不同槳軸沉深螺旋槳敞水性能試驗(yàn)

謝鳳偉，伍 銳，馬雪泉，孫 碩

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 a. 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

0 引 言

船舶在淺吃水工況下航行時(shí)，受外界環(huán)境和自身運(yùn)動(dòng)的影響，其螺旋槳軸與水面的距離較小，甚至?xí)霈F(xiàn)槳葉出水的現(xiàn)象。特別是大型商船在壓載工況下航行時(shí)，其螺旋槳距離水面很近，出水現(xiàn)象更為常見。在此情況下，自由液面以上的空氣會(huì)吸入螺旋槳盤面，使螺旋槳產(chǎn)生的推力和扭矩急劇下降，并引起激勵(lì)力，嚴(yán)重影響船舶的航行性能和主機(jī)的正常運(yùn)行。因此，近年來不同槳軸沉深螺旋槳的水動(dòng)力性能研究受到廣泛關(guān)注。

螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的水動(dòng)力性能與螺旋槳入水深度有關(guān)。研究表明，當(dāng)螺旋槳軸的沉深足夠大時(shí)，自由液面的影響可忽略不計(jì)[1]。因此，螺旋槳敞水試驗(yàn)要求在槳軸沉深足夠大的條件下進(jìn)行。然而，以往在進(jìn)行不同吃水條件下的自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)，通常采用靜水中槳軸沉深足夠大情況下的螺旋槳敞水特性曲線，由于在進(jìn)行淺吃水自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)槳軸沉深一般較淺或部分出水，這樣的處理不盡合理。

關(guān)于不同槳軸沉深對螺旋槳敞水性能的影響，已有不少學(xué)者對此進(jìn)行研究。曹梅亮[2]研究了變沉深和波浪中的螺旋槳的敞水性能，指出當(dāng)槳軸沉深比Hs/D>0.75時(shí)，螺旋槳的敞水性能不再受自由液面的影響，槳軸沉深較淺，螺旋槳的推進(jìn)性能變差的主要原因是螺旋槳吸氣。賈大山等[3]研究了螺旋槳吸氣及其水動(dòng)力性能，將近自由液面螺旋槳吸氣分為初始吸氣、局部吸氣和全吸氣等3個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)局部吸氣階段螺旋槳的推力和扭矩波動(dòng)較大，并指出近自由液面螺旋槳敞水試驗(yàn)需滿足進(jìn)速系數(shù)、沉深比和弗勞德數(shù)相等，且雷諾數(shù)大于臨界值。黃紅波等[4]研究了不同沉深比的半浸式螺旋槳的動(dòng)態(tài)力，指出半浸槳的側(cè)向力和彎矩的量級與推力和扭矩相同，且推力脈動(dòng)較大，不可忽略。姚志崇等[5]采用數(shù)值模擬方法研究了螺旋槳在吸氣狀態(tài)下的水動(dòng)力性能，分析了螺旋槳抽吸對自由液面的影響，以及自由液面變形吸氣時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能的變化，同時(shí)研究了推力和扭矩的脈動(dòng)現(xiàn)象。董國祥等[6]、郭春雨等[7]和陶堯森等[8]分別采用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究了波浪中螺旋槳的水動(dòng)力性能。

本文通過對不同沉深螺旋槳的敞水性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，求取槳軸沉深變化時(shí)螺旋槳敞水性能的變化規(guī)律，為進(jìn)一步研究船舶在淺吃水工況下的推進(jìn)性能提供參考。

1 研究對象和試驗(yàn)工況

本文所述螺旋槳敞水性能試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)室的船模拖曳水池的主尺度為192.0 m×10.0 m×4.2 m；拖車車速范圍為0.2～ 9.0 m/s。螺旋槳模型為某集裝箱船的設(shè)計(jì)槳模；盤面比AE/A0=0.76；螺距比P/D(0.75R)=0.952(R為螺旋槳半徑)；槳模直徑Dm=242.22 mm；槳模0.75R弦長b0.75R=83.22 mm；實(shí)槳直徑Ds=6 700 mm。敞水試驗(yàn)按定螺旋槳轉(zhuǎn)速(nm=12.4 r/s)、變拖車速度的方法獲得不同進(jìn)速系數(shù)下的螺旋槳推力系數(shù)KT、螺旋槳扭矩系數(shù)KQ和螺旋槳敞水效率η0。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J的變化范圍為0～0.966時(shí)，按ITTC(International Towing Tank Conference) 1978公式計(jì)算得到試驗(yàn)雷諾數(shù)Re的變化范圍為(5.34～5.83)×105，大于臨界雷諾數(shù)3.00×105。

試驗(yàn)水溫為19 °C，運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)v=1.029×10-6m2/s。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用敞水動(dòng)力儀測量得到。針對該集裝箱船不同吃水狀態(tài)擬定的不同槳軸沉深敞水性能試驗(yàn)工況見表1。不同吃水狀態(tài)螺旋槳軸沉深示意見圖1。由圖1可知：在淺吃水工況下，靜止?fàn)顟B(tài)螺旋槳的葉梢已出水；在設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水工況下，靜止?fàn)顟B(tài)螺旋槳的葉梢仍浸沒在水中。

圖1 不同吃水狀態(tài)螺旋槳軸沉深示意

部分參數(shù)的計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～式(5)中：u為拖車車速；D為螺旋槳直徑；ρ為水的密度；R為螺旋槳半徑；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；T為螺旋槳推力；Q為螺旋槳扭矩。

