三吊艙船舶尾部附體對(duì)性能影響與螺旋槳功率不平衡分析

鄒康,桂滿海,賴明雁

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

在船舶設(shè)計(jì)階段,推進(jìn)方式的確定受到很多因素的影響,例如,總布置、船舶吃水、快速性、系柱拖力、操縱性、動(dòng)力定位,以及經(jīng)濟(jì)性等。隨著航速和拖力要求越來(lái)越高,船舶推進(jìn)功率越來(lái)越大,其中一些船舶往往需要采用3槳甚至多槳推進(jìn)方式,以便滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)多槳推進(jìn)的研究,目前大多基于模型試驗(yàn),開展多槳推進(jìn)器干擾、阻力分配,以及自航因子的計(jì)算和分析[1-3],其中涉及3吊艙推進(jìn)船舶尾部附體形式對(duì)船舶水動(dòng)力性能的影響,以及3吊艙推進(jìn)的螺旋槳吸收功率不平衡特性的研究未見報(bào)道。

為探討分析3吊艙船舶不同尾部附體形式對(duì)水動(dòng)力性能的影響,以及螺旋槳吸收功率的不平衡特性,以某3吊艙推進(jìn)船舶為例,通過(guò)與荷蘭MARIN水池以及ABB公司開展合作,針對(duì)3吊艙這一推進(jìn)方式,開展了尾部附體的研究,首先分析多種尾部附體形式的影響和特點(diǎn),繼而確定適合所研究船型特點(diǎn)的尾部附體方案。在此基礎(chǔ)上,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法計(jì)算附體受力特征,基于船舶阻力性能對(duì)附體安裝角度進(jìn)行對(duì)比分析和優(yōu)化;此外,考慮到三槳船特有的推力和功率不平衡問題,基于CFD方法,開展目標(biāo)船系柱狀態(tài)和航行狀態(tài)下3槳之間的推力和功率不平衡問題研究。

1 不同尾部附體形式對(duì)比

目標(biāo)船尾部配備3個(gè)吊艙式推進(jìn)器,考慮到尾部布置空間等因素,采用舷側(cè)2個(gè)推進(jìn)器靠前,中間推進(jìn)器靠后的布置方式,見圖1。分別從快速性、操縱性和動(dòng)力定位3個(gè)方面對(duì)4種尾部附體形式進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 尾部推進(jìn)器和附體布置平面示意

如圖1所示,方案1 為無(wú)附體形式;方案2和方案3分別為單呆木和雙呆木形式;方案4為雙尾翼形式。上述4種方案基本涵蓋了3吊艙推進(jìn)船舶目前常用的尾部附體形式。

關(guān)于附體對(duì)船舶水動(dòng)力性能的影響,主要通過(guò)定性方法進(jìn)行分析,就阻力而言,參照船舶阻力模型試驗(yàn)的處理方法[4],主要考慮附體的濕面積對(duì)阻力的影響,濕面積越大則認(rèn)為阻力增加越多;操縱性主要考慮尾部附體對(duì)水下側(cè)投影面積的影響[5],尾部附體側(cè)投影面積越大,航向穩(wěn)定性越好;動(dòng)力定位性能則主要考慮附體對(duì)推進(jìn)器的干擾[6],附體越多,距離推進(jìn)器越近,則推進(jìn)器的推力禁區(qū)范圍越大,對(duì)動(dòng)力定位性能越不利。

方案1,未采用任何附體,從阻力和快速性角度來(lái)看,該方案船體濕表面積最小,阻力性能較好;從動(dòng)力定位角度而言,該方案無(wú)需考慮尾部螺旋槳和附體之間的干擾,僅需要各螺旋槳之間的干擾,因此螺旋槳的推力禁區(qū)范圍較小,對(duì)動(dòng)力定位能力有利;從操縱性方面考慮,該方案尾部水下側(cè)投影面積較小,船舶的航向穩(wěn)定性最差。

