四槳船舶螺旋槳差異化設(shè)計(jì)

葉禮裕， 常欣， 孫帥， 王超， 張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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四槳船舶螺旋槳差異化設(shè)計(jì)

葉禮裕， 常欣， 孫帥， 王超， 張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了減小四槳船舶內(nèi)外槳的負(fù)荷差，本文建立了一套螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)方法?；诼菪龢睦碚撛O(shè)計(jì)方法進(jìn)行了內(nèi)外槳的初始化設(shè)計(jì)，并采用CFD技術(shù)和等推力法，預(yù)報(bào)船槳一體的總推力減額分?jǐn)?shù)和內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)。結(jié)合螺旋槳理論設(shè)計(jì)方法和面元法，形成了一套螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)。并以某四槳船舶方案為例，在最大航速工況下，應(yīng)用本文的方法開(kāi)展內(nèi)外槳的差異化設(shè)計(jì)，并對(duì)不同航速下的螺旋槳差異化設(shè)計(jì)效果進(jìn)行分析。研究表明：在最大設(shè)計(jì)航速下，內(nèi)外差異化設(shè)計(jì)槳的總推力滿足設(shè)計(jì)要求，負(fù)荷差由初步設(shè)計(jì)時(shí)的11.9%減小為0.61%左右，而且在18節(jié)和25節(jié)航速下的負(fù)荷差也分別由初步設(shè)計(jì)時(shí)的13.8%與13.3%減少到5.65%與3.68%。應(yīng)用本文方法可有效地減小內(nèi)外槳的負(fù)荷差，為四槳船舶螺旋槳設(shè)計(jì)提供了新思路。

四槳船舶；螺旋槳；初步設(shè)計(jì)；差異化設(shè)計(jì)；負(fù)荷差；等推力法；船舶阻力；干擾因子

近幾年來(lái)，隨著航運(yùn)的發(fā)展，船舶航速、噸位以及主機(jī)功率不斷增加，對(duì)槳的推進(jìn)系統(tǒng)要求越來(lái)越高，出現(xiàn)了兩槳一舵、四槳兩舵等推進(jìn)和操縱系統(tǒng)的船舶。通常，螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力克服船舶航行阻力使船舶保持一定航速，主機(jī)與螺旋槳匹配不合理則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上不去、航速達(dá)不到、主機(jī)超負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)拉缸等嚴(yán)重問(wèn)題。特別對(duì)于多槳多舵船舶，一般不會(huì)針對(duì)不同的槳選擇不同的主機(jī)，因此需要考慮不同槳之間的負(fù)荷均衡問(wèn)題，如對(duì)于四槳工作的船舶而言，若內(nèi)外槳間的負(fù)荷差過(guò)大，會(huì)造成內(nèi)槳超負(fù)荷，外槳低負(fù)荷，使得內(nèi)槳主機(jī)超負(fù)荷工作，外槳主機(jī)功率不能被充分的利用，影響船機(jī)槳的匹配，不利于主機(jī)的使用壽命和獲得高效的推進(jìn)性能與經(jīng)濟(jì)效益。只有降低螺旋槳之間的負(fù)荷差，才能達(dá)到內(nèi)外槳間的負(fù)荷均衡以及螺旋槳和主機(jī)的合理匹配要求，這既能充分利用主機(jī)的功率，又能在運(yùn)轉(zhuǎn)工況內(nèi)主機(jī)功率不超過(guò)允許范圍，實(shí)現(xiàn)船機(jī)槳的合理匹配，獲得高效的推進(jìn)性能、經(jīng)濟(jì)性和較長(zhǎng)的使用壽命。

