設(shè)計(jì)

該船為常規(guī)單機(jī)單槳船舶，設(shè)計(jì)人員首先對(duì)船體線型進(jìn)行優(yōu)化并在船研所拖曳水池中進(jìn)行相關(guān)模型試驗(yàn)。該船主機(jī)的連續(xù)最大運(yùn)轉(zhuǎn)工況為5 850 kW×85 r/min,要求設(shè)計(jì)航速為14 kn。

1.1 MAU圖譜槳設(shè)計(jì)

根據(jù)船模試驗(yàn)獲得的有效功率和自航因子等數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用MAU圖譜設(shè)計(jì)圖譜槳，圖譜槳參數(shù)為：螺旋槳直徑D=6.600 m；螺距比P/D=0.786;盤面比Ae/Ao=0.400;槳葉數(shù)Z=4片。

根據(jù)MAU圖譜槳敞水性能結(jié)果和庫(kù)存槳模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)船航速預(yù)報(bào)，此槳對(duì)應(yīng)的服務(wù)航速Vs=14.28 kn，螺旋槳轉(zhuǎn)速Ns=81.5 r/min。

1.2 適伴流螺旋槳設(shè)計(jì)

根據(jù)本船主機(jī)和艉框布置特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)槳的直徑。該船的主機(jī)為低速機(jī)，螺旋槳直徑可適當(dāng)取大，但也要考慮船舶設(shè)計(jì)吃水、軸高和螺旋槳葉梢與船體之間要有足夠大的間隙等因素。

根據(jù)備用槳模型試驗(yàn)得到有效功率和自航因子，應(yīng)用MAU圖譜計(jì)算得到圖譜槳最佳直徑為6.6 m。船舶自航因子會(huì)隨著螺旋槳直徑和載荷分布的變化而變化，圖譜槳計(jì)算得到的最佳直徑只能作為參考。該船設(shè)計(jì)吃水T=9.4 m，軸高3.3 m，顯然Ds=6.6 m的直徑對(duì)該船來(lái)說(shuō)偏大。為避免螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力使船體產(chǎn)生較大振動(dòng)，需要在螺旋槳葉梢和船體殼板間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，綜合各方面因素選定設(shè)計(jì)槳直徑為Ds=6.3 m，此時(shí)螺旋槳葉梢與船體板殼間距L和螺旋槳直徑D的比值L/D=0.23(見(jiàn)圖1)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于3萬(wàn)噸級(jí)左右的油船來(lái)說(shuō)該數(shù)值可以接受。

船舶模型試驗(yàn)測(cè)量艉部槳盤面處的標(biāo)稱伴流場(chǎng)(見(jiàn)圖2)。對(duì)標(biāo)稱伴流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)諧分析，選用合適的側(cè)斜分布，使側(cè)斜分布線與尾流對(duì)葉剖面最大法向速度相位角徑向分布曲線有較大分歧，讓螺旋槳葉片不同半徑剖面漸次進(jìn)入高伴流區(qū)，以減小對(duì)艉部底端的擾動(dòng)。此外，適當(dāng)選擇縱傾、增大葉梢與船體間距也有利于減小振動(dòng)。

選擇NACA66-mod厚度分布和a=0.8中線作為設(shè)計(jì)槳基本翼型；利用數(shù)值升力面理論-渦格法計(jì)算程序,設(shè)計(jì)適伴流螺旋槳，設(shè)計(jì)槳參數(shù)為：螺旋槳直徑D=6.300 m; 0.7R處螺距比：P/D=0.943 9; 盤面比Ae/Ao=0.400; 側(cè)斜角SKEW=24.9°;槳葉數(shù)Z=4片。

圖1 艉部框圖

圖2 軸向伴流等值圖

螺旋槳方案MAU圖譜槳適伴流槳航速Vs/kn14．2814．44轉(zhuǎn)速Ns/(r/min)81．581．8

經(jīng)船模自航試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)槳和主機(jī)匹配良好，達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。

滿載狀態(tài)下， MAU圖譜槳和適伴流槳實(shí)船航速預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。適伴流槳不僅具有更高的推進(jìn)效率，使航速在圖譜設(shè)計(jì)槳的基礎(chǔ)上再提高0.16 kn，而且其轉(zhuǎn)速和主機(jī)轉(zhuǎn)速匹配良好，從推進(jìn)效率和機(jī)槳匹配的角度看已達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

