基于CFD 的電力推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配特性研究

孫國亮，蘇朝君，周鋆玲，韓 璐

(1. 中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431；2. 上海船舶設(shè)備研究所系統(tǒng)總體部，上海 200031)

0 引 言

船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，理論上配合點(diǎn)即100%負(fù)荷和100%轉(zhuǎn)速的MCR 點(diǎn)，但船舶營運(yùn)一段時(shí)間后由于船體表面、螺旋槳表面附著海生物、腐蝕，同時(shí)海洋水流、風(fēng)浪以及航道變淺變窄等因素也會(huì)引起船體阻力增加，船舶航速就會(huì)降低。因此在新造船舶螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮實(shí)際運(yùn)行情況以消除設(shè)計(jì)偏差，這需要根據(jù)實(shí)船的阻力變化規(guī)律進(jìn)行機(jī)槳匹配儲(chǔ)備設(shè)計(jì)，負(fù)荷點(diǎn)的選擇直接影響螺旋槳和原動(dòng)機(jī)的匹配問題。近年應(yīng)用推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶越來越多，推進(jìn)電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，具有恒扭矩/恒功率運(yùn)行的能力，電力推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)可以應(yīng)用功率儲(chǔ)備，也可以轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備設(shè)計(jì)。

國內(nèi)船舶電力推進(jìn)應(yīng)用尚處于起步階段，多集中于吊艙式電力推進(jìn)理論研究。劉波[1]通過應(yīng)用編程和仿真工具Simulink 對(duì)電力推進(jìn)的船機(jī)槳匹配進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析；張偉[2]通過UG 建模，利用CFD 技術(shù)對(duì)吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行模擬分析；秦業(yè)志[3]利用常規(guī)螺旋槳等效設(shè)計(jì)吊艙螺旋槳的方法，用Lab-VIEW 編程語言開發(fā)船機(jī)槳匹配分析軟件，優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)方案；胡興富[4]通過螺旋槳推進(jìn)和交流電機(jī)的推進(jìn)特性分析，對(duì)勘探312 船不同工況下的機(jī)槳匹配問題進(jìn)行了研究。

國內(nèi)對(duì)于異步電機(jī)帶定距槳推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)槳匹配研究較少，本文采用數(shù)值模擬方法開展某型電力推進(jìn)船舶機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)，充分考慮長期運(yùn)營后的污底影響，分析對(duì)比了2 種螺旋槳設(shè)計(jì)下的實(shí)船模擬效果，對(duì)于直軸電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 研究對(duì)象及建模

本文研究對(duì)象船船型參數(shù)和螺旋槳數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 船型主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of ship type

根據(jù)船型、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳和附體參數(shù)，建立船體及附體三維幾何模型，形成的全附體模型如圖1 所示。

圖1 全附體船體幾何模型Fig. 1 Fully attached hull geometry model

2 船舶污底增阻數(shù)值模擬

2.1 污底等級(jí)與粗糙度定義

船舶污底通常分為軟污垢和硬污垢，軟污垢通常是藻類，粘質(zhì)物粘液和草類，對(duì)涂層系統(tǒng)和船舶性能的影響最小。具有鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)的硬污垢更頑強(qiáng)，可能會(huì)損害船舶和涂層系統(tǒng)的性能。復(fù)合污垢包括硬污垢和軟污垢生物，對(duì)船舶的性能、涂層和機(jī)械系統(tǒng)極為不利[5-6]。

根據(jù)美海軍艦艇技術(shù)手冊(cè)中描述[7]，污底可以劃分為0～100 污底等級(jí)，數(shù)值越大表明污底情況越嚴(yán)重。其中0～30 為軟質(zhì)附著物，草狀附著物長度短于76 mm高度不超過6.4 mm，40～90 為硬質(zhì)，100 為軟硬復(fù)合附著物是最為嚴(yán)重的。40～60 的鈣化物直徑或高度小于6.4 mm。70～80 則高于6.4 mm，并出現(xiàn)重疊生長。在船舶日常運(yùn)營中應(yīng)當(dāng)周期性檢查船體污底，當(dāng)污底等級(jí)為50 時(shí)需要入塢進(jìn)行全面清理，因此本文數(shù)值模擬將只考慮污底等級(jí)0～50 之間的情況。