盡管越來(lái)越多的水面艦船采用多槳推進(jìn)，但是多槳船的螺旋槳設(shè)計(jì)仍然依據(jù)單槳船的螺旋槳設(shè)計(jì)方法，然后根據(jù)船模試驗(yàn)或?qū)嵈嚭降慕Y(jié)果進(jìn)行不同程度的修正。這主要由于當(dāng)前缺少可供參考多槳船的螺旋槳設(shè)計(jì)方法，即使是相關(guān)的教材和螺旋槳設(shè)計(jì)的手冊(cè)中還都依然給出的是單槳船的螺旋槳設(shè)計(jì)方法。特別是四槳推進(jìn)設(shè)計(jì)方面，可供參考的論文不多。Labberton考慮四槳艦船用相同尺度的螺旋槳引起不同軸系所需要的功率差異，提出了一種更改螺距比的設(shè)計(jì)方法[1]。Kawakam等對(duì)比六組分布不同的三槳船模試驗(yàn)結(jié)果，得出兩只邊槳內(nèi)旋所需要的功率最小[2]。Carey提出了電力推進(jìn)的固定螺距的三槳推進(jìn)系統(tǒng)[3]。周斌等開(kāi)展了四槳兩舵大型船舶螺旋槳的面元法設(shè)計(jì)研究[4]。王展智等以四槳水面艦船為研究對(duì)象，研究了螺旋槳不同的縱向和橫向位置分布，以及舵的位置變化對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響[5]。畢俊穎將多槳干擾因子引入到四槳推進(jìn)的航空母艦的螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)中，并分別針對(duì)外槳在前、內(nèi)槳在后和外槳在后、內(nèi)槳在前兩種不同的縱向分布進(jìn)行了螺旋槳的設(shè)計(jì)和比較分析[6]。

為了更加有效地減小內(nèi)外槳的負(fù)荷差，擬在充分考慮內(nèi)外槳工作環(huán)境不同的前提下，建立一套四槳船舶的螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)方法。該方法并未改變船尾伴流場(chǎng)，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)外槳不同幾何外形，達(dá)到減小內(nèi)外槳負(fù)荷差的目的，設(shè)計(jì)過(guò)程是在最大航速工況下進(jìn)行的，在其他航速工況下，內(nèi)外槳負(fù)荷均衡的效果也將進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 設(shè)計(jì)的方法和步驟

對(duì)于四槳船舶螺旋槳設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不僅要考慮螺旋槳與船體之間的干擾，而且要考慮螺旋槳與螺旋槳之間的相互干擾。雖然采用船模試驗(yàn)獲得船槳一體的干擾因子比較精確，可信度高，但是耗費(fèi)成本很高?，F(xiàn)階段，CFD技術(shù)發(fā)展迅速，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始將CFD技術(shù)應(yīng)用到船舶領(lǐng)域當(dāng)中[7-8]。本文在螺旋槳的差異化設(shè)計(jì)之前，進(jìn)行了螺旋槳的初始化理論設(shè)計(jì)，并結(jié)合CFD技術(shù)和等推力法，預(yù)報(bào)船槳一體的總阻力、總推力減額分?jǐn)?shù)和內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)。這里螺旋槳初始化設(shè)計(jì)得到的內(nèi)外槳的形狀是一樣的。然后，將初始化設(shè)計(jì)階段計(jì)算出的內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)引入到螺旋槳的差異化設(shè)計(jì)中，可使得最終的內(nèi)外設(shè)計(jì)槳的水動(dòng)力性能、空泡、噪聲和強(qiáng)度更加滿足工程要求。

本文旨在針對(duì)四槳船舶，形成一種螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)方法，包含了螺旋槳的初始化設(shè)計(jì)和差異化設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。需要強(qiáng)調(diào)的是文中的設(shè)計(jì)方法與一般的設(shè)計(jì)方法有所不同，主要考慮預(yù)報(bào)內(nèi)外槳推力減額難度較大或者說(shuō)工作量比較大，本文提出的設(shè)計(jì)方法避免了求解內(nèi)外槳的推力減額，通過(guò)初始化設(shè)計(jì)一個(gè)螺旋槳，并結(jié)合CFD技術(shù)預(yù)報(bào)了帶自由液面的船槳一體時(shí)的船體阻力。然后，再差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳，只要內(nèi)外總推力和船槳一體的阻力達(dá)到平衡時(shí)，即可達(dá)到相應(yīng)的航速。另外，為了使得在相同轉(zhuǎn)速下，內(nèi)外槳消耗的主機(jī)功率相同，需要對(duì)螺旋槳的升力線和升力面設(shè)計(jì)程序進(jìn)行調(diào)整。該螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)方法的內(nèi)涵是：結(jié)合CFD船舶實(shí)尺度數(shù)值仿真預(yù)報(bào)方法，考慮四槳船舶內(nèi)外槳工作環(huán)境的不同，借助螺旋槳升力線和升力面設(shè)計(jì)方法，以減小內(nèi)外槳負(fù)荷差為目的，分別為內(nèi)外槳設(shè)計(jì)螺旋槳。

