全回轉推進器的水動力性能研究

張 燕

（上海倍豪船舶科技有限公司，上海200439）

0 引言

作為當今世界上大型船上船舶推進器領域背景下興起的重大研究熱點，全槳雙回轉螺旋槳推進器系統(tǒng)設計的地位是毋庸置疑的；而且與當前國內傳統(tǒng)的螺旋槳推進系統(tǒng)的設計對比，具備明顯的應用優(yōu)勢，其能夠提升船舶在甲板上的空間利用率，且在推進器系統(tǒng)的設備設施上布置也極其新穎高效，最重要的是，能夠極大地改善目前船舶推進器在日常運行過程中的空泡現(xiàn)象。

水動力性能設計及進一步增強現(xiàn)有船舶推進器安全與航行穩(wěn)定保障設計性能設計等；整機結構模塊化和設計一體化程度達到極致高，便于整機安裝及維護檢修與部件修理后更換維修；其安全和可靠性要求及較高的,適用性能達到了極強標準要求等十多項主要優(yōu)點。

以此基礎上，技術參數(shù)擁有了以上綜合的諸多設計優(yōu)點后，通過對于全回轉推進器裝置系統(tǒng)的大批量開發(fā)與功能應用，也讓處于初步階段的工程船舶結構上的整體質量變得十分可靠，同時，在機動性性能方面以及在船舶綜合運行當中的動力傳輸效率方面會有大幅度的功能提升。其被開發(fā)并應用廣泛的工程領域范圍內，也在逐步地從工程船類中（例如拖船、浮動起重船、渡船等）在應用形式上逐漸轉變?yōu)楹廊A型客船、游船類和其他類別的船類等以此增加船舶的效率。對于全速回轉的船用火箭推進器系統(tǒng)而言，這樣不僅能夠讓火箭推進器的系統(tǒng)在航海世界上的技術應用中，具有很寬闊的技術操作性與長遠的航海經濟市場前景。因此，其系統(tǒng)設計的理論分析及其實驗研究問題一直以來得到著世界與國內外海洋軍事船舶工作者廣泛研究與重視。

螺旋槳的使用和維護性能參數(shù)主要包括其水動力性能、可靠性和疲勞壽命特性。其中，螺旋槳水動力性能作為螺旋槳的綜合性能評價指標之一，可能會產生連帶效應，引發(fā)其他部件性能下降的異?，F(xiàn)象。因此，針對全回轉推進器在水動力性能方面的學術研究是必不可少的，這能夠保證未來全回轉推進器器在各個領域的安全使用有較高的使用價值[1]。

1 推進器水動力學性能研究

1.1 幾何建模

為了能夠使推進器有更加具象化的認知，本文的幾何圖形建模就以船重工某型研究所研發(fā)設計的高性能回轉推進器作為主要的研究方向以及試驗對象，對上述的理論研究開展建設工作。其中，在螺旋槳的組成結構及其重要部件中有許多的輔助性零件，其中涵蓋了立柱、螺旋槳葉片等。而承重部件則通過焊接技術組成，如過盈調整、螺紋連接等。故幾何建模在此假設水動力模型的精度如不受外部因素的影響，所以為了能夠簡單了解這一模型樣式，繼而建立的全回轉推進器三維簡化模型如圖1所示。

圖1 三維簡化模型

1.2 計算域

為了能夠提升區(qū)域化計算的精確數(shù)值，減少在數(shù)值計算方面的計算誤差，可以將區(qū)域邊界的實際有效長度限制在10D、直徑為5D的一個圓柱體范圍內（D表示螺旋槳的直徑長度）。同時，為了能夠確保螺旋槳尾部能夠在啟動時自由運動，以槳葉中心為基準，與輸出螺釘?shù)木嚯x應是7D，與螺旋槳入口兩者之間的距離應是3D。下圖2所示的即計算域模型。

圖2 計算域模型

計算場模型可以建立，例如通過多坐標系模型（MRF），通過合理計算后的空間可以劃分成旋轉空間以及外靜態(tài)旋轉場空間。其中，靜態(tài)字段通常包含基本組件。旋轉區(qū)域，還包含傳動軸與旋轉的螺旋槳輪轂。

1.3 網格劃分

因為計算域中的網格劃分基本上都是四面體網格，因此與導管內壁面之間的間隔差會變得非常窄，為了能使2個推進器表面和管道內壁表面區(qū)分更為明顯，在實際操作中，必須對縫隙中的網格進行進一步的精細化處理。具體如圖3所示。

