不同螺旋槳配置對重型破冰船推力的影響分析

朱成華， 齊江輝， 郭健， 陳艷霞， 高良田

(1.武漢第二船舶設計研究所， 湖北 武漢 430060； 2.華中科技大學 船舶與海洋工程學院， 湖北 武漢 430070； 3.哈爾濱工程大學 船舶工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

對于常規(guī)破冰船船型而言，可選擇單槳、雙槳和三槳的螺旋槳配置方案。單槳的優(yōu)點是螺旋槳可受到船體很好的保護，但當有效軸功率超過20 MW時，采用單軸推進將導致螺旋槳直徑過大；使用雙槳推進可以使螺旋槳直徑更小且更容易做到螺旋槳端部浸沒，但保護條件可能不如單槳布置的情況好[1]。目前已建或計劃建造的破冰船中，美國“極地?！焙汀皹O地星”、加拿大“John G.Diefenbaker”號、歐洲“Aurora Slim”號[2]、俄羅斯LK-25柴電破冰船以及核動力破冰船均采用三槳推進[3]，總軸功率約25～60 MW，三槳功率分配分為1∶1∶1或1∶2∶1。使用三槳推進可以使中心螺旋槳得到充分保護，轉(zhuǎn)向和可靠性相對更優(yōu)，但兩側(cè)螺旋槳要比同等功率雙槳推進的螺旋槳暴露程度稍高[1]。

國內(nèi)針對常規(guī)船舶多槳推進問題的研究已經(jīng)較為成熟，如王新平等[4]針對三槳推進船舶的功率分配和螺旋槳設計工況選取問題進行了研究；覃新川等[5]對四槳推進系統(tǒng)的水動力性能進行仿真研究；畢俊穎等[6]通過四槳船舶的螺旋槳分布進行了研究；王展智等[7]分析了三槳推進系統(tǒng)中心槳和舷側(cè)槳位置變化對螺旋槳性能的影響；襲鵬等[8]分析了螺旋槳的轉(zhuǎn)速對四槳推進系統(tǒng)的影響；葉禮裕等[9]和孫帥等[10]分別針對不均衡載荷對中心槳和舷側(cè)槳的性能影響進行了數(shù)值分析。但目前國內(nèi)針對破冰船的多槳推進問題研究非常少，僅有的相關(guān)研究如吳剛等[11]對重型破冰船多槳推進系統(tǒng)特點及發(fā)展趨勢進行了研究，更多關(guān)注的則是單個螺旋槳在冰區(qū)航行中的性能。

本文以常規(guī)螺旋槳為基礎，利用系柱狀態(tài)模擬破冰工況，針對重型破冰船的雙槳和三槳(分為1∶1∶1和1∶2∶1 這2種功率分配方案)電力軸槳推進系統(tǒng)正車推進性能和空泡性能進行影響分析。

1 破冰船多槳布置方案

1.1 破冰船總體參數(shù)

為研究重型破冰船的雙槳和三槳推進系統(tǒng)正車系柱推力和空泡性能，選擇3艘破冰船進行對比分析，其主尺度和推進軸功率如表1所示，其中方案1、2、3主尺度和推進功率參數(shù)分別參考俄羅斯核動力破冰船LK-60、歐盟“北極光”號以及加拿大“John G.Diefenbaker”號破冰船。

表1 對比方案的總體參數(shù)

1.2 螺旋槳布置

螺旋槳的布置主要受船舶吃水深度、船寬以及船體尾部線型和螺旋槳之間所需間隙的空間限制。

如圖1和圖2分別顯示了現(xiàn)有或預計建造破冰船的雙槳和三槳布置方案。

圖1 破冰船雙螺旋槳布置

圖2 破冰船三螺旋槳布置

從水動力性能、空泡和振動等方面考慮，最有利的螺旋槳布置是，螺旋槳盤面的來流是均勻的，同時盡可能多地獲取粘性尾流中的能量，因此對于不能回收尾流能量的舷側(cè)螺旋槳而言，提供足夠的軸向間隙顯得非常重要。但增大螺旋槳軸向間隙又將會導致螺旋槳與冰接觸的風險；相反，任何使冰遠離螺旋槳的保護形式也會惡化螺旋槳的水動力和振動性能。

對于常規(guī)船舶而言，一般將槳尖浸入水中以免螺旋槳吸入空氣引起激烈振動，但對于破冰船而言，通常是確保平均尺寸的浮冰不被吸進螺旋槳，因此，破冰船的螺旋槳沉浸深度與破碎冰塊尺度有關(guān)。