方案2,通過(guò)增加尾部單呆木,相對(duì)方案1而言,可以有效提高船舶的航向穩(wěn)定性;但增加呆木也會(huì)增加濕表面積,從而增加阻力,并且呆木會(huì)對(duì)中間螺旋槳的進(jìn)流帶來(lái)不利影響;同時(shí),呆木的存在,也會(huì)增大動(dòng)力定位工況時(shí)尾部螺旋槳的推力禁區(qū)范圍。

方案3,采用雙呆木形式,可以一定程度上避免單呆木對(duì)中間推進(jìn)器進(jìn)流帶來(lái)的不利影響,并且可以進(jìn)一步改善船舶的航向穩(wěn)定性,但在動(dòng)力定位工況下,雙呆木會(huì)使得尾部螺旋槳推力禁區(qū)范圍增大,同時(shí)阻力也會(huì)較單呆木更大。

方案4,為雙尾翼方案,相較于單呆木而言,對(duì)阻力的影響相當(dāng),但對(duì)螺旋槳進(jìn)流的影響更小,并且航向穩(wěn)定性比單呆木更好,介于單呆木和雙呆木之間;就動(dòng)力定位工況而言,雙尾翼對(duì)螺旋槳推力禁區(qū)范圍的影響較雙呆木形式更小。

上述4種尾部附體形式在快速性、操縱性和動(dòng)力定位方面各有特點(diǎn),需要結(jié)合目標(biāo)船型需求綜合考慮。從定性角度對(duì)比上述4種附體形式的各自優(yōu)缺點(diǎn),見表1。

表1 不同附體形式性能對(duì)比

綜合考慮上述4種附體的特點(diǎn),以及目標(biāo)船在快速性、操縱性以及動(dòng)力定位方面的需求和特點(diǎn),尾部適宜采用雙尾翼形式,見圖2。

圖2 雙尾翼附體示意

2 雙尾翼安裝角度優(yōu)化

為了降低雙尾翼對(duì)快速性的影響,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,基于船舶阻力對(duì)雙尾翼的安裝角度進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 阻力計(jì)算模型與參數(shù)

因目標(biāo)船以及附體具有對(duì)稱性,因此CFD僅計(jì)算一半?yún)^(qū)域。計(jì)算域的尺度為:船首距離計(jì)算域入口邊界約2倍船長(zhǎng),船尾距離計(jì)算域出口約3倍船長(zhǎng),側(cè)邊界距離船舶中縱剖面約2.5倍船長(zhǎng),水線距離頂部邊界1倍船長(zhǎng),距離底部邊界約2.5倍船長(zhǎng),計(jì)算在模型尺度下進(jìn)行,縮尺比為1∶18,計(jì)算航速為設(shè)計(jì)航速。

計(jì)算采用Trimmed非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,近壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,船舶首尾以及雙尾翼附近進(jìn)行加密,自由面網(wǎng)格也進(jìn)行加密,船體周圍網(wǎng)格向外逐漸稀疏,見圖3、4。

圖3 阻力計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意

圖4 尾部及尾翼局部網(wǎng)格加密示意(左舷)

邊界條件類型為:計(jì)算域左側(cè)入口、頂部、底部以及側(cè)邊界均為速度入口;計(jì)算域右側(cè)為壓力出口;船舶中縱剖面所在邊界為對(duì)稱面邊界條件。

參考類似船型采用CFD方法計(jì)算阻力的研究成果[7],計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約150萬(wàn),無(wú)量綱壁面距離y+取值約40,采用SSTk-ω湍流模型,自由面計(jì)算采用VOF方法。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

通常而言,尾部附體順著流體的流線方向布置會(huì)比較好地減少附體對(duì)流場(chǎng)的干擾。通過(guò)尾部雙尾翼兩側(cè)的動(dòng)壓分布以及尾翼受到的側(cè)向力來(lái)分析尾翼安裝的角度;此外,還分析了不同尾翼安裝角度的船舶剩余阻力系數(shù)Cr,分析安裝角度對(duì)阻力的影響。

尾翼安裝角度0°時(shí)(沿船長(zhǎng)方向安裝),尾翼兩側(cè)和尾部附近動(dòng)壓力見圖5,為了便于顯示,對(duì)船體左右舷進(jìn)行對(duì)稱。

