張 燕

（上海倍豪船舶科技有限公司，上海200439）

0 引言

作為當(dāng)今世界上大型船上船舶推進(jìn)器領(lǐng)域背景下興起的重大研究熱點(diǎn)，全槳雙回轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的地位是毋庸置疑的；而且與當(dāng)前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)比，具備明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其能夠提升船舶在甲板上的空間利用率，且在推進(jìn)器系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施上布置也極其新穎高效，最重要的是，能夠極大地改善目前船舶推進(jìn)器在日常運(yùn)行過(guò)程中的空泡現(xiàn)象。

水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)及進(jìn)一步增強(qiáng)現(xiàn)有船舶推進(jìn)器安全與航行穩(wěn)定保障設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)等；整機(jī)結(jié)構(gòu)模塊化和設(shè)計(jì)一體化程度達(dá)到極致高，便于整機(jī)安裝及維護(hù)檢修與部件修理后更換維修；其安全和可靠性要求及較高的,適用性能達(dá)到了極強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)要求等十多項(xiàng)主要優(yōu)點(diǎn)。

以此基礎(chǔ)上，技術(shù)參數(shù)擁有了以上綜合的諸多設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)后，通過(guò)對(duì)于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器裝置系統(tǒng)的大批量開(kāi)發(fā)與功能應(yīng)用，也讓處于初步階段的工程船舶結(jié)構(gòu)上的整體質(zhì)量變得十分可靠，同時(shí)，在機(jī)動(dòng)性性能方面以及在船舶綜合運(yùn)行當(dāng)中的動(dòng)力傳輸效率方面會(huì)有大幅度的功能提升。其被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用廣泛的工程領(lǐng)域范圍內(nèi)，也在逐步地從工程船類(lèi)中（例如拖船、浮動(dòng)起重船、渡船等）在應(yīng)用形式上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹廊A型客船、游船類(lèi)和其他類(lèi)別的船類(lèi)等以此增加船舶的效率。對(duì)于全速回轉(zhuǎn)的船用火箭推進(jìn)器系統(tǒng)而言，這樣不僅能夠讓火箭推進(jìn)器的系統(tǒng)在航海世界上的技術(shù)應(yīng)用中，具有很寬闊的技術(shù)操作性與長(zhǎng)遠(yuǎn)的航海經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)前景。因此，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析及其實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題一直以來(lái)得到著世界與國(guó)內(nèi)外海洋軍事船舶工作者廣泛研究與重視。

螺旋槳的使用和維護(hù)性能參數(shù)主要包括其水動(dòng)力性能、可靠性和疲勞壽命特性。其中，螺旋槳水動(dòng)力性能作為螺旋槳的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，可能會(huì)產(chǎn)生連帶效應(yīng)，引發(fā)其他部件性能下降的異?，F(xiàn)象。因此，針對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在水動(dòng)力性能方面的學(xué)術(shù)研究是必不可少的，這能夠保證未來(lái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器器在各個(gè)領(lǐng)域的安全使用有較高的使用價(jià)值[1]。

1 推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)性能研究

1.1 幾何建模

為了能夠使推進(jìn)器有更加具象化的認(rèn)知，本文的幾何圖形建模就以船重工某型研究所研發(fā)設(shè)計(jì)的高性能回轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為主要的研究方向以及試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)上述的理論研究開(kāi)展建設(shè)工作。其中，在螺旋槳的組成結(jié)構(gòu)及其重要部件中有許多的輔助性零件，其中涵蓋了立柱、螺旋槳葉片等。而承重部件則通過(guò)焊接技術(shù)組成，如過(guò)盈調(diào)整、螺紋連接等。故幾何建模在此假設(shè)水動(dòng)力模型的精度如不受外部因素的影響，所以為了能夠簡(jiǎn)單了解這一模型樣式，繼而建立的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 三維簡(jiǎn)化模型

1.2 計(jì)算域

為了能夠提升區(qū)域化計(jì)算的精確數(shù)值，減少在數(shù)值計(jì)算方面的計(jì)算誤差，可以將區(qū)域邊界的實(shí)際有效長(zhǎng)度限制在10D、直徑為5D的一個(gè)圓柱體范圍內(nèi)（D表示螺旋槳的直徑長(zhǎng)度）。同時(shí)，為了能夠確保螺旋槳尾部能夠在啟動(dòng)時(shí)自由運(yùn)動(dòng)，以槳葉中心為基準(zhǔn)，與輸出螺釘?shù)木嚯x應(yīng)是7D，與螺旋槳入口兩者之間的距離應(yīng)是3D。下圖2所示的即計(jì)算域模型。