2 不同沉深對螺旋槳敞水性能的影響

根據(jù)表1所示工況，通過電動(dòng)升降絲桿調(diào)節(jié)槳軸沉深，按Hs/D=0.440、0.619、0.739和1.500的順序?qū)?個(gè)槳軸沉深的螺旋槳進(jìn)行敞水性能試驗(yàn)，得到不同槳軸沉深螺旋槳敞水性能特征曲線見圖2。

圖2 不同沉深螺旋槳敞水性能特征曲線

該集裝箱船的螺旋槳在設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)速系數(shù)J≈0.660。由圖2可知：在設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水工況下，槳軸沉深足夠，螺旋槳的敞水性能不受自由液面的影響；在淺吃水、設(shè)計(jì)航速工況下，螺旋槳的敞水性能有所下降。但是，對于螺旋槳的推進(jìn)性能而言，其除了受螺旋槳敞水性能的影響以外，還與船后伴流場、波系、船尾運(yùn)動(dòng)下沉和艉部形狀有關(guān)。因此，淺吃水狀態(tài)下螺旋槳的推進(jìn)性能是否下降，還需通過模擬海況下的自航試驗(yàn)進(jìn)一步判斷。

3 淺吃水工況下螺旋槳的敞水性能

在淺吃水工況下，槳軸沉深較小，螺旋槳軸處靜壓下降，易受自由液面的擾動(dòng)，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)較小時(shí)，螺旋槳負(fù)荷較大，螺旋槳葉剖面處在大攻角情況下，吸力面形成低壓區(qū)，螺旋槳出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象。螺旋槳槳葉吸力面充氣之后的壓力為大氣壓力，而葉剖面升力大部分來自于吸力面的負(fù)壓與壓力面的正壓之差。因此，螺旋槳吸氣之后其推力和扭矩減小。螺旋槳吸氣過程可分為4個(gè)階段。

1) 初始吸氣階段：螺旋槳葉梢微量吸氣，此時(shí)螺旋槳的性能無明顯變化。

2) 局部吸氣階段：螺旋槳部分槳葉吸力面吸氣，推力和扭矩明顯減小。

圖3 不同進(jìn)速系數(shù)J下螺旋槳推進(jìn)性能參數(shù)隨槳軸沉深比的變化曲線

3) 過渡階段：該階段不穩(wěn)定，螺旋槳有時(shí)處于全吸氣狀態(tài)，有時(shí)處于部分吸氣狀態(tài)。

4) 全吸氣階段：螺旋槳大部分槳葉吸力面吸氣，推力和扭矩進(jìn)一步減小并趨于穩(wěn)定。

上述4個(gè)階段的吸氣狀態(tài)敞水試驗(yàn)場景見圖4，可比較清楚地觀察到不同吸氣階段自由液面和螺旋槳葉梢出水的變化情況。在初始吸氣階段，螺旋槳葉梢接近自由液面，但未露出水面，微量吸氣，此時(shí)螺旋槳的敞水性能與理想沉深時(shí)基本相同；在局部吸氣階段，螺旋槳葉梢接近自由液面，一小部分露出水面，已部分吸氣，此時(shí)螺旋槳的敞水性能與理想沉深時(shí)相比明顯下降；在過渡階段，螺旋槳葉梢進(jìn)一步露出水面，吸氣進(jìn)一步增加，螺旋槳的敞水性能繼續(xù)下降到一臨界值；在全吸氣階段，螺旋槳已大面積出水，大部分槳葉吸力面吸氣，螺旋槳的敞水性能下降至一臨界值之后趨于穩(wěn)定。

本文對Hs/D=0.440時(shí)的螺旋槳敞水性能曲線進(jìn)行分析，給出其敞水性能在不同吸氣階段的變化情況見圖5。

圖5 Hs/D=0.440時(shí)螺旋槳的敞水性能在不同吸氣階段的變化情況

4 結(jié) 語

通過開展上述集裝箱船不同槳軸沉深螺旋槳敞水性能試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)Hs/D≥0.619(艉吃水Ta≥7.7 m)、J>0.60(設(shè)計(jì)工況J≈0.66)時(shí)，螺旋槳的敞水性能不受自由液面的影響。

2) 當(dāng)Hs/D=0.440(淺吃水狀態(tài))、J<0.85(設(shè)計(jì)工況J≈0.66)時(shí)，螺旋槳的敞水性能受自由液面的影響，KT和KQ均比理想槳軸沉深時(shí)小。J越小，KT和KQ下降越明顯。

3) 當(dāng)Hs/D=0.440、J<0.85時(shí)，螺旋槳的敞水性能下降主要是由吸氣引起的。該螺旋槳的吸氣過程可分為初始吸氣階段、局部吸氣階段、過渡階段和全吸氣階段等4個(gè)階段。

4) 本文螺旋槳設(shè)計(jì)工況J≈0.66，在設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水工況下，槳軸沉深足夠，螺旋槳的敞水性能不受自由液面的影響。但是，在淺吃水工況下，槳軸沉深不足，螺旋槳的敞水性能已下降。

在淺吃水工況下螺旋槳的槳軸沉深是否足夠，自由液面是否會(huì)對螺旋槳的推進(jìn)性能產(chǎn)生不利影響，不能僅憑其在不同槳軸沉深下的敞水性能判斷，還需對船后伴流場、波系、船舶升沉運(yùn)動(dòng)和艉部形狀進(jìn)行分析。因此，為準(zhǔn)確判斷淺吃水狀態(tài)下螺旋槳的推進(jìn)性能，還需在上述研究的基礎(chǔ)上開展模擬海況下的自航試驗(yàn)。