圖5 安裝角度0°時(shí)尾翼兩側(cè)動(dòng)壓云圖

由圖5可見,尾翼兩側(cè)動(dòng)壓力分布差異較大,對(duì)于左舷尾翼而言,其左側(cè)為壓力面,右側(cè)為吸力面,因此安裝角度為0°時(shí),尾翼與等效平均來(lái)流存在一定攻角。

為了減少與來(lái)流的攻角,開展6個(gè)不同尾翼安裝角度的計(jì)算,從1°～6°,間隔1°,尾翼前緣向舷側(cè)偏轉(zhuǎn)定義為正。不同尾翼安裝角度下兩側(cè)動(dòng)壓見圖6。

圖6 不同尾翼安裝角度下尾翼兩側(cè)動(dòng)壓云圖

從圖6來(lái)看,隨著安裝角度的增大,左舷尾翼左側(cè)逐漸由壓力面變?yōu)槲γ?安裝角度為3°時(shí),尾翼兩側(cè)壓力分布接近基本相當(dāng)。進(jìn)一步分析左舷尾翼受到的側(cè)向力,見圖7。

圖7 不同尾翼安裝角度下尾翼側(cè)向力(模型尺度)

圖7顯示,計(jì)算角度范圍內(nèi),尾翼側(cè)向力隨著安裝角度的變化基本呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì),側(cè)向力為0時(shí)對(duì)應(yīng)的尾翼安裝角度約為2.7°,此時(shí)尾翼兩側(cè)動(dòng)壓分布基本相同,見圖8。

圖8 安裝角度2.7°時(shí)尾翼兩側(cè)動(dòng)壓云圖

分析不同尾翼安裝角度對(duì)船舶阻力性能的影響,船舶剩余阻力系數(shù)Cr隨尾翼安裝角度的變化見圖9,其中剩余阻力系數(shù)采用二因次法求得。

圖9 不同尾翼安裝角度的船舶剩余阻力系數(shù)

從圖9結(jié)果來(lái)看,剩余阻力系數(shù)隨著尾翼安裝角度的增大,呈現(xiàn)先下降,后升高的趨勢(shì),在安裝角度3.5°附近,剩余阻力系數(shù)基本達(dá)到最小值,較0°安裝角約降低2.7%。

對(duì)比圖7和圖9可以看出,尾翼側(cè)向力為零時(shí),船體剩余阻力系數(shù)并非最小,這可能是因?yàn)椴煌惭b角度下,尾翼對(duì)船體表面壓力分布以及尾部流場(chǎng)的影響不同所造成的,側(cè)向力為零時(shí),對(duì)剩余阻力并非最有利。

3 推力與功率不平衡分析

針對(duì)3吊艙推進(jìn)器的推力與功率不平衡問題,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,基于優(yōu)化后的附體安裝角度,開展系柱和航行狀態(tài)下3個(gè)推進(jìn)器之間的推力和功率計(jì)算與分析。

3.1 帶推進(jìn)器計(jì)算模型與參數(shù)

由于考慮了螺旋槳,CFD計(jì)算需要考慮全船。計(jì)算采用實(shí)尺度疊模,近壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,船舶首尾以及推進(jìn)器附近進(jìn)行適當(dāng)加密,船體周圍網(wǎng)格向外逐漸稀疏,計(jì)算域尺度為:船首至計(jì)算域入口邊界約2倍船長(zhǎng),船尾距計(jì)算域出口邊界約6倍船長(zhǎng),計(jì)算域?qū)挾燃s8倍船長(zhǎng),計(jì)算域高度約3倍船長(zhǎng),計(jì)算域以及局部網(wǎng)格加密見圖10。計(jì)算域邊界條件類型為:船首方向、底部以及側(cè)邊界均為速度入口,船尾方向?yàn)閴毫Τ隹?頂部為對(duì)稱面邊界條件,網(wǎng)格數(shù)約4 000萬(wàn),采用SST k-ω湍流模型。兩側(cè)槳旋向?yàn)橥庑?中間槳為右旋,3個(gè)推進(jìn)器尺度參數(shù)相同。