圖2 計(jì)算域模型

計(jì)算場(chǎng)模型可以建立，例如通過(guò)多坐標(biāo)系模型（MRF），通過(guò)合理計(jì)算后的空間可以劃分成旋轉(zhuǎn)空間以及外靜態(tài)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)空間。其中，靜態(tài)字段通常包含基本組件。旋轉(zhuǎn)區(qū)域，還包含傳動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)的螺旋槳輪轂。

1.3 網(wǎng)格劃分

因?yàn)橛?jì)算域中的網(wǎng)格劃分基本上都是四面體網(wǎng)格，因此與導(dǎo)管內(nèi)壁面之間的間隔差會(huì)變得非常窄，為了能使2個(gè)推進(jìn)器表面和管道內(nèi)壁表面區(qū)分更為明顯，在實(shí)際操作中，必須對(duì)縫隙中的網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)化處理。具體如圖3所示。

圖3 計(jì)算域各部分網(wǎng)格

1.4 邊界條件

計(jì)算模型的邊界主要條件設(shè)置為：

1）將計(jì)算池的左端面作為當(dāng)前速度輸入的最大條件，并根據(jù)不同的流速入口來(lái)調(diào)節(jié)流量輸入的速度；而正確的極限值被設(shè)置為壓力輸出的極限條件。

2）螺旋槳部件表面和固定部件表面的外部接口設(shè)計(jì)為墻壁。

3）將旋轉(zhuǎn)區(qū)域和剩余區(qū)域相交的接觸面設(shè)置為“interface”。湍流模型在方程式中主要選擇RNG模型與k-z模型，并于壁面附近使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)模型。螺旋槳的最大速度范圍為180°/min，進(jìn)給系數(shù)的范圍為0.01～0.75范圍內(nèi)的速度J值。

2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏角工況水動(dòng)力特性分析

2.1 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

在不同傾角情況下，對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值仿真測(cè)試，并與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值比較。

針對(duì)全螺旋槳的推力系數(shù)以及扭矩系數(shù)，全螺旋槳進(jìn)給間隔內(nèi)的理論計(jì)算值應(yīng)略高于測(cè)試的實(shí)際理論計(jì)算值或略高，由于兩者之間的粘結(jié)性能也較為良好，計(jì)算的值域出現(xiàn)的誤差概率也相應(yīng)減小。針對(duì)導(dǎo)管的kya推力系數(shù)以及螺旋槳裝置的推力系數(shù)KPW、水動(dòng)力效率系數(shù)Z，在低進(jìn)的速度范圍里，計(jì)算統(tǒng)籌出的實(shí)際差值會(huì)由于其數(shù)值差異要低于實(shí)際運(yùn)行的測(cè)試閾值。而其在其相對(duì)于的于高低進(jìn)速范圍內(nèi)實(shí)際的實(shí)際計(jì)算值誤差又要盡量稍微地大于其實(shí)際試驗(yàn)值，計(jì)算值精度要保證與其實(shí)際的試驗(yàn)計(jì)算值貼合性一致或允許稍顯有微差，但又允許將計(jì)算值誤差盡量保持在一個(gè)其實(shí)際可被廣泛接受使用的值范圍內(nèi)。

數(shù)值模擬計(jì)算預(yù)報(bào)與數(shù)值模型計(jì)算預(yù)報(bào)試驗(yàn)的分析研究結(jié)果通過(guò)進(jìn)行的對(duì)比和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此處2種試驗(yàn)分別采取的數(shù)值模型和計(jì)算模型預(yù)報(bào)的策略組合均是具有顯著地較高的數(shù)值建模的數(shù)值分析的可靠的性能要求和數(shù)值模擬和計(jì)算的預(yù)報(bào)的精確性，在多向低仰角條件下，全速旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型的開(kāi)放性，能可以得到更高準(zhǔn)確的數(shù)值分析和預(yù)報(bào)[2]。

可得推導(dǎo)出在多偏角（0°，±5°，±10°）的全轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下螺旋槳的模型、各種水動(dòng)力系數(shù)和隨動(dòng)速度曲線的數(shù)值分布。