本文螺旋槳差異化設(shè)計(jì)方法在編程的過(guò)程中借鑒了優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些思想。以減小內(nèi)外槳負(fù)荷差以及減小內(nèi)外槳總推力與船體阻力差為目的，對(duì)升力線中的輸入?yún)?shù)，如推力、空泡裕度等參數(shù)隨機(jī)調(diào)整，直到得到目標(biāo)螺旋槳槳。螺旋槳差異化設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。螺旋槳的差異化設(shè)計(jì)的具體步驟如下：

1)由CFD方法計(jì)算出裸船體阻力，根據(jù)相關(guān)資料和以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)引入伴流分?jǐn)?shù)和總推力減額分?jǐn)?shù)，基于螺旋槳升力線和升力面方法開(kāi)展螺旋槳初始化設(shè)計(jì)。

2)將初始化設(shè)計(jì)槳安裝于船后，由CFD方法計(jì)算出船槳一體的內(nèi)外槳水動(dòng)力性能及船體阻力，根據(jù)等推力法預(yù)報(bào)內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)，確立船槳一體的總推力減額。

3)根據(jù)艦艇的船型特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，以及螺旋槳的側(cè)斜、縱傾的選擇原則，初步選擇設(shè)計(jì)槳的側(cè)斜和縱傾分布。

4)將螺旋槳初始化設(shè)計(jì)階段得到的內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)和船槳一體的總阻力引入到螺旋槳差異化設(shè)計(jì)中，分別設(shè)定內(nèi)外設(shè)計(jì)槳的升力線輸入?yún)?shù)，包括螺旋槳轉(zhuǎn)速、直徑，推力、螺旋槳收到的馬力、伴流分?jǐn)?shù)等，用升力線設(shè)計(jì)程序確定內(nèi)外槳的弦長(zhǎng)、厚度以及徑向的環(huán)量分布。以升力線設(shè)計(jì)螺旋槳相關(guān)結(jié)果作為升力面的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，基于升力面方法分別確定設(shè)計(jì)螺旋槳的螺距和拱度分布、以及拱弧面，分別開(kāi)展內(nèi)槳和外槳的升力面設(shè)計(jì)。

5)采用定常面元法分別預(yù)報(bào)內(nèi)外設(shè)計(jì)槳的水動(dòng)力性能，判斷內(nèi)外設(shè)計(jì)槳的總推力和負(fù)荷差是否滿足要求。若滿足要求，結(jié)束設(shè)計(jì)，否則修改設(shè)計(jì)參數(shù)，重復(fù)步驟4)、5)。

6)基于CFD方法，對(duì)螺旋槳差異化設(shè)計(jì)效果進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖1 螺旋槳差異化設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of the differential propeller design

2 設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)例

2.1 船體模型及裸船體阻力預(yù)報(bào)

參照美國(guó)核動(dòng)力航母公開(kāi)的資料[9-10]，課題組從減小船體阻力出發(fā)設(shè)計(jì)了一艘四槳高速船舶方案。通過(guò)Fortran編程生成船體外形數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將其導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行船體幾何模型建立，其主參數(shù)和外形如表1所示。該船采用4軸推進(jìn)，假定總功率為161 809.9 kW，每個(gè)軸對(duì)應(yīng)的主機(jī)額定功率為40 452.5 kW，取功率儲(chǔ)備10%，軸系效率為0.97。

表1 船體幾何模型參數(shù)

螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)其推力需滿足船體最大航速需要，所以對(duì)30 kn最大航速下實(shí)尺度船體阻力的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)是非常重要的。以37為縮尺比，在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池對(duì)該船進(jìn)行了系列的靜水阻力實(shí)驗(yàn)。其中，測(cè)得2.537 m/s(對(duì)應(yīng)實(shí)船30 kn)下的船模阻力為134.96 N，換算成實(shí)船總阻力為4.899×106N。

