基于CFD技術(shù)的3 300 t多用途船螺旋槳整改分析

錢(qián) 俊

(安徽杰濤船舶工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)小型船舶通常采用圖譜法、回歸公式法或參照母型船數(shù)據(jù)估算法進(jìn)行船舶推進(jìn)性能設(shè)計(jì)，如采用荷蘭MARIN水池的Holtop84方法、Hollenbach98方法、Davidson回歸法等來(lái)估算船舶阻力性能。以上估算方法的精度一方面受到數(shù)據(jù)樣本積累數(shù)量的影響，另一方面僅僅代表了所收集樣本的平均水平，有可能偏于保守。特別是對(duì)于改動(dòng)非常大的船型，經(jīng)驗(yàn)積累或母型船的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的參考意義不大，容易導(dǎo)致船舶阻力性能估算結(jié)果誤差，進(jìn)而影響螺旋槳的設(shè)計(jì)和機(jī)槳的匹配。

本文基于CFD技術(shù)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值方法模擬船舶航行時(shí)的流場(chǎng)，分析計(jì)算船舶阻力及其他運(yùn)動(dòng)特性，可用于優(yōu)化船舶線型、螺旋槳設(shè)計(jì)，進(jìn)而提升船舶推進(jìn)效率。

1 某3 300 t多用途船試航問(wèn)題

某3 300 t多用途船是一型適用于印度尼西亞水域(限制在離岸200 n mile以?xún)?nèi))的兼雜貨與集裝箱裝載的雙機(jī)、雙槳、雙尾鰭船。該船推進(jìn)系統(tǒng)由主機(jī)、齒輪箱、定距槳組成。主機(jī)型號(hào)為XCW6200ZC：功率698 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min 。鑒于船東對(duì)120只集裝箱全部按25 t/箱的重箱來(lái)設(shè)計(jì)的非常規(guī)要求，又需兼顧成本、經(jīng)濟(jì)性和等同于無(wú)限航區(qū)的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求，導(dǎo)致該船設(shè)計(jì)時(shí)線型肥大，方型系數(shù)高達(dá)0.89，遠(yuǎn)大于常規(guī)貨船，且艉部線型過(guò)于飽滿(mǎn)。而推進(jìn)系統(tǒng)選型、螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)該船的船體阻力性能只是參照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，并未通過(guò)船模試驗(yàn)或CFD技術(shù)對(duì)船體水動(dòng)力性能進(jìn)行測(cè)算、分析。該船建成后，試航時(shí)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

(1)該船主機(jī)的最大轉(zhuǎn)速不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。常規(guī)情況下，螺旋槳設(shè)計(jì)應(yīng)有3.5%的轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備，即主機(jī)達(dá)到額定功率698 kW時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到1 035 r/min。但實(shí)際試航時(shí)，左機(jī)平均轉(zhuǎn)速為948 r/min，右機(jī)平均轉(zhuǎn)速僅為898 r/min，且雙機(jī)均冒黑煙，各缸平均排溫已高達(dá)450 ℃以上(臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告中，主機(jī)110%負(fù)荷時(shí)各缸排溫約450 ℃)。

(2)螺旋槳轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，波動(dòng)大于10 r/min，且艉部振動(dòng)明顯偏大。

(3)試航中，船舶壓載狀態(tài)下的平均航速僅為9.9 kn(逆流7.5 kn，順流12.3 kn)，按常規(guī)經(jīng)驗(yàn)推算到滿(mǎn)載狀態(tài)下，設(shè)計(jì)航速應(yīng)在9.0 kn，遠(yuǎn)低于合同約定的10.6 kn，已遠(yuǎn)超1.0 kn差距的棄船條款。

2 原因分析與補(bǔ)救措施

在排除螺旋槳破損、被異物纏繞、軸系安裝不當(dāng)?shù)纫蛩睾?，直觀判斷螺旋槳設(shè)計(jì)偏“重”，即：機(jī)槳不匹配，槳直徑或螺距偏大，導(dǎo)致帶動(dòng)螺旋槳軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主機(jī)負(fù)載加大。排溫過(guò)高的現(xiàn)象和爆壓測(cè)試表明主機(jī)已經(jīng)超負(fù)荷了，沒(méi)有更多的富余功率來(lái)支撐主機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升至其額定轉(zhuǎn)速。同時(shí)，艉部振動(dòng)超標(biāo)、航速?lài)?yán)重不達(dá)標(biāo)。為了保證3 300 t多用途船能達(dá)到合同約定框架內(nèi)可接受的船舶性能指標(biāo)，通過(guò)船舶建模CFD計(jì)算，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行復(fù)查、分析，以給出適當(dāng)?shù)男拚?、補(bǔ)救措施。

