中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)舵角工況下的推進(jìn)性能模型試驗(yàn)

吳四川

(招商局工業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518063)

吊艙推進(jìn)器同時(shí)具備推進(jìn)和操縱的功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對常規(guī)推進(jìn)器設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。吊艙安裝形式分為兩種，固定的和可以旋轉(zhuǎn)的。豪華郵輪對推進(jìn)器的設(shè)計(jì)有更高的要求。豪華郵輪采用吊艙式推進(jìn)器，能夠使用更少的能量以更高的速度運(yùn)輸更多的有效負(fù)載，效率高、噪聲低且振動(dòng)小，船舶操縱性和乘客舒適度更好, 節(jié)約能源成本并且滿足環(huán)保需要。

關(guān)于吊艙推進(jìn)性能的研究主要集中在敞水推進(jìn)特性研究和操縱性能研究。常用方法為模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真技術(shù)。已有研究表明，艙推進(jìn)器螺旋槳效率較常規(guī)槳有所提高，但如果考慮吊艙下的阻力，則吊艙推進(jìn)裝置的系統(tǒng)效率較不考慮吊艙有所下降。拖式吊艙推進(jìn)器敞水工況下在大舵角變化范圍內(nèi)，隨著螺旋槳進(jìn)速的增加，槳葉的推力、轉(zhuǎn)矩及吊艙單元的推力下降，但是由于相關(guān)研究只在敞水工況下進(jìn)行，且舵角范圍相對較大，對于吊艙推進(jìn)單元在自航工況下舵角對推進(jìn)性能的影響未見報(bào)道。對于波浪中航行的船舶，在波長與船長的比接近1時(shí)，規(guī)則波對船舶推進(jìn)性能的影響最顯著。除了采用模型試驗(yàn)的方法，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFD數(shù)值仿真技術(shù)也廣泛地應(yīng)用于推進(jìn)器的設(shè)計(jì)。CFD方法可以有效模擬螺旋槳的敞水試驗(yàn)，得到吊艙推進(jìn)單元的推進(jìn)性能。其優(yōu)點(diǎn)是相對模型試驗(yàn)，能夠比較直觀顯示吊艙對槳葉載荷的分布、吊艙支架正前和正后的流場分布情況，同時(shí)易于修改模型參數(shù)，為吊艙推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供便捷的解決方案，但往往CFD方法需與模型試驗(yàn)進(jìn)行對比和驗(yàn)證。

但無論是采用模型試驗(yàn)方法還是CFD數(shù)值仿真，同樣存在以下問題。

1)關(guān)于吊艙推進(jìn)單元的推進(jìn)性能研究，大多模型只建立單獨(dú)吊艙推進(jìn)單元，沒有考慮船體和推進(jìn)單元之間的相互影響。有少數(shù)研究涉及到敞水工況下大舵角范圍內(nèi)吊艙單元推進(jìn)性能的變化特點(diǎn)。

2)建立吊艙推進(jìn)單元和船體完整模型，大多用于研究推進(jìn)單元的操縱性能，關(guān)于舵角工況下的吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)性能未見相關(guān)報(bào)道。

為了探索和分析中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)舵角工況下是否存在最優(yōu)舵角，以某中型豪華郵輪為目標(biāo)船，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池中分別進(jìn)行設(shè)計(jì)吃水下的船模阻力試驗(yàn)、吊艙推進(jìn)器模型敞水試驗(yàn)及設(shè)計(jì)吃水下的自航試驗(yàn)。根據(jù)ITTC推薦方法對郵輪阻力、螺旋槳敞水效率進(jìn)行預(yù)報(bào)和計(jì)算。同時(shí)開展吊艙推進(jìn)器不同舵角工況下的船模自航試驗(yàn)，并尋找吊艙推進(jìn)器的最佳舵角，為中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

模型縮尺比為27.5，實(shí)船與船模及螺旋槳主尺度見表1。中型豪華郵輪船體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟举|(zhì)，船模上未加裝舭龍骨，在船模第19站和球艏距前端1/3處安裝激流絲，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。在船尾布置雙槳式吊艙推進(jìn)器，螺旋槳為內(nèi)旋4葉槳，吊艙推進(jìn)器試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。

表1 實(shí)船與船模主尺度

圖1 中型豪華郵輪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗(yàn)分析方法

根據(jù)船模阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用二因次法將船模阻力試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)船，同時(shí)考慮空氣阻力和舭龍骨阻力。摩擦阻力系數(shù)采用1957年 ITTC公式計(jì)算得到。

船模摩擦阻力系數(shù)為

=0075(lg-2)

(1)

式中:為雷諾數(shù)。

船?？傋枇ο禂?shù)為

(2)

式中:為船模阻力；為水密度；為船模濕表面積；為船模速度。

剩余阻力系數(shù)為

=-

(3)

實(shí)船總阻力系數(shù)為

=[(+)]×[+Δ]++

(4)

式中:為實(shí)船濕表面積；為舭龍骨面積；為實(shí)船摩擦阻力系數(shù)；Δ為粗糙度補(bǔ)貼數(shù)；為空氣阻力系數(shù)。

實(shí)船總阻力為

(5)