基于CFD計(jì)算對(duì)船舶水動(dòng)力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，由于船體左右對(duì)稱，所以取其一半進(jìn)行計(jì)算，可以節(jié)省大量計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間。為了換算出實(shí)尺度船體興波阻力值，必須計(jì)算得到船模尺度下的興波阻力。而船模興波阻力值可以分別計(jì)算出考慮自由液面時(shí)的船體阻力和僅考慮水線以下船體部分時(shí)的船體阻力，然后相減獲得。最后計(jì)算得2.537 m/s(對(duì)應(yīng)實(shí)船30 kn)下的船模粘性阻力為109.286 N，興波阻力為27.269 N。根據(jù)休斯觀點(diǎn)，船體興波阻力僅和傅汝德數(shù)有關(guān)，故實(shí)船興波阻力可由模型換算得到，而尺度效應(yīng)主要是與雷諾數(shù)有關(guān)，影響粘性阻力的計(jì)算準(zhǔn)確度，所以實(shí)船計(jì)算時(shí)忽略自由液面的計(jì)算方法是可行，能大大簡(jiǎn)化計(jì)算難度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。為了獲得最大航速時(shí)的船體阻力，可先進(jìn)行實(shí)船水線以下部分粘性阻力計(jì)算，然后加上由模型換算得到的興波阻力即可。計(jì)算公式如下[11]

Ris=Rus+α3Rwm

(1)

式中：Ris為實(shí)船總阻力，Rus為實(shí)船粘性阻力，α為縮尺比等于37，Rwm為船模興波阻力。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，由表中數(shù)據(jù)可知30kn航速時(shí)實(shí)船總阻力計(jì)算值比試驗(yàn)換算值要大4.18%，雖然存在一定的差異，但誤差在5%以內(nèi)可以接受，這說(shuō)明了本文CFD方法預(yù)報(bào)船體阻力是準(zhǔn)確可行的。

表2 實(shí)尺度裸船體阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果(30 kn航速)

Table 2 Numerical calculation of the resistance of bare hull in real scale (30 kn)

參數(shù)計(jì)算值實(shí)船粘性阻力/N3.778×106船模興波阻力/N26.36實(shí)船興波阻力/N1.326×106實(shí)船總阻力/N5.08×106阻力試驗(yàn)換算值/N4.899×106誤差/%4.18%

2.2 螺旋槳初始化設(shè)計(jì)及船槳干擾因子預(yù)報(bào)

內(nèi)外槳初始化設(shè)計(jì)采用的是同一設(shè)計(jì)參數(shù)，因此設(shè)計(jì)得到的內(nèi)外槳的幾何外形是相同的，設(shè)計(jì)參數(shù)的確定過(guò)程如下：

1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定設(shè)計(jì)槳的直徑為5.3 m。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速200 r/min下，4只螺旋槳需產(chǎn)生足夠推力使船舶的航速能夠達(dá)到30 kn，并且在該條件下內(nèi)外槳的負(fù)荷差要盡量小，設(shè)計(jì)槳需符合高效、低空泡和低噪聲的要求；

2)從減小螺旋槳引起的振動(dòng)噪聲來(lái)看，將初始化設(shè)計(jì)槳的側(cè)斜角度設(shè)定為30°。從減小螺旋槳引起的脈動(dòng)壓力角度看，為增加內(nèi)外槳葉梢與船艉的間隙，將其縱傾角設(shè)定為10°；

3)由2.1節(jié)可知，由CFD預(yù)報(bào)的實(shí)尺度裸船體在航速30節(jié)的條件下總阻力為5.104×106N，根據(jù)相關(guān)資料和文獻(xiàn)[6-12]，引入總推力減額分?jǐn)?shù)為0.07，由下式確立該船舶的4只螺旋槳在轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下產(chǎn)生的總推力為5.104×106N，也就是說(shuō)內(nèi)外槳產(chǎn)生的總推力(半船總推力)為2.552×106N，最終將單只初始化設(shè)計(jì)槳所要產(chǎn)生的推力確立為1.276×106N。

(2)

4)根據(jù)文獻(xiàn)[6-12]，引入該船舶的伴流分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)為0.069。根據(jù)下式確立初始化設(shè)計(jì)槳的設(shè)計(jì)進(jìn)速為0.813。

(3)

總結(jié)以上螺旋槳初始化設(shè)計(jì)要求，給出了螺旋槳初始化設(shè)計(jì)槳的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，如表3所示。

表3 初始化設(shè)計(jì)槳的設(shè)計(jì)參數(shù)

將表3作為內(nèi)外槳的升力線的設(shè)計(jì)條件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)設(shè)計(jì)槳的梢部進(jìn)行卸載，使其對(duì)減小梢渦有利。通過(guò)螺旋槳的理論設(shè)計(jì)方法，得到初始化設(shè)計(jì)槳的主要參數(shù)如表4所示。初始化設(shè)計(jì)槳的輪廓圖如圖2所示。面元法計(jì)算初始化設(shè)計(jì)槳的敞水性能如圖3所示。

