斷葉螺旋槳水動(dòng)力特性分析及診斷應(yīng)用

胡光忠，胡以懷，陳彥臻，曾 存

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 201306)

0 引 言

船舶作為重要的水上交通運(yùn)輸工具，無(wú)論是在民用領(lǐng)域還是軍事領(lǐng)域都具有不可代替的地位和作用。而船舶螺旋槳作為船舶前進(jìn)的動(dòng)力源，其工作條件惡劣，受力復(fù)雜。在航行中往往因碰到水上漂浮物、發(fā)生擱淺或纏到纜繩導(dǎo)致螺旋槳意外事故發(fā)生，從而導(dǎo)致螺旋槳發(fā)生變形、折斷等故障。

近年來(lái)，隨著船舶大型化和船舶主機(jī)功率的提高，螺旋槳折斷事故日益增多。Puris-taylor 船舶螺旋槳研究所對(duì)螺旋槳斷槳故障做了大量的研究工作，除工作中碰上水上漂浮物和擱淺等意外事故造成槳葉折斷外，槳葉的斷裂主要與材料性能、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、鑄件質(zhì)量等因素有關(guān)，常見(jiàn)的有腐蝕疲勞引起螺旋槳槳葉斷裂、材料特性引起槳葉斷裂、螺旋槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理引起的槳葉斷裂等。螺旋槳的斷裂將影響整個(gè)推進(jìn)軸系的正常工作，因此對(duì)螺旋槳的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷尤為重要。但受螺旋槳水下工作條件的限制，監(jiān)測(cè)難度較大。傳統(tǒng)做法通常對(duì)螺旋槳進(jìn)行定期檢查來(lái)保證船舶的安全航行，但不能在船舶航行過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。孟昭玉[1]通過(guò)對(duì)螺旋槳軸油液的性能檢測(cè)、油液光譜分析等油液檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺旋槳軸的故障診斷與分析。黃輝等[2]提出了一種通過(guò)分析推進(jìn)電機(jī)定子電流的異常，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的螺旋槳進(jìn)行故障診斷。本文提出利用數(shù)值模擬法來(lái)獲取螺旋槳壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同故障工況下的時(shí)域波形和頻域波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳槳葉折斷故障的監(jiān)測(cè)和診斷。不但可以縮短實(shí)船試驗(yàn)時(shí)間，而且對(duì)螺旋槳故障診斷試驗(yàn)具有指導(dǎo)作用。

1 數(shù)值模型和計(jì)算方法

1.1 控制方程和湍流模型[3]

假定螺旋槳所在流場(chǎng)中流體是不可壓縮的，流體的連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為：

Realizable k-ε湍流模型引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，可專門用來(lái)表示旋轉(zhuǎn)的影響，這是Realizable kε湍流模型的特點(diǎn)之一，已經(jīng)有效應(yīng)用于各種類型的流動(dòng)模擬，包括旋轉(zhuǎn)剪切流、含有射流和混合流的自由流、管內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)及帶分離流動(dòng)等。

1.2 幾何模型

本文以上海海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育明輪”的定距螺旋槳為研究對(duì)象，進(jìn)行均勻流體中螺旋槳非定常水動(dòng)力性能的模擬。螺旋槳模型參數(shù)如表1 所示。

表1 螺旋槳模型參數(shù)Tab.1 Parameters of propeller model

圖1（a）是槳葉正常工作時(shí)螺旋槳幾何模型。為了模擬螺旋槳槳葉折斷的流體特性，采用UG 軟件中的修剪體對(duì)其中的一片槳葉進(jìn)行折斷處理，折斷位置分別在0.9R，0.8R，0.7R，0.6R 處，圖1（b）是螺旋槳槳葉折斷位置模型。通過(guò)STAR-CCM+中的替換零件功能將折斷的葉片替換正常工作的葉片，快速建立折斷工況下的CFD 計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，并作對(duì)比分析。

圖1 螺旋槳模型Fig.1 Propeller model

在CFD 計(jì)算時(shí)選取船體表面一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1（0.035,0,0.12）對(duì)螺旋槳的脈動(dòng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖1 所示，達(dá)到模擬傳感器壓力信號(hào)采集的目的。采用局部區(qū)域壓力最大法來(lái)提取該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力變化值，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.000 5 s。通過(guò)實(shí)時(shí)記錄該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化，以此來(lái)替代實(shí)際監(jiān)測(cè)的壓力傳感器，從而獲取螺旋槳在發(fā)生折斷故障的工況下的脈動(dòng)壓力參數(shù)變化，同時(shí)對(duì)螺旋槳側(cè)向力FY 進(jìn)行監(jiān)控計(jì)算，獲取側(cè)向力FY 與時(shí)間的變化關(guān)系曲線。為了便于分析，對(duì)螺旋槳側(cè)向力進(jìn)行無(wú)因次化處理，得到螺旋槳側(cè)向力系數(shù)KFY，同時(shí)將時(shí)間轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)的周向角α。

