冰槳干擾下的螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)

伍 銳， 陳偉奇， 丁 舉， 吳大轉(zhuǎn)

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所， 杭州 310027;2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 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； 3.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 噴水推進(jìn)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200011)

0 引 言

極地地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源和生物資源，據(jù)調(diào)查，北極地區(qū)可開采的石油儲(chǔ)量達(dá)2 000億桶，南極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的低溫微生物資源，具有獨(dú)特的分子生物學(xué)機(jī)制和生理生化特性，在基礎(chǔ)研究和生物工程應(yīng)用方面具有很大的價(jià)值。除了具有很大的資源利用價(jià)值以外，極地地區(qū)還具有重要的科考價(jià)值，研究極地地區(qū)近年來的氣候變化情況，有助于找到引發(fā)海嘯、颶風(fēng)等極端自然災(zāi)害的更深層次的原因。

隨著國際社會(huì)對(duì)極地地區(qū)的關(guān)注度逐漸提升，冰區(qū)船舶研究越來越受重視，推進(jìn)器作為極地船舶的重要組成部分，保證其具有優(yōu)良的性能是保證船舶安全高效航行的重要條件之一。破冰船在破冰工況下航行時(shí)，槳葉載荷較大，螺旋槳空泡相比正常航行工況嚴(yán)重。此外，螺旋槳來流中夾帶著不同大小的冰塊，使得其伴流阻塞增加，特別是螺旋槳在高伴流區(qū)域和有冰阻塞位置處有極端的槳葉剖面壓力分布出現(xiàn)，導(dǎo)致槳葉空泡加劇，并伴有瞬態(tài)特征，產(chǎn)生嚴(yán)重的艉部振動(dòng)和噪聲問題。因此，對(duì)伴流條件下的冰槳相互作用進(jìn)行深入研究，特別是對(duì)破冰工況下的螺旋槳空泡振動(dòng)問題進(jìn)行研究，對(duì)于我國極地破冰船的研制和高質(zhì)量發(fā)展而言具有重要意義。

20世紀(jì)80年代，LINDROOS等[1]對(duì)冰槳相互作用下螺旋槳空化和水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行了研究，在空泡水筒內(nèi)采用平板對(duì)導(dǎo)管槳來流情況下的冰阻塞進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)螺旋槳載荷明顯變大。SAMPSON等[2-3]和ATLAR等[4]在愛默生空泡實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了冰阻塞、撞擊和切削工況下的螺旋槳空泡試驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了冰槳相互作用會(huì)使螺旋槳的水動(dòng)力載荷增大，并可能引發(fā)嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問題。

近年來，我國學(xué)者也對(duì)極地船舶螺旋槳的水動(dòng)力、空化和振動(dòng)問題開展了諸多研究。張東江[5]評(píng)估了3種典型船型在冰區(qū)航行時(shí)的阻力特性，討論了冰區(qū)航行船舶的船槳匹配問題。郭春雨等[6]對(duì)破冰槳的水動(dòng)力性能研究進(jìn)展情況進(jìn)行了總結(jié)。王超等[7]開展了冰阻塞工況下的水動(dòng)力載荷研究，討論了空泡受流速的影響情況。孫盛夏[8]對(duì)冰阻塞和切削工況下的螺旋槳激振力進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：冰阻塞區(qū)域的槳葉空泡面積明顯增大，水動(dòng)力性能下降，激振力脈動(dòng)幅值增大；切削冰時(shí)螺旋槳軸承力脈動(dòng)增大，并產(chǎn)生明顯的高階分量，壓力脈動(dòng)的周期性變?nèi)酢Ｔ撗芯课磳?duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

鑒于上述情況，本文以某破冰船的螺旋槳為研究對(duì)象，采用模型試驗(yàn)方法，在空泡水筒內(nèi)開展伴流場(chǎng)中冰阻塞工況下的螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)，研究冰阻塞和冰槳軸向間距對(duì)螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力的影響，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，初步探究冰槳干擾下螺旋槳的空泡脈動(dòng)壓力特性。

1 研究對(duì)象

試驗(yàn)采用的螺旋槳模型材料為鋁合金，對(duì)其表面作陽極化處理，槳模的幾何要素見表1，其中R為螺旋槳半徑。圖1為螺旋槳模型示意圖[9]。

表1 槳模的幾何要素

a) A-葉背

2 試驗(yàn)研究過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和脈動(dòng)壓力測(cè)量采集處理系統(tǒng)

試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司的K15型中型空泡水筒內(nèi)進(jìn)行[10]。該水筒的相關(guān)設(shè)備由德國KEMPE&REMERS公司制造，工作段長(zhǎng)2.6 m，橫截面呈方形帶圓角，尺寸(長(zhǎng)×寬)為0.6 m×0.6 m，最高水速為12 m/s。采用J25動(dòng)力儀測(cè)量螺旋槳的水動(dòng)力，該儀器能測(cè)量的最大推力為3 000 N，最大扭矩為150 N·m，最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min?？张菟才溆姓{(diào)壓箱和除氣裝置，具有良好的氣密性和可控性，工作段的壓力調(diào)節(jié)范圍為10～200 kPa，可調(diào)相對(duì)空氣含量范圍為0.2～1.0。