表4 初始化設(shè)計(jì)槳的主要參數(shù)

圖2 初始化設(shè)計(jì)槳的輪廓圖Fig.2 Profile of initialized design propeller

將初始化設(shè)計(jì)槳和船體進(jìn)行匹配，開(kāi)展船槳一體水動(dòng)力性能計(jì)算，對(duì)內(nèi)外槳負(fù)荷差進(jìn)行計(jì)算，為下一步內(nèi)外槳差異化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。船槳一體尾部網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格總數(shù)為1 650萬(wàn)。表5所示為最大航速30 kn時(shí)船體阻力和船后螺旋槳性能計(jì)算結(jié)果，從表中數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)外槳的總推力與半船總阻力相差較小，初始化設(shè)計(jì)槳的推力滿足要求。內(nèi)外槳負(fù)荷差的負(fù)荷差按下式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算可知內(nèi)外槳負(fù)荷差異明顯，內(nèi)槳負(fù)荷要比外槳負(fù)荷重11.2%。

(4)

式中：ε為內(nèi)外槳負(fù)荷差，Qn為內(nèi)槳轉(zhuǎn)矩，Qw為外槳轉(zhuǎn)矩。

圖3 初始化設(shè)計(jì)槳的敞水性能曲線Fig.3 Open water performance curve of initialized design propeller

圖4 船體和螺旋槳網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh of hull and propeller

表5 船體阻力和船后螺旋槳性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果(30 kn，初始化設(shè)計(jì)槳)

Table 5 Numerical calculation of hull resistance and propeller performance (30 kn，initial design propeller)

參數(shù)計(jì)算值半船粘性阻力/N2.081×106半船興波阻力/N0.663×106實(shí)船興波阻力/N2.746×106內(nèi)后槳推力/N1.511×106內(nèi)后槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.345×106外前槳推力/N1.182×106外前槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.194×106內(nèi)外槳總推力/N2.69×106內(nèi)外槳負(fù)荷差/%11.9

由上述計(jì)算得到，在航速為30 kn工況下，基于CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船槳一體的總阻力RZ為5.492×106N。由下式計(jì)算出，船槳一體的總推力減額分?jǐn)?shù)為0.070 2。

(6)

在初始化設(shè)計(jì)槳的敞水性能曲線上，分別由內(nèi)外槳的推力系數(shù)插值得到對(duì)應(yīng)的進(jìn)速系數(shù)，分別為0.790 9和0.872 2；由式(3)計(jì)算得預(yù)報(bào)出內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)分別為0.099和0.006。

由以上可知，從量級(jí)上來(lái)看本文預(yù)報(bào)得到四槳船舶內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)以及推力減額與文獻(xiàn)[12]給出的結(jié)果還是比較接近的，驗(yàn)證了本文開(kāi)展CFD實(shí)船數(shù)值預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性。

2.3 螺旋槳差異化設(shè)計(jì)

內(nèi)外槳設(shè)計(jì)總要求：內(nèi)外槳直徑都為5.3 m。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速200 r/min下，船的航速要達(dá)到30 kn。由上述計(jì)算可知，CFD預(yù)報(bào)實(shí)尺度船槳一體在30節(jié)航速下的半船總阻力為2.746×106N。根據(jù)作者在CFD預(yù)報(bào)方面的經(jīng)驗(yàn)，螺旋槳的幾何參數(shù)在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)船槳一體的船體阻力值不會(huì)有較大的影響，因此要達(dá)到30 kn的航速，內(nèi)外槳在200 r/min時(shí)產(chǎn)生總推力應(yīng)略大于2.746×106N。且在該條件下，內(nèi)外槳的負(fù)荷差要盡量小，設(shè)計(jì)槳要符合高效、低空泡和低噪聲的要求。