1）導(dǎo)管推力系數(shù)均為Kza、螺旋槳推力系數(shù)為Kr，而推進(jìn)單元的推力系數(shù)均為KTm，扭矩系數(shù)均為10 K。當(dāng)前隨著螺旋槳進(jìn)速量系數(shù)的階段性增大而產(chǎn)生明顯的遞減趨勢(shì)。其中：KT和10 K在全進(jìn)速區(qū)間范圍內(nèi)隨進(jìn)速增大而呈下降趨勢(shì)的速度值，相比變動(dòng)速度趨勢(shì)曲線表現(xiàn)較為平緩，變化的幅度范圍也沒(méi)有過(guò)大的波段影響（例如Kz，變化的速度范圍一般分別僅為0.2～0.3，10K的變化頻率范圍為0.3～0.5)；而KTra和Krw，在全進(jìn)速變化區(qū)間內(nèi)以及隨著全進(jìn)速量的下降變化過(guò)程中速度趨勢(shì)在數(shù)值分析上內(nèi)容處理流程復(fù)雜且數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，變化的數(shù)值范圍也較為廣泛（Kna變化范圍為0～0.3，KTw變化范圍為0～10.5)。

2）敞水效率z。在各種傾斜情況下，曲線的開(kāi)度 n曲線應(yīng)該是在速度因子J小于0的情況下，計(jì)算曲線值未達(dá)到的峰值時(shí)曲線所實(shí)際對(duì)應(yīng)的峰值，

2.2 進(jìn)速、偏轉(zhuǎn)角對(duì)水動(dòng)力性能影響分析

從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇最為平均、代表性強(qiáng)的試驗(yàn)特征的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要的數(shù)值有：0.5 m/s，1.5 m/s，2.5 m/s（對(duì)應(yīng)進(jìn)速系數(shù)J分別為0.136，0.408，0.680），根據(jù)模型所示的各進(jìn)速工況作用力下形成的全速回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型各偏轉(zhuǎn)角工況下，對(duì)下水動(dòng)力系數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果對(duì)敞水動(dòng)力系數(shù)變化產(chǎn)生的數(shù)值影響進(jìn)行全面性的計(jì)算及分析，得出螺旋槳進(jìn)速及對(duì)螺旋槳敞水動(dòng)力系數(shù)的綜合數(shù)值。

計(jì)算給出螺旋槳最大進(jìn)速量達(dá)到了0.136 m，0.408 m，0.680 m時(shí)，這些數(shù)值在螺旋槳偏轉(zhuǎn)角力的條件限制下可得出的螺旋槳推力系數(shù)為Kp，推進(jìn)單元的推力系數(shù)為KT，導(dǎo)管單元推力系數(shù)為Krua，扭矩系數(shù)為10K。及螺旋槳敞水效率系數(shù)為n。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

為了能夠讓計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，特此采用J=0.087，即水流速度v=1 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速180 r/min的基本條件下，不同回轉(zhuǎn)角度條件下，可產(chǎn)生不同的水流速度，而各個(gè)速度所表示的轉(zhuǎn)速范圍就如圖4所示的水動(dòng)力學(xué)性能曲線。

圖4 某型推進(jìn)器全回轉(zhuǎn)推力系數(shù)測(cè)試值

可以看出，開(kāi)闊水域中的效率n有改變的趨勢(shì)，當(dāng)返回角為180°時(shí)，效率達(dá)到最大值0.197。圖5顯示了外國(guó)機(jī)構(gòu)使用六分量天平測(cè)量全旋轉(zhuǎn)螺旋槳在360°旋轉(zhuǎn)時(shí)推力系數(shù)的變化曲線。

圖5 螺旋槳坐標(biāo)系xoy′下的水動(dòng)力學(xué)性能曲線

通過(guò)比較，圖4所示的計(jì)算結(jié)果與圖5所示的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。在全曲柄推力條件下，Kr線呈現(xiàn)“雙峰一谷”的變化趨勢(shì)，在180°處有1個(gè)谷底，在120°和240°附近各有1個(gè)峰值。