2 槳模空泡試驗(yàn)

衡量一個(gè)螺旋槳的優(yōu)劣，除了考察其推進(jìn)效率之外，還要考察其空泡和激振力情況。為全面、準(zhǔn)確地了解螺旋槳的空泡性能，在船研所空泡水筒進(jìn)行設(shè)計(jì)槳槳模的空泡試驗(yàn)。

根據(jù)國(guó)際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference, ITTC)規(guī)程，設(shè)計(jì)槳在模擬不均勻流場(chǎng)中的模型空泡試驗(yàn)采用槳模軸中心線處空泡數(shù)與實(shí)槳12點(diǎn)鐘位置槳葉0.8R處的空泡數(shù)相等、實(shí)槳與模型推力系數(shù)Kt相等的相似準(zhǔn)則來(lái)模擬實(shí)槳工況。船后伴流場(chǎng)的模擬采用金屬網(wǎng)格法，即在槳盤面的前方放置1張根據(jù)船后標(biāo)稱伴流場(chǎng)設(shè)計(jì)的疏密不一的銅絲網(wǎng)格。試驗(yàn)用槳模為直徑為224.9 mm的巴氏合金槳模。

2.1 空泡形態(tài)

槳?？张菰囼?yàn)觀察結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6，只在螺旋槳葉背局部區(qū)域出現(xiàn)片狀空泡，且較穩(wěn)定，面積較小，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可造成葉片被剝蝕的葉面空泡和泡空泡。

圖3 滿載狀態(tài)葉背空泡手描圖

圖4 壓載狀態(tài)葉背空泡手描圖

圖5 滿載狀態(tài)10°相位角背空泡

圖7 槳模激震力傳感器布置圖

2.2 螺旋槳激振力情況

運(yùn)用安裝在空泡筒螺旋槳盤面正上方平板上的5個(gè)壓力傳感器測(cè)量螺旋槳空泡產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力(見(jiàn)圖7)。試驗(yàn)測(cè)得滿載狀態(tài)下的最大脈動(dòng)壓力是3號(hào)傳感器上的1階脈動(dòng)諧調(diào)分量，其幅值約為1.377 kPa(見(jiàn)圖8)；壓載狀態(tài)下的最大脈動(dòng)壓力為1.429 kPa(見(jiàn)圖9)。以上脈動(dòng)壓力數(shù)值遠(yuǎn)低于貨船脈動(dòng)壓力的一般衡準(zhǔn)要求。

3 轂帽鰭優(yōu)化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高推進(jìn)效率，回收螺旋槳轂渦中損失的能量，考慮在槳后安裝轂帽鰭。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和該船螺旋槳的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)轂帽鰭參數(shù)為：直徑D=1 530 mm；葉數(shù)Z=4；旋向?yàn)橛倚?；弦長(zhǎng)530 mm。轂帽鰭側(cè)圖、普通轂帽試驗(yàn)及轂帽鰭試驗(yàn)分別見(jiàn)圖10～圖12。

轂帽鰭葉片和螺旋槳葉片相對(duì)位置角度的變化(相位角)對(duì)節(jié)能效果有一定影響。為研究相位角對(duì)轂帽鰭節(jié)能效果的影響，選取20°,25°,30°,35°和40°等5個(gè)不同相位角,在空泡水筒中進(jìn)行敞水試驗(yàn)對(duì)比，從中選出最佳相位角度。將螺旋槳葉片參考線和轂帽鰭葉片參考線重合處設(shè)為0°，保持螺旋槳不動(dòng)，從船后往前看，轂帽鰭逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)n°，定義為n°相位角。表2為各方案下螺旋槳敞水試驗(yàn)結(jié)果。

由表2可知，該船設(shè)計(jì)槳和轂帽鰭的最佳相位角為40°，在設(shè)計(jì)航速附近，進(jìn)速系數(shù)J約為0.65，此時(shí)帶普通轂帽螺旋槳的敞水效率ηo=0.718 1，帶轂帽鰭螺旋槳的敞水效率為ηo=0.734 8，效率提高約2.3%。由圖11和圖12可知，加裝轂帽鰭后螺旋槳轂渦消失，印證了轂帽鰭具有回收螺旋槳轂渦能量的作用。