內(nèi)外槳差異化設(shè)計(jì)分析：由于內(nèi)槳的伴流分?jǐn)?shù)要高于外槳，從減小螺旋槳引起的振動(dòng)噪聲來(lái)看，內(nèi)槳的側(cè)斜角度應(yīng)比外槳大，內(nèi)槳的盤(pán)面比也應(yīng)比外槳大；從船的三維模型中量得內(nèi)槳槳軸與船體的間隙要小于外槳，從減小螺旋槳引起的脈動(dòng)壓力角度看，內(nèi)槳的縱傾應(yīng)比外槳大，以增大內(nèi)槳葉梢與船艉的間隙；由于內(nèi)外槳的運(yùn)轉(zhuǎn)條件不同，為達(dá)到減小負(fù)荷差的目的，內(nèi)外槳的螺距、拱度、厚度以及翼型剖面也應(yīng)不同。考慮到強(qiáng)度條件，由于內(nèi)槳的盤(pán)面比、側(cè)斜和縱傾要設(shè)計(jì)得高于外槳，在轉(zhuǎn)速相同的情況下內(nèi)槳的應(yīng)力水平要明顯高于外槳。那么，為保證內(nèi)槳槳葉與外槳有相同的強(qiáng)度特性，內(nèi)槳的槳葉厚度應(yīng)設(shè)計(jì)得高于外槳。內(nèi)外槳的盤(pán)面比、螺距、拱度、厚度以及翼型剖面的不同可以通過(guò)在升力線和升力面設(shè)計(jì)程序輸入不同的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)控制。由于目前螺旋槳理論設(shè)計(jì)方法還無(wú)法設(shè)計(jì)螺旋槳的側(cè)斜和縱傾進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此側(cè)斜和縱傾需要通過(guò)定性分析得到，比如對(duì)伴流場(chǎng)和船槳間隙分析。

總結(jié)以上內(nèi)外槳的設(shè)計(jì)要求，采用本文所開(kāi)發(fā)的螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)，開(kāi)展內(nèi)外槳的差異化設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)槳的梢部進(jìn)行卸載，使其對(duì)減小梢渦有利。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足內(nèi)外槳設(shè)計(jì)的總要求，螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，直至設(shè)計(jì)結(jié)果滿足迭代結(jié)束。當(dāng)然，為了避免出現(xiàn)槳的形狀定性的分析結(jié)果，也對(duì)幾何參數(shù)范圍進(jìn)行了限定。最終確定內(nèi)外槳的設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。

表6 內(nèi)外槳幾何參數(shù)

最終設(shè)計(jì)得到內(nèi)外槳的主要參數(shù)如表7所示，內(nèi)外槳的外形輪廓圖如圖5所示。由表7可知，內(nèi)外槳設(shè)計(jì)盤(pán)面比較大，對(duì)減小空泡、噪聲有利。 而且內(nèi)外槳的葉根和葉梢處的螺距比較小、弦長(zhǎng)比較大，這對(duì)減小梢渦和轂渦有利。

表7 內(nèi)外槳的幾何參數(shù)

圖5 內(nèi)外槳設(shè)計(jì)的外輪廓圖Fig.5 Profile of inner and outside design propeller

基于定常面元法計(jì)算內(nèi)外槳的敞水性能如圖6所示。由圖6可知，內(nèi)槳在設(shè)計(jì)點(diǎn)的的效率可達(dá)到0.672，最大效率達(dá)到0.68。在轉(zhuǎn)速為200 r/min工況下，可產(chǎn)生1 470 612.0 N的推力，轉(zhuǎn)矩為1 360 308 N·m，所需功率為38 781.05 kW。假設(shè)主機(jī)傳送效率為0.95且主機(jī)有10%的功率儲(chǔ)備，得到主機(jī)發(fā)出的功率不得低于45 357.95 kW，未超過(guò)主機(jī)的額定功率5.5萬(wàn)kW。外槳在設(shè)計(jì)點(diǎn)的的效率可達(dá)到0.676，最大效率達(dá)到0.68。在轉(zhuǎn)速為200 r/min工況下，可產(chǎn)生1 340.409 N的推力，轉(zhuǎn)矩為1.368×106kW，所需功率為28 523.45 kW。假設(shè)主機(jī)傳送效率為0.95且主機(jī)有10%的功率儲(chǔ)備，得到主機(jī)發(fā)出的功率不得低于33 487.04 kW，未超過(guò)主機(jī)的額定功率40 452.5 kW。