1.3 有效盤面積對比

通常，盤面積對于破冰船重載螺旋槳設計性能是非常重要的，因此有必要在考慮如下情況時選取雙槳和三槳推進系統(tǒng)最大螺旋槳直徑和盤面積：

1)槳葉葉端最小浸沒深度至少為2.5 m(重型破冰船對應的破冰厚度)；

2)推進系統(tǒng)的橫向延伸通常受到有效船寬的限制，特別是螺旋槳軸系必須具有可接受的長度和傾斜度；

3)推進電機必須方便地布置在船體內(nèi)部，該要求限制了軸心距中縱剖面的距離。

表2和表3中總結(jié)了已建或計劃建造的兩槳和三槳破冰船螺旋槳直徑之和(b)占船寬(B)的比例，其中兩槳情況下b/B平均值和最大值分別為0.445、0.487；三槳情況下b/B平均值和最大值分別為0.557、0.590。

表2 兩槳破冰船螺旋槳直徑之和占船寬比例

表3 三槳破冰船螺旋槳直徑之和占船寬比例

根據(jù)兩槳和三槳情況下的b/B平均值與最大值，分別估算了3艘不同破冰船的螺旋槳直徑D和螺旋槳總盤面積Atotal,如表4和表5所示，其中兩槳和三槳的直徑均滿足槳葉葉端最小浸沒深度的要求，三槳中的(1∶1∶1)和(1∶2∶1)表示功率的分配比例。

表4 基于b/B平均值估算螺旋槳直徑和總盤面積

表5 基于b/B最大值估算螺旋槳直徑和總盤面積

對比表4中兩槳和三槳總盤面積可知，基于b/B平均值估算各方案的螺旋槳，1∶2∶1的三槳配置對于所有船舶尺寸均為最有利的，1∶1∶1的三槳配置次之，兩槳盤面積最小。

對比表5中兩槳和三槳總盤面積可知，基于b/B最大值估算各方案的螺旋槳，1∶2∶1的三槳配置對于所有船舶尺寸均為最有利的，兩槳配置次之，1∶1∶1的三槳配置盤面積最小。

對比結(jié)果表明，同一方案下不同螺旋槳布置的總盤面積增減不明顯，平均直徑比最大直徑小于5%～10%。

2 正車系柱推力估算及空泡校核

2.1 正車系柱推力估算

破冰船具有2種典型的航行狀態(tài)：敞水航行和冰區(qū)破冰工況。破冰船的主要作業(yè)任務是破冰，因此，螺旋槳設計應以破冰工況為主，兼顧敞水航行工況，可將系柱狀態(tài)或低航速前行狀態(tài)設定為破冰船螺旋槳系統(tǒng)的實際設計條件。

本文選取常規(guī)4葉和5葉不同盤面比的螺旋槳(MAU4-55、MAU4-70、AU5-65、AU5-80)[12]，分別對表1中的3個方案在不同軸功率、不同螺旋槳直徑下的系柱推力進行估算。

計算過程為[12]：

1)計算不同軸功率、不同螺旋槳直徑的KQ：

(1)

2)讀取不同螺旋槳圖譜上進速系數(shù)J為0時的KQ對應的螺距比P/D和推力系數(shù)KT；

3)利用式(2)計算不同軸功率下的系柱推力T：

T=ρn2D4KT

(2)

通過以上計算過程得出不同螺旋槳槳葉、盤面比、直徑以及軸功率下的系柱推力如圖3所示，并根據(jù)螺旋槳的實際螺距比范圍，給出了不同軸功率下螺旋槳直徑實際可選取的邊界范圍。分析圖3結(jié)果可知：

圖3 不同直徑和螺距比下軸功率對應的系柱推力

1)在不考慮空泡影響的情況下，為獲得最大推力，傾向選擇小螺距比下的最大直徑螺旋槳；

2)直徑大于8.0 m時所有軸功率下相應螺距比已超出MAU4-55和MAU4-70螺旋槳的最小螺距比，因此，直徑大于8.0 m時不適合選用MAU4-55和MAU4-70螺旋槳；

3)直徑大于9.0 m時不適合選用AU5-65螺旋槳。

圖4對比了相同直徑、不同槳葉和盤面比下軸功率對應的系柱推力，由圖4可知：

圖4 相同直徑、不同槳葉和盤面比下軸功率對應的系柱推力

1)直徑大于7.0 m時，同一直徑相同軸功率下，4葉槳系柱推力性能優(yōu)于5葉槳，相同槳葉時小盤面比系柱推力性能更優(yōu)；

2)直徑小于6.0 m時，同一直徑相同軸功率下，5葉槳系柱推力性能優(yōu)于4葉槳，相同槳葉時大盤面比系柱推力性能更優(yōu)。

選取以上3個對比方案的最大軸功率，根據(jù)圖3插值得出b/B平均限值和最大限值下各方案獲得最大推力下的直徑、螺距比和系柱推力，如表6、7所示。

2.2 螺旋槳空泡校核

由于破冰船螺旋槳負荷重、尾部流場因碎冰擾動不均勻，為確定其能否實現(xiàn)預計推力，還需對其進行空泡校核。假設進速VA為3 kn，利用柏利爾限界線[12]對表6和表7中各螺旋槳進行空泡校核，結(jié)果如圖5和表8所示。分析表8中滿足空泡校核的方案2，其可能的主要原因是方案2船寬較大、1∶2∶1的3槳功率配置方案中的中心槳直徑大，可以降低螺旋槳單位面積承受的平均推力。