圖8 滿載狀態(tài)脈動(dòng)壓力測(cè)試結(jié)果

圖9 壓載狀態(tài)脈動(dòng)壓力測(cè)試結(jié)果

圖10 轂帽鰭側(cè)視圖

圖11 普通轂帽試驗(yàn)

圖12 轂帽鰭試驗(yàn)

相位角度J0．400．450．500．550．600．650．700．750．80普通轂帽20°25°30°35°40°Kt0．26860．24900．22890．20840．18760．16630．14460．12260．100410Kq0．35580．33430．31190．28870．26460．23960．21360．18660．1589ηo0．48050．53360．58410．63190．67710．71810．75410．78440．8048Kt0．26910．24950．22940．20880．18780．16640．14450．12240．100010Kq0．35810．33600．31310．28960．26510．23990．21380．18670．1589ηo0．47840．53190．58300．63120．67650．71750．75300．78250．8016Kt0．26960．24990．22960．20900．18790．16640．14450．12240．100010Kq0．35860．33650．31360．29010．26560．24040．21420．18710．1592ηo0．47870．53190．58260．63050．67550．71620．75160．78090．7999Kt0．27080．25090．23050．20970．18850．16690．14500．12280．100510Kq0．35660．33500．31250．28930．26510．23990．21380．18660．1586ηo0．48340．53640．58680．63440．67920．71980．75550．78580．8066Kt0．27120．25120．23080．21010．18920．16780．14600．12400．101710Kq0．35350．33170．30920．28600．26190．23700．21100．18400．1561ηo0．48840．54240．59400．64310．68960．73240．77070．80430．8293Kt0．27070．25110．23090．21020．18920．16780．14580．12370．101210Kq0．35300．33140．30890．28570．26140．23620．20990．18260．1543ηo0．48830．54260．59470．64420．69130．73480．77390．80840．8344

4 結(jié) 語(yǔ)

采用數(shù)值升力面理論設(shè)計(jì)的適伴流螺旋槳的效率比傳統(tǒng)圖譜設(shè)計(jì)槳高,具有高效低振的效果。適當(dāng)減小螺旋槳直徑有利于減小螺旋槳質(zhì)量，從而降低造價(jià)，提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)用轂帽鰭可進(jìn)一步提高船舶的推進(jìn)效率，降低油耗。在設(shè)計(jì)轂帽鰭時(shí)要注意轂帽鰭葉片和螺旋槳葉片的相對(duì)位置關(guān)系，提高能效。

[1] 李強(qiáng),李天煜. 加強(qiáng)綠色船舶標(biāo)準(zhǔn)研究，完善船舶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系[C].中國(guó)國(guó)際海事會(huì)展高級(jí)海事論壇文集，2013.

[2] 郭永崧，董國(guó)祥.現(xiàn)代船用螺旋槳設(shè)計(jì)應(yīng)用程序研究 [J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2001,24(2):71-77.

[3] 何友聲，王國(guó)強(qiáng). 螺旋槳激振力[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

[4] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理 [M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[5] 俞湘三，陳澤梁，樓連根，等. 船舶性能實(shí)驗(yàn)技術(shù) [M].上海：上海交通大學(xué)出版社 ，1991.

Optimization of the Propeller and Boss Cap Fins for a 25 000 t Oil Tanker

CHEN Jianting, GAO Yuling, WU Rui

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)

The Propeller Boss Cap Fins(PBCF) for a 25 000 t oil tanker is designed with numerical lifting surface theory. The model tests show that the performance of the design propeller matches the main engine well. The ati-cavitation performance and the fluctuating pressure meet the design requirements. The design features high efficiency and low vibration. The PBCF design by phase angle optimization has obvious energy-saving effect.

oil tanker； propeller design； PBCF

2016-06-20

高能效江海直達(dá)散貨船關(guān)鍵技術(shù)(2014BAG04B01)

陳建挺(1981—)，男，浙江富陽(yáng)人,副研究員,主要從事船舶水動(dòng)力性能研究。

1674-5949(2016)03-0006-05

U664.33; U674.13+3.1

A