脈動(dòng)壓力傳感器采用上海半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的BY-924壓電型差壓傳感器，其量程為-70～70 kPa，非線性度為0.1%，頻響大于4 096 Hz。采用NI(National Instruments)系統(tǒng)對(duì)脈動(dòng)壓力信號(hào)進(jìn)行放大、采集和存儲(chǔ)，并作快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)處理，獲得各階葉頻的脈動(dòng)壓力幅值和系數(shù)?？諝夂坑煽諝夂?jī)x(凡司萊克原理)測(cè)得，試驗(yàn)期間水筒內(nèi)水的相對(duì)空氣含量α/αs=0.55，其中：α為當(dāng)?shù)卮髿鈮合滤矁?nèi)試驗(yàn)水的含氣量；αs為當(dāng)?shù)卮髿鈮合嘛柡退暮瑲饬俊?/p>

2.2 試驗(yàn)研究方法

采用網(wǎng)格伴流發(fā)生器模擬船尾軸向伴流場(chǎng)。經(jīng)過多次修改之后，將模擬的伴流場(chǎng)的峰值與目標(biāo)伴流的相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi)。伴流測(cè)量的角度定義見圖2。2個(gè)相對(duì)半徑處的伴流模擬結(jié)果見圖3,其中r為測(cè)量半徑。

圖2 伴流測(cè)量的角度定義

圖3 2個(gè)相對(duì)半徑處的伴流模擬結(jié)果

將5臺(tái)脈動(dòng)壓力傳感器安裝在一塊位于槳模正上方的模擬船底板上，與槳軸中心線之間的距離為196.7 mm，間隙比與實(shí)船相符。模擬的冰阻塞塊和脈動(dòng)壓力傳感器布置示意圖見圖4，其中Dis為冰阻塞塊與槳葉參考線之間的距離;冰阻塞脈動(dòng)壓力試驗(yàn)設(shè)備安裝照片見圖5。試驗(yàn)中螺旋槳的轉(zhuǎn)速恒定不變(20 r/s)，調(diào)節(jié)壓力和水流速度，使模型試驗(yàn)工況下的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)速空泡數(shù)與實(shí)船工況相同[10]，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

(2)

圖4 模擬的冰阻塞塊和脈動(dòng)壓力傳感器布置示意圖

圖5 冰阻塞脈動(dòng)壓力試驗(yàn)設(shè)備安裝照片

PL=KPLn2D2

(3)

式(1)～式(3)中：D為螺旋槳直徑；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；T螺旋槳模型推力；P0為水筒中心線壓力；Pe汽化壓力；ρ為水的密度；KT為螺旋槳推力系數(shù)；σn,0.8R為轉(zhuǎn)速空泡數(shù)(取實(shí)槳槳葉在12：00位置時(shí)，參考半徑0.8R處的轉(zhuǎn)速空泡數(shù)作為水筒軸線處的轉(zhuǎn)速空泡數(shù))；PL為第L階葉頻脈動(dòng)壓力幅值；KPL為第L階葉頻脈動(dòng)壓力幅值系數(shù)?？张菝}動(dòng)壓力試驗(yàn)工況見表2，其中ns為實(shí)槳轉(zhuǎn)速。

表2 空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 無冰阻塞工況下的試驗(yàn)結(jié)果

無冰阻塞A槳在2 kn和3 kn航速、10°相位角下的空泡試驗(yàn)照片和手描圖見圖6，其實(shí)尺度1～5階葉頻脈動(dòng)壓力幅值見圖7。從圖6中可看出，在2 kn和3 kn航速下，出現(xiàn)了槳-船體渦空泡(Propeller-Hull Vortex Cavitation，PHVC)，其一端與槳葉產(chǎn)生的空泡相連，另一端與船底板相連。試驗(yàn)中隨著螺旋槳相位角的變換，PHVC在葉背空泡與梢渦空泡之間游離。圖8為無冰阻塞A槳在2 kn航速、10°相位角和3 kn航速、0°相位角下不同時(shí)刻的空泡照片，可看出不同時(shí)刻的PHVC并不穩(wěn)定，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)。圖9為無冰阻塞A槳在2 kn和3 kn航速下的實(shí)尺度P3測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)歷曲線。

圖6 無冰阻塞A槳在2 kn和3 kn航速、10°相位角下的空泡試驗(yàn)照片和手描圖

圖7 無冰阻塞A槳在2 kn和3 kn航速下的實(shí)尺度1～5階葉頻脈動(dòng)壓力幅值

a) 2 kn航速,時(shí)刻1，無PHVC

a) 2 kn航速下的P3測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)歷曲線 b) 3 kn航速下的P3測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)歷曲線