圖6 外槳敞水性能曲線Fig.6 Open water performance curves of outside propeller

3 設(shè)計(jì)效果分析

3.1 基于勢(shì)流理論的差異化設(shè)計(jì)槳效果分析

基于勢(shì)流理論計(jì)算了差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳在轉(zhuǎn)速200 r/min且伴流分?jǐn)?shù)下的推力與轉(zhuǎn)矩值，如表8所示。由表8可知，內(nèi)外槳產(chǎn)生的總推力為2.811×106N，大于設(shè)計(jì)條件要求的2.745×106N，推力滿足要求。內(nèi)外槳的負(fù)荷差為0.58%，可見(jiàn)通過(guò)螺旋槳差異化設(shè)計(jì)達(dá)到了減小負(fù)荷差的目的。在考慮到主機(jī)功率儲(chǔ)備和軸系效率條件下，內(nèi)槳要求主機(jī)發(fā)出的功率不得低于33 360.76 kW，外槳要求主機(jī)發(fā)出的功率不得低于33 487.04 kW，內(nèi)外槳所需的主機(jī)發(fā)出功率均未超過(guò)主機(jī)的額定功率44 452.5 kW。

表8 差異化設(shè)計(jì)效果

3.2 基于CFD計(jì)算的差異化設(shè)計(jì)槳的效果分析

3.2.1 最大航速下差異化效果

將差異化內(nèi)外設(shè)計(jì)槳和船體進(jìn)行匹配，采用CFD方法開(kāi)展船槳一體水動(dòng)力性能計(jì)算。表9所示為最大航速30 kn、轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，船體阻力和船后螺旋槳的性能計(jì)算結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，內(nèi)外槳總推力略大于船體阻力，推力滿足航速要求。2.2節(jié)計(jì)算得到初始化設(shè)計(jì)槳的內(nèi)外槳的負(fù)荷差為11.9%。與初始化設(shè)計(jì)槳相比，差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳負(fù)荷差減小到了0.61%?？梢?jiàn)，通過(guò)螺旋槳差異化設(shè)計(jì)，在內(nèi)外槳總推力滿足要求的條件下，達(dá)到了減小內(nèi)外槳的負(fù)荷差的效果。

表9 船體阻力和船后螺旋槳性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果(30 kn，差異化設(shè)計(jì)槳)

Table 9 Numerical calculation of hull resistance and propeller performance (30 kn， differential design propeller)

參數(shù)計(jì)算值半船粘性阻力/N2.139×106半船興波阻力/N0.663×106實(shí)船興波阻力/N2.803×106內(nèi)后槳推力/N1.47×106內(nèi)后槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.36×106外前槳推力/N1.341×106外前槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.368×106內(nèi)外槳總推力/N2.808×106內(nèi)外槳負(fù)荷差/%0.61

圖7和8分別是初始化設(shè)計(jì)槳和差異化設(shè)計(jì)的內(nèi)后槳和外前槳緊前方無(wú)量綱軸向速度云圖，二者速度分布基本一致，無(wú)明顯區(qū)別。由此可知，內(nèi)外槳差異化設(shè)計(jì)后，并沒(méi)有改變槳前伴流環(huán)境，內(nèi)外槳負(fù)荷差縮小主要是因?yàn)閮?nèi)外槳差異化得到結(jié)果。

3.2.2 其他航速下負(fù)荷分配情況分析

應(yīng)用上述差異化設(shè)計(jì)槳，開(kāi)展船舶方案在18 kn、24 kn航速下內(nèi)外槳負(fù)荷分配情況分析。本文通過(guò)面元法初步判定得到船舶在18 kn航速下對(duì)應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速為125 r/min；船舶在24 kn航速下對(duì)應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速為164 r/min。

圖7 無(wú)量綱軸向速度(30 kn，初始化設(shè)計(jì)槳)Fig.7 Non-dimensional axial velocity (30 kn， initiall design propeller)

圖8 無(wú)量綱軸向速度(30 kn，差異化設(shè)計(jì)槳)Fig.8 Non-dimensional axial velocity (30 kn， differential design propeller)

表10為航速18 kn、內(nèi)外槳125 r/min時(shí)以及航速24 kn、內(nèi)外槳164 r/min初始化設(shè)計(jì)槳和差異化設(shè)計(jì)槳的船體阻力和船后螺旋槳性能計(jì)算結(jié)果。

表10 船體阻力和船后螺旋槳性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果

Table 10 Numerical calculation of hull resistance and propeller performance

初始化設(shè)計(jì)槳差異化設(shè)計(jì)槳18kn24kn18kn24kn半船粘性阻力/N1.197×1061.818×1061.228×1061.849×106半船興波阻力/N0.105×1060.105×1060.207×1060.200×106半船總阻力/N1.302×1061.333×1062.025×1062.055×106內(nèi)后槳推力/N0.725×1060.701×1061.219×1061.16×106內(nèi)后槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.69×1060.653×1061.168×1061.148×106外前槳推力/N0.583×1060.665×1060.957×1061.136×106外前槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.601×1060.691×1061.022×1061.191×106內(nèi)外槳總推力/N1.309×1061.365×1062.175×1062.296×106內(nèi)外槳負(fù)荷差/%13.85.6513.33.68