表6 不考慮空泡影響，基于螺旋槳平均直徑估算系柱推力

表7 不考慮空泡影響，基于螺旋槳最大直徑估算系柱推力

表8 滿足空泡校核要求的螺旋槳

圖5 螺旋槳空泡校核結(jié)果

由于空泡因素的影響，各方案的螺旋槳可吸收的軸功率將有所降低。為避免空泡現(xiàn)象的產(chǎn)生，分別從選取更大盤面比的螺旋槳和降低各槳軸功率2個方面，以獲得最大系柱推力為目標，重新選取螺旋槳并計算最大系柱推力，結(jié)果如表9、10所示，其中PDS表示螺旋槳最大可吸收軸功率。

表9 考慮空泡影響，基于螺旋槳平均直徑估算系柱推力

表10 考慮空泡影響，基于螺旋槳最大直徑估算系柱推力

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)為避免空泡產(chǎn)生，平均直徑下螺旋槳需在降低槳軸功率的同時選取更大盤面比，而最大直徑下螺旋槳多數(shù)僅需選取更大盤面比即可滿足要求；

2)對于不滿足空泡校核的螺旋槳在考慮空泡時，系柱推力平均降低11%，其中降低最嚴重是方案3在最大直徑下1∶2∶1三槳功率配置方案。

3 不同配置對正車系柱推力對比分析

分別針對考慮空泡和不考慮空泡兩種情況，對以上3個方案在兩槳和三槳(1∶1∶1和1∶2∶1)配置方案的螺旋槳載荷、總系柱推力以及裝機利用率進行了對比分析，其中裝機利用率以單位軸功率所產(chǎn)生的推力來表征，結(jié)果如表11～14所示。

對比分析表11、12可知，在不考慮空泡影響下，不同螺旋槳配置方案有如下規(guī)律：

表11 不考慮空泡影響，基于螺旋槳平均直徑推進性能對比表

1)三槳配置下系柱推力最大，1∶1∶1功率分配相對更優(yōu)，除了方案3在最大直徑下兩槳配置系柱推力最大；

2)在兩槳和1∶2∶1三槳配置下，平均直徑對應的系柱推力大于最大直徑對應的系柱推力；1∶1∶1三槳配置下，平均直徑對應的系柱推力小于最大直徑對應的系柱推力，方案3除外；

3)同一總體方案內(nèi)，不同螺旋槳配置方案系柱推力的增減幅度小于10%；

4)裝機利用率與系柱推力規(guī)律一致，螺旋槳載荷沒有一定規(guī)律。

對比分析表13、14可知，在考慮空泡影響下，不同螺旋槳配置方案有如下規(guī)律：

1)三槳配置系柱推力最大，1∶1∶1功率分配相對更優(yōu)，除了方案3在最帶直徑下兩槳配置系柱推力最大；

2)不同螺旋槳配置下，最大直徑對應的系柱推力大于平均直徑對應的系柱推力，除了方案21∶1∶1三槳和方案31∶2∶1三槳配置下，平均直徑對應的系柱推力大于最大直徑對應的系柱推力；

3)方案1不同螺旋槳配置下系柱推力的最大增益約17%，方案2最大增益約12%，方案3最大增益約33%。

4)裝機利用率與系柱推力規(guī)律一致，螺旋槳載荷沒有一定規(guī)律。

表12 不考慮空泡影響，基于螺旋槳最大直徑推進性能對比表

表13 考慮空泡影響，基于螺旋槳平均直徑推進性能對比表

表14 考慮空泡影響，基于螺旋槳最大直徑推進性能對比表

4 結(jié)論

1)三槳推進系統(tǒng)下1∶2∶1的功率分配有利于獲得更高的盤面積，但總盤面積增減幅度不明顯；

2)對于不滿足空泡校核的螺旋槳在考慮空泡時，系柱推力平均降低11%，其中降低最嚴重是方案三在最大直徑下1∶2∶1三槳配置方案；

3)三槳配置系柱推力最大，1∶1∶1相對更優(yōu)，除了方案三在最大直徑下是兩槳配置系柱推力最大。

本文簡單模擬分析了重型破冰船兩槳和三槳在破冰工況下的推力性能，得出了一些有意義的結(jié)論，但本文采用的是常規(guī)槳且針對的是電力軸槳推進系統(tǒng)，接下來還需對冰區(qū)槳、吊艙推進等混合推進形式做進一步的研究。