圖10 帶推進(jìn)器計(jì)算域及局部網(wǎng)格加密示意

計(jì)算采用荷蘭MARIN水池的ReFRESCO程序進(jìn)行,該程序基于RANS方法,能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)流場(chǎng)的模擬分析。

3.2 系柱狀態(tài)三槳推力及功率分析

針對(duì)船舶零航速系柱狀態(tài),進(jìn)行兩種螺旋槳轉(zhuǎn)速組合的計(jì)算,見表2。

表2 系柱狀態(tài)螺旋槳轉(zhuǎn)速組合

轉(zhuǎn)速組合2,不同剖面處的軸向速度見圖11。兩側(cè)推進(jìn)器(含導(dǎo)流管)產(chǎn)生的推力和吸收功率與中間槳的比值和不平衡百分?jǐn)?shù)見表3、4。表中不平衡百分?jǐn)?shù)定義為兩側(cè)槳產(chǎn)生推力或吸收功率與中間槳差值占中間槳推力或功率的百分?jǐn)?shù)。

表3 系柱狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳發(fā)出推力比值

表4 系柱狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳吸收功率比值

圖11 系柱狀態(tài)不同剖面軸向速度云圖示例

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速相同時(shí)(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速組合1,179 r/min),兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的推力較中間槳小,最大不平衡百分?jǐn)?shù)約2.4%,此時(shí)螺旋槳吸收功率的不平衡百分?jǐn)?shù)約1.5%。為了使得各推進(jìn)器吸收功率相當(dāng),需要調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速,當(dāng)適當(dāng)降低中間槳轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速組合2)時(shí),各推進(jìn)器發(fā)出推力和吸收功率基本一致,最大功率不平衡百分?jǐn)?shù)約0.4%,推力不平衡百分?jǐn)?shù)約1%。

總體而言,系柱狀態(tài)下兩側(cè)槳與中間槳的推力和功率平衡性較好,相同轉(zhuǎn)速下中間槳吸收功率略高。這主要是因?yàn)橄抵鶢顟B(tài)下,船體對(duì)螺旋槳進(jìn)流的影響較小,中間槳處的伴流略大。因此,系柱狀態(tài)下三槳的進(jìn)流狀態(tài)相當(dāng),相同轉(zhuǎn)速下的推力和功率差別不大,中間槳略高。

3.3 航行狀態(tài)3槳推力及功率分析

針對(duì)船舶航行狀態(tài),進(jìn)行了3種螺旋槳轉(zhuǎn)速組合的計(jì)算,見表5。船舶航速為設(shè)計(jì)航速,計(jì)算采用強(qiáng)迫自航法。

表5 航行狀態(tài)螺旋槳轉(zhuǎn)速組合

航行狀態(tài)轉(zhuǎn)速組合3,不同剖面處的軸向速度見圖12,與圖11對(duì)比發(fā)現(xiàn),航行狀態(tài)軸向速度形式與系柱狀態(tài)有明顯差別。

圖12 航行狀態(tài)不同剖面軸向速度云圖示例

兩側(cè)推進(jìn)器(含導(dǎo)流管)產(chǎn)生的推力和吸收功率與中間槳的比值和不平衡百分?jǐn)?shù)見表6、7。表中不平衡百分?jǐn)?shù)定義為兩側(cè)槳產(chǎn)生推力或吸收功率與中間槳差值占中間槳推力或功率的百分?jǐn)?shù)。

表6 航行狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳發(fā)出推力比值

表7 航行狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳吸收功率比值

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速相同時(shí)(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速組合1,168 r/min),兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的推力較中間槳小,最大推力不平衡百分?jǐn)?shù)約16.7%,此時(shí)功率不平衡百分?jǐn)?shù)約12.5%,航行狀態(tài)功率不平衡百分?jǐn)?shù)相較系柱狀態(tài)顯著增加。通過(guò)降低中間槳轉(zhuǎn)速,可減小三槳之間的功率不平衡,如轉(zhuǎn)速組合2,中間槳轉(zhuǎn)速較兩側(cè)降低0.5 r/min,此時(shí)功率不平衡百分?jǐn)?shù)約9.7%,功率不平衡有所改善,當(dāng)中間槳轉(zhuǎn)速較兩側(cè)槳降低4 r/min時(shí),如轉(zhuǎn)速組合3,此時(shí)功率不平衡進(jìn)一步改善,不平衡百分?jǐn)?shù)約2.4%。