根據(jù)涂層粗糙度和生物淤積對(duì)船舶阻力和動(dòng)力的影響研究結(jié)果[8]，污底等級(jí)與等效粗糙度的關(guān)系如表2所示。

表2 污底等級(jí)與等效粗糙度關(guān)系Tab. 2 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

數(shù)值模擬只考慮污底等級(jí)0～50，因此對(duì)應(yīng)的粗糙度考慮0～1 000。按照文獻(xiàn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和污底等級(jí)對(duì)等效粗糙度0，30，100，300，1 000 進(jìn)行實(shí)尺度阻力計(jì)算，數(shù)值計(jì)算分別在航速24 kn 和26 kn 下開展。

2.2 污底增阻數(shù)值計(jì)算

2.2.1 計(jì)算域劃分與網(wǎng)格生成

計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，半船模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對(duì)稱面，底部和頂部為滑移壁面，對(duì)稱面亦設(shè)為對(duì)稱面，對(duì)稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動(dòng)到x負(fù)方向。

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離船體方向網(wǎng)格較為稀疏。

2.2.2 數(shù)值模擬設(shè)置

數(shù)值模擬計(jì)算采用STAR-CCM+軟件，控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，對(duì)控制方程進(jìn)行有限體積法離散，采用雷諾平均法作為湍流數(shù)值模擬方法（RANS）；計(jì)算采用Simple 算法，采用可實(shí)現(xiàn)K-Epsilon 湍流模型，流體為不可壓縮恒密度流體，自由液面用VOF 方法捕捉。

本次計(jì)算在實(shí)船尺度下進(jìn)行，污底增值數(shù)值模擬形成結(jié)果如表3 所示。

表3 污底增值數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

在污底等級(jí)為50 時(shí)，26 kn 相比無污底增阻25.4%，而24 kn 時(shí)增阻28.2%。

在污底等級(jí)為30 時(shí)，26 kn 相比無污底增阻15.6%，而24 kn 時(shí)增阻17.3%。

與文獻(xiàn)[8]描述的情況類似，低速時(shí)增阻較多，原因可能是低速時(shí)摩擦阻力占比重較大而高速時(shí)興波阻力占比重較大。數(shù)值模擬的后處理波形圖如圖2 所示。

圖2 波形圖（實(shí)尺度）Fig. 2 Waveform diagram (real scale)

3 數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)

數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)分為敞水、阻力、自航三部分，試驗(yàn)結(jié)果處理與實(shí)體的物理水池一致。

數(shù)值模擬計(jì)算采用STAR-CCM+，控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，對(duì)控制方程進(jìn)行有限體積法離散，采用雷諾平均法作為湍流數(shù)值模擬方法（RANS）；計(jì)算采用Simple 算法，采用可實(shí)現(xiàn)K-Epsilon 湍流模型，流體為不可壓縮恒密度流體。

3.1 敞水虛擬試驗(yàn)

分別設(shè)計(jì)2 種螺旋槳，用于比較考慮轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備后的機(jī)槳匹配特性。

1）常規(guī)槳

常規(guī)槳（代號(hào)1 711）即考慮新船工況下，電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速都運(yùn)行在設(shè)計(jì)點(diǎn)的螺旋槳。根據(jù)船體阻力數(shù)據(jù)，此常規(guī)設(shè)計(jì)螺距比為1.32。

2）優(yōu)化槳

優(yōu)化槳（代號(hào)1711m）即考慮新船工況下，電機(jī)額定功率下轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速5%以上。優(yōu)化槳設(shè)計(jì)螺距為1.22，比常規(guī)槳螺距比低。

計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，槳模3D 模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對(duì)稱面，底部和頂部為滑移壁面，另一側(cè)亦設(shè)為對(duì)稱面。水流從x正方向流動(dòng)到x負(fù)方向。

在槳模周圍的圓柱型區(qū)域可以旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)域與立方體的大計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值交換。