1.3 螺旋槳故障分析方法

本文用數(shù)值模擬的方法對(duì)螺旋槳進(jìn)行槳葉折斷故障監(jiān)測(cè)與分析，重點(diǎn)在于流體壓力信號(hào)的提取和處理，對(duì)比分析正常工況和折斷情況下的時(shí)域波形圖和頻譜圖，得到槳葉不同折斷位置和磨損量等故障信息，進(jìn)而提出一種基于流體特性分析的船舶螺旋槳槳葉折斷故障診斷方法，對(duì)螺旋槳的改進(jìn)和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。故障診斷流程如圖2 所示[4-5]。

圖2 基于CFD 的螺旋槳槳葉折斷故障診斷流程圖Fig.2 Flow chart of propeller blade breaking fault diagnosis based on CFD

圖3 計(jì)算域邊界條件設(shè)置Fig.3 Calculate domain boundary condition settings

2 螺旋槳水動(dòng)力性能分析

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)均勻流體來(lái)流下螺旋槳的非定常瞬態(tài)模擬計(jì)算，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)[6]，從而得到螺旋槳瞬態(tài)流場(chǎng)壓力分布，建立的模擬計(jì)算域如圖3 所示。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格劃分為2 部分：一部分隨螺旋槳同步旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，即旋轉(zhuǎn)域，采用四面體網(wǎng)格，如圖4（a）所示；另一部分模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)所處的流場(chǎng)，即靜止域，采用切割體網(wǎng)格，如圖4（b）所示。兩部分區(qū)域均采用與螺旋槳同軸的圓柱流域，且都有各自的獨(dú)立網(wǎng)格形式，兩部分區(qū)域邊界面的組合定義為交界面，靜止域和旋轉(zhuǎn)域以交界面實(shí)現(xiàn)相互滑動(dòng)，從而完成兩區(qū)域網(wǎng)格間的數(shù)據(jù)交換來(lái)保證其守恒。整個(gè)計(jì)算域邊界條件由速度入口、壓力出口、旋轉(zhuǎn)域、靜止域及旋轉(zhuǎn)域和靜止域的交界面組成。由于不考慮空泡現(xiàn)象，在CFD 的計(jì)算中，螺旋槳表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面條件，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n 設(shè)定為1 500 r/min，速度入口給定來(lái)流速度，來(lái)流的參考?jí)毫υO(shè)定為0，壓力出口的靜壓力值設(shè)定為0，時(shí)間步長(zhǎng)0.000 5s。

圖4 螺旋槳計(jì)算域Fig.4 Propeller calculation domain

2.2 敞水性能曲線計(jì)算結(jié)果

圖5 螺旋槳模型敞水性征曲線Fig.5 Propeller model open water performance curves

3 螺旋槳故障診斷分析

3.1 螺旋槳表面壓力分布分析

通過(guò)對(duì)螺旋槳表面的壓力分布分析，可以更加細(xì)致地研究流場(chǎng)中螺旋槳的受力情況。在進(jìn)速系數(shù)J=0.45 時(shí)，螺旋槳不同折斷工況下的葉面葉背壓力分布云圖如圖6 所示。通過(guò)分析得出：1）由于葉片流動(dòng)阻力的存在，葉面和葉背導(dǎo)邊和隨邊處壓力較大。而葉梢部分應(yīng)力較小，說(shuō)明導(dǎo)邊和隨邊壓力主要受來(lái)流流體阻力影響，葉片根部應(yīng)力主要受葉片軸向推力影響。2）螺旋槳某1 槳槳葉折斷后，對(duì)槳葉壓力表面壓力的分布影響不大。

表2 不同進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of propeller under different propulsion coefficients

圖6 槳葉壓力分布云圖Fig.6 Nephogram of blade pressure distribution

3.2 脈動(dòng)壓力信號(hào)的分析

在對(duì)螺旋槳模型進(jìn)行三維非定常水動(dòng)力計(jì)算中，分別提取正常工作狀態(tài)和槳葉折斷下的螺旋槳監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處脈動(dòng)壓力信號(hào)和水動(dòng)力側(cè)向力信號(hào)，對(duì)脈動(dòng)壓力圖進(jìn)行FFT 變換，對(duì)水動(dòng)力側(cè)向力Fy 進(jìn)行無(wú)因次處理得到水動(dòng)力側(cè)向力系數(shù)KFy。螺旋槳監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處脈動(dòng)壓力數(shù)值模擬結(jié)果如圖7～圖11 所示，對(duì)應(yīng)的頻譜圖如圖12～圖16 所示。分析發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處壓力及側(cè)向力都出現(xiàn)了規(guī)律性變化。

圖7 螺旋槳正常工作時(shí)的脈動(dòng)壓力圖Fig.7 Pressure fluctuation of normal working propeller

圖8 螺旋槳槳葉在0.9R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力圖Fig.8 Pressure fluctuation of normal working propeller with