圖3 計算域各部分網格

1.4 邊界條件

計算模型的邊界主要條件設置為：

1）將計算池的左端面作為當前速度輸入的最大條件，并根據(jù)不同的流速入口來調節(jié)流量輸入的速度；而正確的極限值被設置為壓力輸出的極限條件。

2）螺旋槳部件表面和固定部件表面的外部接口設計為墻壁。

3）將旋轉區(qū)域和剩余區(qū)域相交的接觸面設置為“interface”。湍流模型在方程式中主要選擇RNG模型與k-z模型，并于壁面附近使用標準的壁面函數(shù)模型。螺旋槳的最大速度范圍為180°/min，進給系數(shù)的范圍為0.01～0.75范圍內的速度J值。

2 全回轉推進器多偏角工況水動力特性分析

2.1 數(shù)值模擬與模型試驗結果比對

在不同傾角情況下，對全回轉推進器的水動力特性進行了數(shù)值仿真測試，并與真實試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值比較。

針對全螺旋槳的推力系數(shù)以及扭矩系數(shù)，全螺旋槳進給間隔內的理論計算值應略高于測試的實際理論計算值或略高，由于兩者之間的粘結性能也較為良好，計算的值域出現(xiàn)的誤差概率也相應減小。針對導管的kya推力系數(shù)以及螺旋槳裝置的推力系數(shù)KPW、水動力效率系數(shù)Z，在低進的速度范圍里，計算統(tǒng)籌出的實際差值會由于其數(shù)值差異要低于實際運行的測試閾值。而其在其相對于的于高低進速范圍內實際的實際計算值誤差又要盡量稍微地大于其實際試驗值，計算值精度要保證與其實際的試驗計算值貼合性一致或允許稍顯有微差，但又允許將計算值誤差盡量保持在一個其實際可被廣泛接受使用的值范圍內。

數(shù)值模擬計算預報與數(shù)值模型計算預報試驗的分析研究結果通過進行的對比和試驗數(shù)據(jù)表明，此處2種試驗分別采取的數(shù)值模型和計算模型預報的策略組合均是具有顯著地較高的數(shù)值建模的數(shù)值分析的可靠的性能要求和數(shù)值模擬和計算的預報的精確性，在多向低仰角條件下，全速旋轉推進器模型的開放性，能可以得到更高準確的數(shù)值分析和預報[2]。

可得推導出在多偏角（0°，±5°，±10°）的全轉速旋轉狀態(tài)下螺旋槳的模型、各種水動力系數(shù)和隨動速度曲線的數(shù)值分布。

1）導管推力系數(shù)均為Kza、螺旋槳推力系數(shù)為Kr，而推進單元的推力系數(shù)均為KTm，扭矩系數(shù)均為10 K。當前隨著螺旋槳進速量系數(shù)的階段性增大而產生明顯的遞減趨勢。其中：KT和10 K在全進速區(qū)間范圍內隨進速增大而呈下降趨勢的速度值，相比變動速度趨勢曲線表現(xiàn)較為平緩，變化的幅度范圍也沒有過大的波段影響（例如Kz，變化的速度范圍一般分別僅為0.2～0.3，10K的變化頻率范圍為0.3～0.5)；而KTra和Krw，在全進速變化區(qū)間內以及隨著全進速量的下降變化過程中速度趨勢在數(shù)值分析上內容處理流程復雜且數(shù)據(jù)波動較大，變化的數(shù)值范圍也較為廣泛（Kna變化范圍為0～0.3，KTw變化范圍為0～10.5)。

2）敞水效率z。在各種傾斜情況下，曲線的開度 n曲線應該是在速度因子J小于0的情況下，計算曲線值未達到的峰值時曲線所實際對應的峰值，

2.2 進速、偏轉角對水動力性能影響分析

從試驗的數(shù)據(jù)中隨機選擇最為平均、代表性強的試驗特征的數(shù)學模型，并對其進行了數(shù)值模擬，主要的數(shù)值有：0.5 m/s，1.5 m/s，2.5 m/s（對應進速系數(shù)J分別為0.136，0.408，0.680），根據(jù)模型所示的各進速工況作用力下形成的全速回轉推進器模型各偏轉角工況下，對下水動力系數(shù)的模擬實驗計算結果對敞水動力系數(shù)變化產生的數(shù)值影響進行全面性的計算及分析，得出螺旋槳進速及對螺旋槳敞水動力系數(shù)的綜合數(shù)值。

計算給出螺旋槳最大進速量達到了0.136 m，0.408 m，0.680 m時，這些數(shù)值在螺旋槳偏轉角力的條件限制下可得出的螺旋槳推力系數(shù)為Kp，推進單元的推力系數(shù)為KT，導管單元推力系數(shù)為Krua，扭矩系數(shù)為10K。及螺旋槳敞水效率系數(shù)為n。