式中:為海水密度；為實(shí)船航速。

自航試驗(yàn)分析方法采用等推力法，外推方法采用ITTC推薦換算方法。當(dāng)施加在船模上的強(qiáng)制力等于摩擦阻力修正值時(shí)，插值得到實(shí)船自航點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、推力和轉(zhuǎn)矩。摩擦阻力修正值為

[-]

(6)

式中:為船模摩擦阻力系數(shù)；為吊艙阻力尺度效應(yīng)修正系數(shù)；船模螺旋槳推力；為船模推進(jìn)單元推力。

假定推力減額無尺度效應(yīng)，并由下式(7)確定。

(7)

式中:為推力減額系數(shù)；為船?？傋枇?；為槳模推力。

根據(jù)等推力法，根據(jù)推力系數(shù)在槳模的敞水性征曲線上插值得到進(jìn)速系數(shù)和敞水中的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。推力系數(shù)和船后轉(zhuǎn)矩系數(shù)由下式得到

(8)

式中:為船模螺旋槳轉(zhuǎn)速；為槳模直徑；船模螺旋槳轉(zhuǎn)矩。

船模伴流分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算。

(9)

式中:為船模螺旋槳進(jìn)速系數(shù)。

相對旋轉(zhuǎn)效率按下式計(jì)算。

(10)

式中:為船后轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

實(shí)船伴流修正按ITTC推薦公式計(jì)算或采用Ei方法計(jì)算得到：

(11)

=(1-)(1-)

(12)

推力減額和相對旋轉(zhuǎn)效率不考慮尺度作用。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

所有模型試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理參照ITTC規(guī)范。首先進(jìn)行設(shè)計(jì)吃水下的船模阻力試驗(yàn)和吊艙推進(jìn)器模型敞水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中船模由拖車帶動(dòng)，在數(shù)據(jù)測量階段拖車速度保持恒定，拖車上配有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，采樣完成后拖車減速，直到停止，完成一次模型試驗(yàn)。試驗(yàn)規(guī)定舵角為正時(shí)，舵的導(dǎo)邊往外旋轉(zhuǎn)。

阻力試驗(yàn)分析方法采用二因次法，采用ITTC推薦摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式換算到實(shí)船。船舶阻力試驗(yàn)結(jié)果和螺旋槳敞水試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4。

圖3 船模阻力試驗(yàn)結(jié)果

圖4 實(shí)船推進(jìn)器敞水性征曲線(單槳)

隨后進(jìn)行設(shè)計(jì)吃水下的船模自航試驗(yàn)，并進(jìn)行不同舵角工況下的中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)器推進(jìn)性能試驗(yàn)。在深海、海水水溫15 ℃，無風(fēng)、無浪、無流、船體無污底的理想試航條件下，對各試驗(yàn)工況實(shí)船有效功率進(jìn)行預(yù)報(bào)。自航試驗(yàn)中推進(jìn)器在基準(zhǔn)位置改變不同的舵角，用以分析舵角對吊艙推進(jìn)器推進(jìn)性能的影響。不同舵角的自航試驗(yàn)結(jié)果見表2。以0°、3°和6°舵角為例，試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)舵角在0°～3°之間時(shí)，船舶的收到功率變化不大，舵角繼續(xù)增加則船舶收到功率增加。

圖5 不同舵角下功率預(yù)報(bào)結(jié)果

表2 不同舵角下功率預(yù)報(bào)結(jié)果

進(jìn)一步分析小范圍內(nèi)舵角變化對吊艙推進(jìn)器推進(jìn)性能的影響，以0.2°為間隔，0°到3°范圍內(nèi)的舵角進(jìn)行自航模型試驗(yàn)。對應(yīng)本研究推進(jìn)器安裝在基準(zhǔn)位置即舵角0°工況時(shí)，船舶收到功率隨舵角的變化量見表3。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，正向小舵角能夠降低收到功率，當(dāng)舵角在1.4°時(shí)，收到功率降低約0.5%至0.7%，平均收到功率降低為0.62%，相對其他艙角工況，此時(shí)平均收到功率降低值最大，因此，舵角為1.4°左右時(shí)為中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)器的最佳舵角，此時(shí)吊艙推進(jìn)器推進(jìn)性能最優(yōu)。

表3 收到功率隨舵角的變化率 %

4 結(jié)論

1)舵角變化對中型豪華郵輪吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)性能有一定影響，當(dāng)舵角在基準(zhǔn)角小范圍變化時(shí)，船舶的收到功率變化不大。當(dāng)舵角持續(xù)增加時(shí)，則船舶收到功率增加，吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)性能變差。

2)綜合考慮平均收到功率的變化量，可在小范圍內(nèi)尋找到吊艙推進(jìn)器的最佳舵角。

3)通過船模試驗(yàn)驗(yàn)證了吊艙推進(jìn)器存在最優(yōu)舵角。

4)考慮模型試驗(yàn)試驗(yàn)費(fèi)用較高且周期較長，可考慮采用數(shù)值方法與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上，基于數(shù)值仿真技術(shù)對大量舵角工況下的吊艙推進(jìn)器性能進(jìn)行研究，為吊艙推進(jìn)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更為便捷的方法。