2.1 修槳方案

通過(guò)船型建模CFD計(jì)算，該船在滿(mǎn)載與壓載狀態(tài)下有效功率值

P

見(jiàn)表1。反饋原估算值較表1計(jì)算值高出30%～40%，且螺旋槳的設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇也欠妥當(dāng)。根據(jù)其估算，螺旋槳設(shè)計(jì)過(guò)“重”達(dá)13.5%，因而需要對(duì)槳采取切割直徑及修削隨邊的雙重措施,以減輕槳的負(fù)荷，使螺旋槳在主機(jī)額定功率下達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，并有一定的裕度。修槳方案見(jiàn)圖1。

表1 CFD計(jì)算的船舶有效功率值

圖1 螺旋槳修槳方案(單位：mm)

2.2 船尾加裝整流鰭

試航時(shí)發(fā)現(xiàn)該船螺旋槳的轉(zhuǎn)速忽高忽低，約在8%～10%的范圍內(nèi)波動(dòng)，且艉部振動(dòng)過(guò)大。這說(shuō)明該船的艉部流場(chǎng)異常，在螺旋槳的上方及前方有緩水區(qū)域。同時(shí)，從圖2中CFD的槳盤(pán)面伴流圖(

v

=9.5 kn與

v

=10.5 kn是原設(shè)計(jì)狀態(tài)下的2種常用航速)來(lái)看，螺旋槳處于不均勻、不穩(wěn)定的伴流場(chǎng)，且螺旋槳供水不足。

圖2 槳盤(pán)面伴流圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采取在船尾設(shè)計(jì)加裝整流鰭的方案。在螺旋槳軸的上方安裝一對(duì)有一定拱度并具有一定長(zhǎng)度的整流鰭，用以加速艉部進(jìn)入螺旋槳盤(pán)面上方及前方的水流，以降低伴流峰值，改善伴流分布和螺旋槳上方及前方的緩水區(qū)域，達(dá)到穩(wěn)定螺旋槳轉(zhuǎn)速、改善艉部振動(dòng)目的。

2.3 加裝舵球

鑒于航速的合同硬性指標(biāo)要求，在上述2種改善措施的同時(shí)，本文研究了舵球?qū)β菪龢畡?dòng)力性能的影響。舵球填充螺旋槳后方的空間，有利于削弱后方軸線處的低壓區(qū)，也有助于提高槳盤(pán)面處伴流場(chǎng)的均勻度，有利于改善螺旋槳空泡、激振等性能。舵球可以提高節(jié)能效果約3%～5%，且投資少、安裝方便，因此本文設(shè)計(jì)加裝了舵球的方案，見(jiàn)圖3。

3 補(bǔ)救措施的效果

采用了上述3項(xiàng)補(bǔ)救措施后，該船再次進(jìn)行了試航，測(cè)試的結(jié)果(見(jiàn)表2)基本符合預(yù)計(jì)目標(biāo)。主機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min且轉(zhuǎn)速已相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，艉部振動(dòng)明顯改善，航速也大幅提高。根據(jù)試航測(cè)速結(jié)果，再根據(jù)壓載狀態(tài)可以推算到滿(mǎn)載狀態(tài)下的航速為10.35 kn，雖然仍不滿(mǎn)足合同約定的指標(biāo)(10.6 kn)，但也不足以作為棄船條款進(jìn)而影響船舶交付。

圖3 舵球設(shè)計(jì)方案(單位：mm)

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于任何一個(gè)新的船型，即便是小型船舶，在沒(méi)有成熟設(shè)計(jì)作為參照的前提下，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)、常規(guī)估算是不科學(xué)的，也是有風(fēng)險(xiǎn)的。CFD技術(shù)能夠?qū)Υ白枇M(jìn)行科學(xué)計(jì)算，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)螺旋槳設(shè)計(jì)不當(dāng)與機(jī)槳不匹配現(xiàn)象。同時(shí)，采用CFD技術(shù)可分析艉部流場(chǎng)與螺旋槳軸向伴流峰值情況，進(jìn)而根據(jù)需求設(shè)計(jì)安裝整流鰭。整流鰭的采用加大了槳盤(pán)面水流的速度，改善了艉部的流場(chǎng)，穩(wěn)定了該船螺旋槳的轉(zhuǎn)速，并改善了其艉部振動(dòng)。

舵球是一種改善船舶推進(jìn)性能、提高節(jié)能效果的簡(jiǎn)易節(jié)能裝置，可以在小型船舶上推廣應(yīng)用。

表2 試航測(cè)速報(bào)告