外部邊界距離螺旋槳足夠遠(yuǎn)，可以認(rèn)為基本不會(huì)產(chǎn)生影響。分別對(duì)代號(hào)1 711 螺旋槳和代號(hào)1711 m 螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 兩類螺旋槳側(cè)視圖Fig. 3 Side view of two types of propeller

圖4 網(wǎng)格劃分Fig. 4 Mesh generation

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在交接面附近加密，槳葉周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離槳葉方向網(wǎng)格較為稀疏。常規(guī)槳模型敞水試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 常規(guī)槳模型敞水特性Tab. 4 Open water characteristics of conventional propeller model

J=0.95 時(shí)常規(guī)槳壓力面、吸力面積速度場(chǎng)后處理圖如圖8 和圖9 所示。

圖5 J=0.95 時(shí)常規(guī)槳葉壓力面與吸力面Fig. 5 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface ofconventional propeller

圖6 J=0.95 時(shí)常規(guī)槳前后速度變化與速度場(chǎng)Fig. 6 When J=0.95, velocity variation and velocity field of conventional propeller

圖9 自航時(shí)螺旋槳旋轉(zhuǎn)域展示Fig. 9 Display propeller rotation field when ship is sailing

優(yōu)化槳模型敞水特性結(jié)果如表5 所示。

表5 優(yōu)化槳模型敞水特性Tab. 5 Open water characteristics of optimized propeller model

J=0.95 時(shí)優(yōu)化槳壓力面、吸力面積速度場(chǎng)后處理圖如圖7 和圖8，后處理圖如圖10 所示。

圖7 J=0.95 時(shí)優(yōu)化槳葉壓力面與吸力面Fig. 7 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface of optimized propeller

圖8 J=0.95 時(shí)優(yōu)化槳前后速度變化與速度場(chǎng)Fig. 8 When J=0.95, velocity variation and velocity field of optimized propeller

圖10 自航時(shí)的網(wǎng)格劃分Fig. 10 Meshing during self - navigation

3.2 阻力虛擬試驗(yàn)

與實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬類似，模型尺度阻力計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，半船模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對(duì)稱面，底部和頂部為滑移壁面，對(duì)稱面亦設(shè)為對(duì)稱面，對(duì)稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動(dòng)到x負(fù)方向。

與實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬類似，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離船體方向網(wǎng)格較為稀疏。

虛擬試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 模型阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Results of virtual test of model resistance

3.3 自航虛擬試驗(yàn)

與阻力數(shù)值模擬類似，模型尺度阻力計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，全船模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對(duì)稱面，底部和頂部為滑移壁面，對(duì)稱面亦設(shè)為對(duì)稱面，對(duì)稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動(dòng)到x負(fù)方向。

與實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬類似，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離船體方向網(wǎng)格較為稀疏。

自航時(shí)的網(wǎng)格劃分，螺旋槳、船體周圍較為密集，遠(yuǎn)場(chǎng)較為稀疏。

優(yōu)化槳轉(zhuǎn)速高于常規(guī)槳，與預(yù)期一致，二者伴流分?jǐn)?shù)和推力減額基本一致。

優(yōu)化槳軸縱剖面速度場(chǎng)后處理圖如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化槳軸縱剖面速度場(chǎng)Fig. 11 Velocity field in longitudinal profile of optimized propeller shaft

3.4 實(shí)船預(yù)報(bào)

數(shù)值模擬的分析方法與物理水池試驗(yàn)一致。

表7 常規(guī)槳自航虛擬試驗(yàn)Tab. 7 Virtual experiment of conventional propeller self - navigation

污底增阻發(fā)生在實(shí)船尺度上，因此預(yù)報(bào)過程中模型值不變，將增阻增加在實(shí)船的阻力系數(shù)上。Cp=1.000，Cn=1.000 實(shí)船航速預(yù)報(bào)結(jié)果如表9～表14 所示：

表9 常規(guī)槳實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 9 The forecast results of conventional propeller

表14 優(yōu)化槳25%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 14 The forecast results of optimized propeller 25% increase resistance