圖6中表明了返回角為120°時(shí)螺旋槳表面所顯示的壓力分布數(shù)值。從表1可以得出，坐標(biāo)系中的xoy坐標(biāo)在旋轉(zhuǎn)度數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?20°的前提下，螺旋槳的推力輸出值會(huì)達(dá)到當(dāng)前性能參數(shù)的最大值877.694 kn。在這個(gè)時(shí)候，葉片表面的推力、吸力面的壓強(qiáng)差值會(huì)達(dá)到頂峰數(shù)值，導(dǎo)致葉片上形成較大張力。

圖6 回轉(zhuǎn)角為120°時(shí)槳葉表面壓力分布

表1 不同回轉(zhuǎn)角下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)

3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的數(shù)值模擬難度

1）旋轉(zhuǎn)螺旋槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含許多部件（如螺旋槳、導(dǎo)管、吊艙和導(dǎo)向翼）；由于相關(guān)的部件與周?chē)h(huán)境流場(chǎng)所產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，為確保水動(dòng)力系數(shù)在數(shù)值計(jì)算分析方面的準(zhǔn)確無(wú)誤，必須仔細(xì)考慮數(shù)值計(jì)算區(qū)域內(nèi)的形狀大小、網(wǎng)格劃分方法以及湍流模型等數(shù)據(jù)計(jì)算策略。

2）旋轉(zhuǎn)螺旋槳斜流狀態(tài)在數(shù)值模擬階段較為困難，主要的操作難點(diǎn)就在于選用何種方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。并在符合實(shí)際測(cè)試情況的前提下，設(shè)置適當(dāng)?shù)亩嗥浅叽?，以確保計(jì)算域中輸入和輸出軌跡的質(zhì)量能夠保持模型數(shù)值不變；同時(shí)需要特別考慮邊界條件的定義和求解方法。

根據(jù)斜流條件的數(shù)值計(jì)算策略，本文針對(duì)全回轉(zhuǎn)螺旋漿在多偏角條件下的水動(dòng)力性能實(shí)施情況進(jìn)行了數(shù)值的模擬；除此之外，為了保證數(shù)值的真實(shí)性，在某運(yùn)輸科學(xué)研究所，針對(duì)拖曳水池進(jìn)行了全回轉(zhuǎn)螺旋槳在多偏角的限制條件下進(jìn)行敞水模型實(shí)驗(yàn)，并以此作為基礎(chǔ)繪制了性能曲線；最終，通過(guò)具體數(shù)值的真實(shí)情況模擬試驗(yàn)結(jié)果，分析得出了當(dāng)前螺旋槳在多轉(zhuǎn)角條件限制下的敞水動(dòng)力特性參數(shù)?？偠灾?，在不同的推進(jìn)速率范圍內(nèi)，多偏角會(huì)影響到全回轉(zhuǎn)螺旋槳水動(dòng)力的影響規(guī)律，以及相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)變化趨勢(shì)及重力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述試驗(yàn)與計(jì)算，可得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)采取科學(xué)合理的試驗(yàn)手段，通過(guò)多種數(shù)值優(yōu)化與計(jì)算域模擬求解，經(jīng)由策略的組合應(yīng)用策略，針對(duì)模型試驗(yàn)的技術(shù)應(yīng)用以及現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)算結(jié)果得出：其具備較高的性能水平且實(shí)際的應(yīng)用可靠性。

2）在各偏轉(zhuǎn)仰角工況狀態(tài)下，水動(dòng)力系數(shù)值均會(huì)隨著進(jìn)速的實(shí)際參數(shù)的絕對(duì)值的不斷增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中：Kz與10 K的系數(shù)的下降趨勢(shì)趨向平穩(wěn)，而且變化的曲線較??；而Krua和Kr的下降的趨勢(shì)卻較劇烈，變化的范圍則較大；曲線速度應(yīng)在曲線J值約為曲線正負(fù)差0.5倍左右時(shí)就可以達(dá)到整個(gè)曲線的最高峰值。

3）在不同的推進(jìn)條件下，各種水動(dòng)力系數(shù)的速度和變化趨勢(shì)曲線以及后續(xù)軸偏角的系數(shù)曲線也基本上反映了同時(shí)增加、減少、幾乎呈錐形和斷裂的線型。推進(jìn)系數(shù)的V值在不同方向上也有相同程度的變化，各種水動(dòng)力系數(shù)的數(shù)值變化和速度趨勢(shì)變化的各種值隨偏角和重力的方向和數(shù)值趨勢(shì)變化的程度大小上的十分重要的影響。