童南都 馮曉東 操安喜 金永興

摘要：針對港作拖船在復雜水域作業(yè)時推進器極易遭遇雜物碰撞與吸附，損壞推進系統(tǒng)，影響推進效率等問題，設(shè)計一套類翼型截面式推進器防護格柵裝置。對不同的格柵環(huán)肋與來流方向的夾角（攻角）進行分析計算，將格柵對推進器效率的影響等效為推進器在流場中的總阻力變化，確定一組最合理的攻角，在提供最大防護性能的前提下，將格柵對推進效率的影響降到最低。結(jié)果表明，當內(nèi)、外環(huán)肋攻角分別取6.5°、10°時，阻力增加率較小，流場變化平穩(wěn)，符合設(shè)計指標要求，并能對推進器進行有效防護。

關(guān)鍵詞： 全回轉(zhuǎn)推進器; 防護格柵; 攻角; 阻力計算

中圖分類號： U661.43 ? ?文獻標志碼： A

Abstract： The port tug propeller working in complex waters is easy to encounter debris collision or adsorption so as to damage the propulsion system and affect the propulsion efficiency. For the above problem， a propeller protection gird is designed with wing-type section. The angles （attack angles） between different grid ring ribs and the incoming flow direction are analyzed and calculated， and the effect of the gird on the propeller efficiency is equivalent to the total resistance change of the propeller in the flow field. A set of the most reasonable attack angles is determined to minimize the effect of the grid on the propeller efficiency while providing maximum protection. The results show that when attack angles of inner and outer ring ribs take 6.5° and 10°， respectively， the resistance increase rate is small， and the flow field changes smoothly， which meets the requirements of the design index， and can effectively protect the propeller.

Key words： Z-propeller; protection grid; attack angle; resistance calculation

港作拖船的特點是其船身較小，而功率較大，具有較大的推（拖）力、良好的穩(wěn)性和操作的靈活性。全回轉(zhuǎn)推進器（圖1）能很好地滿足港作拖船的操縱性能要求，在港作拖船上廣泛使用。然而，拖船在作業(yè)過程中由于港區(qū)作業(yè)水域清潔度不高，經(jīng)常會遇到諸如塑料袋、編織袋等雜物，這些雜物極易被全回轉(zhuǎn)推進器吸入，輕則損壞螺旋槳葉片導流罩等零部件，重則導致推進器無法工作。

國內(nèi)有關(guān)推進器防護裝置的相關(guān)文獻較少，主要還停留在直接對螺旋槳槳葉設(shè)計保護措施和航行技術(shù)的改善方面[1-2]。然而，針對船身小、功率大、作業(yè)環(huán)境復雜的港作拖船采用的全回轉(zhuǎn)推進器，不能僅僅直接對螺旋槳槳葉設(shè)計保護措施，還要針對復雜作業(yè)環(huán)境下可能出現(xiàn)的各類碰撞物沖擊配置安全防護裝置。在此類設(shè)計上，一般螺旋槳防護裝置都采用大型包絡(luò)式網(wǎng)格狀設(shè)備。對于港作拖船的全回轉(zhuǎn)推進器，該設(shè)計的增阻效果過于明顯從而極大降低了推進效率，不滿足拖船作業(yè)要求。日本肖特爾公司推出過一套針對全回轉(zhuǎn)推進器的防護裝置，但此裝置的格柵環(huán)肋攻角采用一致性設(shè)計，平行于流體運動方向。目前，國內(nèi)外針對全回轉(zhuǎn)推進器防護裝置設(shè)計的理論研究較少，本文提出一套類翼型截面式全回轉(zhuǎn)推進器防護格柵，采用組合式環(huán)肋攻角，在保證對推進效率影響最低的前提下，擋住雜物吸入，起到保護推進器的作用。

1 類翼型截面式全回轉(zhuǎn)推進器防護格柵設(shè)計方案 ?有關(guān)推進器的防護設(shè)備已有些許研究[3-5]，本推進器防護格柵的設(shè)計主要考慮以下5個要求：對可能引起螺旋槳損壞的大中型漂浮物起到阻擋作用;防護格柵引起的推力盡可能小;在漂浮物的撞擊下，防護格柵結(jié)構(gòu)完好無損;易加工制作;安裝簡單可靠。

綜合以上要求，本文設(shè)計的防護格柵安裝在導流罩外、螺旋槳入流口位置。防護格柵由內(nèi)環(huán)肋、外環(huán)肋和輻射板組成，見圖2?？紤]到各種截面類型對防護格柵水動力性能的影響及其加工安裝合理性，選用類翼型截面式環(huán)形肋板（簡稱環(huán)肋），如圖3所示。環(huán)肋分為3段：迎流段為半圓鋼，中部為扁鋼，尾部去流段選用梯形截面。針對港區(qū)海域可能出現(xiàn)的大中型漂浮物，防護格柵以6片輻射板與2組環(huán)肋的組合形式分割回轉(zhuǎn)圓面，最小能阻擋包絡(luò)面積為0.2 m2的固體漂浮物。推進器導流罩進水口直徑2.7 m，出水口直徑2.24 m，螺旋槳直徑2.06 m，環(huán)肋間距0.5 m，輻射板最大間距0.3 m，防護格柵質(zhì)量約450 kg。

2 環(huán)肋攻角對推進器推進效率的影響分析 ?翼型截面具有阻升比小、水動力性能優(yōu)越的特性。環(huán)肋采用類翼型截面一方面沿用了翼型的水動力性能，另一方面也方便制造安裝。然而，翼弦與來流方向的夾角α（即攻角）成為影響推進器推進效率必須考慮的因素，最佳環(huán)肋攻角α的確定成為關(guān)鍵。推進器內(nèi)環(huán)肋攻角α1、外環(huán)肋攻角α2定義見圖4。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)港作拖船作業(yè)時全回轉(zhuǎn)推進器易受雜物碰撞問題，設(shè)計了一套類翼型截面式推進器防護格柵裝置。對不同的環(huán)肋攻角組合進行分析計算，將防護格柵對推進器效率的影響等效為推進器在流場中總阻力的變化，確定防護格柵內(nèi)環(huán)肋攻角取6.5°、外環(huán)肋攻角取10°時為最合理的攻角。此時，流場變化平穩(wěn)，在能對推進器提供最大的防護性能的前提下，將防護格柵對推進效率的影響降到最低。此外，模擬了防護格柵典型碰撞場景來驗證防護格柵結(jié)構(gòu)的合理性。本文采用的設(shè)計方案對港作拖船具有廣泛的適用性，計算方法可以擴展到各類推進器防護裝置設(shè)計中。

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（編輯 趙勉）