綜合上述各表數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果繪制轉(zhuǎn)速-功率趨勢(shì)圖,如圖12 所示。

可以看出：

1）常規(guī)槳（代號(hào)1 711）在轉(zhuǎn)速約280 r/min，在無污底時(shí)航速為26.30 kn；在25%增阻的情況下，推進(jìn)電機(jī)降功率運(yùn)行，螺旋槳轉(zhuǎn)速在約266 r/min，常規(guī)槳航速為24.45 kn。

2）優(yōu)化槳（代號(hào)1711 m）在轉(zhuǎn)速約294 r/min，在無污底時(shí)航速為26.25 kn；在25%增阻的情況下，推進(jìn)電機(jī)恒功率運(yùn)行，螺旋槳轉(zhuǎn)速在約286 r/min，常規(guī)槳航速為24.75 kn。

轉(zhuǎn)速功率圖分析，表明本次數(shù)值模擬中常規(guī)槳對(duì)比優(yōu)化槳，降速分別為1.85 kn 和1.5 kn，優(yōu)化槳減小航速降為0.35 kn（為0.35/1.5=23.33%）。這是由于常規(guī)槳在增阻后曲線向左移動(dòng)，從而導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)無法在額定功率下運(yùn)行，而優(yōu)化槳在曲線左移后推進(jìn)電機(jī)依舊可以在額定功率運(yùn)行。

表10 常規(guī)槳20%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 10 The forecast results of conventional propeller 20% increase resistance

表11 常規(guī)槳25%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 11 The forecast results of conventional propeller 25% increase resistance

轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備，即輕轉(zhuǎn)裕度（light running margin）指考慮到新船在未來使用條件下吸收100%主機(jī)功率時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速的余量，國際拖曳水池協(xié)會(huì)ITTC 建議預(yù)留5%～7%[9]。因而可以利用電機(jī)設(shè)定的超過額定轉(zhuǎn)速之后恒功率的特性，在電機(jī)配合定距槳的時(shí)候預(yù)留較大的輕轉(zhuǎn)裕度。建議在7%以上，但也不宜過大，過大的輕轉(zhuǎn)裕度將會(huì)使得設(shè)計(jì)出的螺旋槳敞水效率下降。

表12 優(yōu)化槳實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 12 The forecast results of optimized propeller

表13 優(yōu)化槳20%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 13 The forecast results of optimized propeller 20% increase resistance

4 結(jié) 語

本文對(duì)某船的全附體開展建模，并進(jìn)行了實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬，建立了船舶污底數(shù)值模型構(gòu)建方法，并對(duì)比了2 種設(shè)計(jì)螺旋槳敞水?dāng)?shù)值模擬及兩對(duì)槳的自航數(shù)值模擬。得出以下結(jié)論：

1）建立了污底等級(jí)和等效粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過污底增阻數(shù)值模擬，污底等級(jí)在30 時(shí)，該船26 kn 航速增阻15%左右；污底等級(jí)在40～60 時(shí)，該船26 kn 航速增阻25%左右。

2）轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備，指考慮到新船在未來使用條件下吸收100%主機(jī)功率時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速的余量。通過在設(shè)計(jì)階段減小定距螺旋槳的螺距比，可以使得新船的螺旋槳以較輕的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，吸收100%主機(jī)功率時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速高于主機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

3）本文數(shù)值模擬中常規(guī)槳對(duì)比優(yōu)化槳，降速分別為1.85kn 和1.5kn，優(yōu)化槳減小航速降為0.35kn（為0.35/1.5=23.33%）。

4）推進(jìn)電機(jī)+定距槳的電力推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)特性與常規(guī)柴油機(jī)主機(jī)存在較大不同，同時(shí)定距槳在裝船后無法通過調(diào)節(jié)螺距進(jìn)行船機(jī)槳匹配。因此在船舶設(shè)計(jì)階段中確定螺旋槳轉(zhuǎn)速-功率設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)需全面考慮、謹(jǐn)慎選擇，綜合考慮但不限于設(shè)計(jì)航速指標(biāo)、長期運(yùn)行時(shí)污底、轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備、功率儲(chǔ)備等因素。