2.3 計算結果分析

為了能夠讓計算結果更為準確，特此采用J=0.087，即水流速度v=1 m/s，螺旋槳轉速180 r/min的基本條件下，不同回轉角度條件下，可產生不同的水流速度，而各個速度所表示的轉速范圍就如圖4所示的水動力學性能曲線。

圖4 某型推進器全回轉推力系數(shù)測試值

可以看出，開闊水域中的效率n有改變的趨勢，當返回角為180°時，效率達到最大值0.197。圖5顯示了外國機構使用六分量天平測量全旋轉螺旋槳在360°旋轉時推力系數(shù)的變化曲線。

圖5 螺旋槳坐標系xoy′下的水動力學性能曲線

通過比較，圖4所示的計算結果與圖5所示的試驗結果基本一致。在全曲柄推力條件下，Kr線呈現(xiàn)“雙峰一谷”的變化趨勢，在180°處有1個谷底，在120°和240°附近各有1個峰值。

圖6中表明了返回角為120°時螺旋槳表面所顯示的壓力分布數(shù)值。從表1可以得出，坐標系中的xoy坐標在旋轉度數(shù)轉變?yōu)?20°的前提下，螺旋槳的推力輸出值會達到當前性能參數(shù)的最大值877.694 kn。在這個時候，葉片表面的推力、吸力面的壓強差值會達到頂峰數(shù)值，導致葉片上形成較大張力。

圖6 回轉角為120°時槳葉表面壓力分布

表1 不同回轉角下全回轉推進器水動力學性能參數(shù)

3 全回轉推進器的數(shù)值模擬難度

1）旋轉螺旋槳結構復雜，包含許多部件（如螺旋槳、導管、吊艙和導向翼）；由于相關的部件與周圍環(huán)境流場所產生的相對運動極為復雜，為確保水動力系數(shù)在數(shù)值計算分析方面的準確無誤，必須仔細考慮數(shù)值計算區(qū)域內的形狀大小、網格劃分方法以及湍流模型等數(shù)據(jù)計算策略。

2）旋轉螺旋槳斜流狀態(tài)在數(shù)值模擬階段較為困難，主要的操作難點就在于選用何種方式進行數(shù)值計算。并在符合實際測試情況的前提下，設置適當?shù)亩嗥浅叽?，以確保計算域中輸入和輸出軌跡的質量能夠保持模型數(shù)值不變；同時需要特別考慮邊界條件的定義和求解方法。

根據(jù)斜流條件的數(shù)值計算策略，本文針對全回轉螺旋漿在多偏角條件下的水動力性能實施情況進行了數(shù)值的模擬；除此之外，為了保證數(shù)值的真實性，在某運輸科學研究所，針對拖曳水池進行了全回轉螺旋槳在多偏角的限制條件下進行敞水模型實驗，并以此作為基礎繪制了性能曲線；最終，通過具體數(shù)值的真實情況模擬試驗結果，分析得出了當前螺旋槳在多轉角條件限制下的敞水動力特性參數(shù)?？偠灾?，在不同的推進速率范圍內，多偏角會影響到全回轉螺旋槳水動力的影響規(guī)律，以及相應的動力系數(shù)變化趨勢及重力。

4 結語

通過上述試驗與計算，可得到以下結論：

1）通過采取科學合理的試驗手段，通過多種數(shù)值優(yōu)化與計算域模擬求解，經由策略的組合應用策略，針對模型試驗的技術應用以及現(xiàn)場的驗算結果得出：其具備較高的性能水平且實際的應用可靠性。

2）在各偏轉仰角工況狀態(tài)下，水動力系數(shù)值均會隨著進速的實際參數(shù)的絕對值的不斷增大而呈現(xiàn)下降趨勢，其中：Kz與10 K的系數(shù)的下降趨勢趨向平穩(wěn)，而且變化的曲線較?。欢鳮rua和Kr的下降的趨勢卻較劇烈，變化的范圍則較大；曲線速度應在曲線J值約為曲線正負差0.5倍左右時就可以達到整個曲線的最高峰值。

3）在不同的推進條件下，各種水動力系數(shù)的速度和變化趨勢曲線以及后續(xù)軸偏角的系數(shù)曲線也基本上反映了同時增加、減少、幾乎呈錐形和斷裂的線型。推進系數(shù)的V值在不同方向上也有相同程度的變化，各種水動力系數(shù)的數(shù)值變化和速度趨勢變化的各種值隨偏角和重力的方向和數(shù)值趨勢變化的程度大小上的十分重要的影響。