3.2 有冰阻塞工況下的試驗(yàn)結(jié)果

圖10為有冰阻塞A槳在10°轉(zhuǎn)角、2 kn和3 kn航速下的空泡試驗(yàn)照片及手描圖。有冰阻塞A槳在2 kn和3 kn航速下的實(shí)尺度1～5階葉頻脈動(dòng)壓力幅值和實(shí)尺度P2測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)歷曲線分別見圖11和圖12。有冰阻塞B槳在2 kn航速、不同冰槳間距下的實(shí)尺度1～5階葉頻脈動(dòng)壓力幅值和空泡試驗(yàn)照片分別見圖13和圖14。

圖10 有冰阻塞A槳在10°轉(zhuǎn)角、2 kn和3 kn航速下的空泡試驗(yàn)照片和手描圖

a) 2 kn航速下的實(shí)尺度1～5階葉頻脈動(dòng)壓力幅值

a) 2 kn航速下的實(shí)尺度脈動(dòng)壓力時(shí)歷曲線

a) Dis=40 mm時(shí)的實(shí)尺度1～5階葉頻脈動(dòng)壓力幅值

a) Dis=40 mm時(shí)的空泡試驗(yàn)照片

3.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

由圖6和圖7可知，無冰阻塞、3 kn航速工況下的葉背空泡面積明顯大于2 kn航速工況下的葉背空泡面積，相應(yīng)的3 kn航速工況下螺旋槳誘導(dǎo)的1階葉頻脈動(dòng)壓力高于2 kn航速工況。由圖10和圖11可知，有冰阻塞、3 kn航速工況下的葉背空泡面積大于2 kn航速工況下的葉背空泡面積，相應(yīng)的3 kn航速工況下螺旋槳誘導(dǎo)的1階葉頻脈動(dòng)壓力高于2 kn航速工況。這均是由于3 kn航速工況相比2 kn航速工況更惡劣。

對(duì)比分析圖6與圖10、圖9與圖12和圖7與圖11可知，由于冰阻塞使葉背片空泡面積變大，PHVC出現(xiàn)的頻率增加，強(qiáng)度增大，導(dǎo)致螺旋槳誘導(dǎo)的1階和2階葉頻脈動(dòng)壓力幅值增大。

由圖13和圖14可知，隨著冰槳間距減小，模擬冰的伴流阻塞效應(yīng)增強(qiáng)，螺旋槳葉背空泡面積增大，PHVC變強(qiáng)，導(dǎo)致1階葉頻脈動(dòng)壓力幅值增大。

由圖8和圖9可知，在無冰阻塞工況下，PHVC不穩(wěn)定。當(dāng)PHVC出現(xiàn)時(shí)，葉背空泡面積變小，梢渦空化減弱。在無冰阻塞工況下，PHVC時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，且位置不停地發(fā)生變化，脈動(dòng)壓力傳感器偶爾能捉到其誘導(dǎo)的壓力脈動(dòng)。對(duì)于無冰阻塞A槳而言，2 kn航速工況下PHVC誘導(dǎo)的最大脈動(dòng)壓力幅值為-38.625 kPa，3 kn航速工況下PHVC誘導(dǎo)的最大脈動(dòng)壓力幅值為-68.786 kPa。由圖12可知，在有冰阻塞工況下，PHVC出現(xiàn)的頻率增加且更加劇烈，脈動(dòng)壓力傳感器捕捉到的負(fù)壓峰較多。對(duì)于有冰阻塞A槳而言，2 kn航速工況下PHVC誘導(dǎo)的最大脈動(dòng)壓力幅值約為-72.758 kPa，3 kn航速工況下PHVC誘導(dǎo)的最大脈動(dòng)壓力幅值為-98.382 kPa。PHVC使螺旋槳脈動(dòng)壓力不再具有平穩(wěn)的周期性，經(jīng)典的FFT譜不能呈現(xiàn)頻譜隨時(shí)間的變化特征。

4 結(jié) 語

本文以某破冰船螺旋槳為研究對(duì)象，在空泡水筒內(nèi)開展了伴流場(chǎng)中有冰阻塞工況下的螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)，探究了冰阻塞和冰槳軸向間距對(duì)螺旋槳空化和脈動(dòng)壓力的影響，主要得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)有冰阻塞時(shí)，螺旋槳葉背空泡面積明顯變大，PHVC出現(xiàn)的頻率增加且更加劇烈，1階和2階葉頻脈動(dòng)壓力幅值增大。

2) 隨著冰槳軸向間距的減小，螺旋槳葉背空泡面積變大，1階葉頻脈動(dòng)壓力增大。

3) PHVC影響槳葉的空泡形態(tài)和脈動(dòng)壓力，使其具有隨機(jī)瞬態(tài)特性，經(jīng)典的FFT譜不能分析其非平穩(wěn)特征，需研究新的分析方法。由于PHVC引起的隨機(jī)瞬態(tài)脈動(dòng)壓力幅值較大，工程中應(yīng)船舶避免產(chǎn)生PHVC。