計(jì)算采用強(qiáng)迫自航法,上述3種轉(zhuǎn)速組合并非對(duì)應(yīng)實(shí)際船舶自航點(diǎn),考慮實(shí)際航行操作慣例,3槳轉(zhuǎn)速取相同值,通過(guò)預(yù)報(bào)可得實(shí)船設(shè)計(jì)航速自航時(shí)三槳轉(zhuǎn)速為181.6 r/min,此時(shí)3槳的推力和功率比值以及不平衡百分?jǐn)?shù)見表8。

表8 設(shè)計(jì)航速自航點(diǎn)兩側(cè)槳與中間槳推力/功率比值

從預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看,實(shí)船設(shè)計(jì)航速航行時(shí),兩側(cè)槳與中間槳的功率不平衡百分?jǐn)?shù)約10.4%,推力不平衡百分?jǐn)?shù)約13.5%。

總體而言,與系柱狀態(tài)類似,相同轉(zhuǎn)速下,中間槳吸收功率較兩側(cè)槳更高,但航行狀態(tài)的推力和功率不平衡百分?jǐn)?shù)較系柱狀態(tài)明顯增加,這主要是因?yàn)楹叫袪顟B(tài)下,船體對(duì)螺旋槳進(jìn)流的影響較大,中間槳處的伴流較高,與兩側(cè)槳差別較大,因此相同轉(zhuǎn)速下中間槳進(jìn)速系數(shù)更小,因此產(chǎn)生的推力和吸收功率也相對(duì)更大。從上述算例還可以看出,通過(guò)調(diào)整中間槳和兩側(cè)槳的轉(zhuǎn)速,改善了螺旋槳推力和功率的不平衡,如表5中轉(zhuǎn)速組合3,通過(guò)降低中間槳轉(zhuǎn)速,增加兩側(cè)槳轉(zhuǎn)速,顯著降低了航行工況下3槳的功率不平衡百分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)論

1)雙尾翼相較于單呆木對(duì)阻力的影響相當(dāng),但對(duì)螺旋槳進(jìn)流的影響更小,并且由于尾翼的側(cè)面積形心距離船中更遠(yuǎn),因此航向穩(wěn)定性比單呆木更好,介于單呆木和雙呆木之間;就動(dòng)力定位工況而言,雙尾翼對(duì)螺旋槳推力禁區(qū)范圍的影響較雙呆木形式更小,雙尾翼形式較為適合所研究的3吊艙船型。

2)從船舶阻力的角度對(duì)尾翼安裝角度進(jìn)行優(yōu)化,確定阻力最低的安裝角約3.5°,同時(shí)發(fā)現(xiàn)尾翼側(cè)向力為零時(shí)船體剩余阻力系數(shù)并非最小,可能是因?yàn)榘惭b角度不僅影響尾翼本身的側(cè)向力和阻力,而且影響船體表面壓力分布,同時(shí)也說(shuō)明尾翼對(duì)阻力的影響需要結(jié)合船體一起考慮。

3)系柱和航行工況下,相同轉(zhuǎn)速中間槳吸收功率均高于兩側(cè)槳,航行工況的功率不平衡百分?jǐn)?shù)約10.4%,明顯高于系柱狀態(tài),這主要是因?yàn)閮煞N狀態(tài)下船體對(duì)螺旋槳進(jìn)流的影響不同所造成的,航行狀態(tài)下中間槳與兩側(cè)槳的伴流差別更大,因此功率不平衡也更加明顯。

4)調(diào)整中間槳和兩側(cè)槳的轉(zhuǎn)速,是改善三槳之間功率不平衡的有效手段,通過(guò)調(diào)整吊艙推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,可以達(dá)到平衡各推進(jìn)器功率的目的。