圖9 螺旋槳槳葉在0.8R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力圖Fig.9 Pressure fluctuation of normal working propeller with blade fractured at 0.8R

圖10 螺旋槳槳葉在0.7R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力圖Fig.10 Pressure fluctuation of normal working propeller with blade fractured at 0.7R

圖11 螺旋槳槳葉在0.6R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力圖Fig.11 Pressure fluctuation of normal working propeller with blade fractured at 0.6R

圖13 螺旋槳槳葉在0.9R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力頻譜圖Fig.13 Pressure frequency spectrum graph of propeller with blade fractured at 0.9R

圖14 螺旋槳槳葉在0.8R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力頻譜圖Fig.14 Pressure fluctuation of normal working propeller with blade fractured at 0.8R

圖15 螺旋槳槳葉在0.7R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力頻譜圖Fig.15 Pressure frequency spectrum graph of propeller with blade fractured at 0.7R

圖16 螺旋槳槳葉在0.6R 處折斷時(shí)的脈動(dòng)壓力頻譜Fig.16 Pressure fluctuation of normal working propeller with blade fractured at 0.6R

對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力波形圖可以發(fā)現(xiàn)，正常工作狀態(tài)下的螺旋槳脈動(dòng)壓力近似正弦變化。當(dāng)某一槳葉出現(xiàn)折斷時(shí)，近似正弦波的脈動(dòng)壓力波形發(fā)生畸變，畸變周期0.04s。主要原因是螺旋槳槳葉折斷后，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)產(chǎn)生了擾動(dòng)，當(dāng)折斷槳葉經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的流場(chǎng)壓力干擾小，使水流速度降低，壓力升高；正常槳葉經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的流場(chǎng)壓力干擾大，使水流速度變大，壓力降低。通過(guò)對(duì)比分析螺旋槳槳葉在0.9R，0.8R，0.7R，0.6R 折斷處脈動(dòng)壓力波形圖發(fā)現(xiàn)，螺旋槳槳葉折斷量越大，波形畸變?cè)絿?yán)重。因此，通過(guò)對(duì)脈動(dòng)壓力波形圖的分析對(duì)比，可以初步判斷螺旋槳的折斷量。

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力波形圖進(jìn)行快速傅里葉變換得到壓力頻譜圖。通過(guò)對(duì)比正常工作狀態(tài)和折斷狀態(tài)下的頻譜圖，得到如下幾個(gè)特征：1）螺旋槳正常工作狀態(tài)下，信號(hào)頻譜圖中頻信號(hào)主要以葉頻和倍頻為主，其他頻信號(hào)非常微弱，幾乎沒(méi)有；2）螺旋槳槳葉折斷后，軸頻和倍軸頻的信號(hào)增強(qiáng)，葉頻和倍葉頻的頻信號(hào)有所減弱；3）螺旋槳槳葉折斷量越大，軸頻和倍軸頻的信號(hào)越強(qiáng)，甚至強(qiáng)于葉頻信號(hào)，葉頻和倍葉頻的頻信號(hào)越弱。因此，可以通過(guò)對(duì)軸頻和倍軸頻的監(jiān)控判定螺旋槳槳葉折斷事故的發(fā)生。

為了便于研究螺旋槳水動(dòng)力側(cè)向力系數(shù)與折斷量之間的關(guān)系，將正常工況和折斷工況放在同一張圖進(jìn)行對(duì)比分析。如圖17 所示，主要特征如下：1）螺旋槳在正常工作狀態(tài)下，水動(dòng)力側(cè)向力系數(shù)基本無(wú)變化；2）螺旋槳在某一槳葉折斷后工作，隨著折斷量的增加，螺旋槳側(cè)向力系數(shù)周期性變化幅值隨之增加，側(cè)向力系數(shù)變化頻率不變，仍為基軸頻。

圖17 某一槳葉在0.6R，0.7R，0.8R，0.9R 折斷以及正常工況1.0R 時(shí)KFy 隨α 的變化Fig.17 Changes of KFy with α,blade fractured at 0.6R,0.7R,0.8R,0.9R and normal working propeller

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)螺旋槳非定常流動(dòng)模擬計(jì)算，獲取了螺旋槳槳葉在不同折斷位置時(shí)的脈動(dòng)壓力和水動(dòng)力側(cè)向力變化規(guī)律。提取時(shí)域波形、特征頻率、伴隨頻率和水動(dòng)力側(cè)向力系數(shù)4 個(gè)特征參量，其中，特征頻率、伴隨頻率對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)分別為葉頻、倍葉頻；軸頻、倍軸頻。可以認(rèn)為，當(dāng)基軸頻和2 倍軸頻的信號(hào)強(qiáng)度分別大于1 倍葉頻的20%和10%，即可判斷螺旋槳斷葉故障發(fā)生。隨著計(jì)算流體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，可以較為精確地對(duì)螺旋槳槳葉折斷故障的位置進(jìn)行診斷。