從表10可知，當(dāng)船速為18 kn時(shí)，初始化和差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳總推力均大于船體阻力，滿足航速要求。但是，初始化設(shè)計(jì)槳的內(nèi)外槳的負(fù)荷差為13.8%，而差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳負(fù)荷差減小為5.65%。當(dāng)船速為24 kn時(shí)，初始化和差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳總推力均大于船體阻力，滿足航速要求。但是，初始化設(shè)計(jì)槳的內(nèi)外槳的負(fù)荷差為13.3%，而差異化設(shè)計(jì)內(nèi)外槳負(fù)荷差減小為3.68%。

綜上所述，通過(guò)螺旋槳的差異化設(shè)計(jì)控制四槳船舶負(fù)荷均衡是可行的，在一定的航速范圍內(nèi)內(nèi)外槳的負(fù)荷差均得到有效的控制。但是，差異化設(shè)計(jì)槳在18節(jié)、24節(jié)航速下螺旋槳負(fù)荷均衡的效果要比最大航速30節(jié)有所減小。

4 結(jié)論

1)基于CFD技術(shù)和等推力法，預(yù)報(bào)船槳一體的內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)，得到四槳船舶內(nèi)后槳的伴流分?jǐn)?shù)比外前槳的大。

2)在螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速一定的條件下，改變螺旋槳的幾何參數(shù)，對(duì)內(nèi)后槳和外前槳緊前方的伴流環(huán)境影響較小。

3)本文所建立的螺旋槳差異化理論設(shè)計(jì)方法是可行的，在最大設(shè)計(jì)航速下，內(nèi)外差異化設(shè)計(jì)槳的總推力滿足設(shè)計(jì)要求，負(fù)荷差由初步設(shè)計(jì)時(shí)的11.9%減小為0.61%左右，且在一定的航速范圍內(nèi)均達(dá)到了較好的負(fù)荷均衡效果。

目前，由公開(kāi)資料可知我國(guó)對(duì)四槳船舶推進(jìn)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)缺乏，本文對(duì)其螺旋槳差異化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，可提供有關(guān)部門(mén)作為四槳船舶螺旋槳設(shè)計(jì)的參考。由于本文只是在最大航速下開(kāi)展螺旋槳差異化設(shè)計(jì)的，其他航速下雖然取得了一定的負(fù)荷均衡效果，但負(fù)荷差依然較大。因此，有必要對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步改進(jìn)，開(kāi)展多工況下的四槳船舶螺旋槳差異化設(shè)計(jì)研究。

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Differential propeller design for four-propeller ship

YE Liyu， CHANG Xin， SUN Shuai， WANG Chao， ZHANG Hongyu

(College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

To reduce the load difference between the inside and outside propeller of a four-propeller ship， a differentiated theoretical design method on the propeller was developed. First， the initialized design on the inside and outside propeller was performed， the total thrust deduction fraction of the integrated ship and propeller and the wake fraction of the inside and outside propeller were predicted by applying CFD technology and the equal-thrust method; second， by combining the theoretical design method and panel method on the propeller， a differentiated theoretical design system on the propeller was established; and finally， taking a four-propeller ship as an example， the method in this paper was applied to perform a differentiated design on the inside and outside propeller at the maximum speed; in addition， the design effects at different navigation speeds were analyzed. The results show that the total thrust meets the design requirements， the load difference decreases from 11.9% at the preliminary design to 0.61%; moreover， the load difference decreases from 13.8% and 13.3% at the preliminary design to 5.65% and 3.68%， respectively， for navigation speeds of 18kn and 25kn. The method presented in this paper can decrease the load difference between inside and outside propellers, which provides a new idea for the design of four-propeller ships.

four-propeller ship; propeller; preliminary design; differentiated design; load difference; equal-thrust method; ship resistance; interference factor

2015-12-28.

日期：2017-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379040、51679052).

葉禮裕(1989-)， 男，博士研究生； 常欣(1978-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師; 張洪雨(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

常欣，E-mail: changxin@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu. 201512089

U661.31

A

1006-7043(2017)05-0668-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1031.008.html