耙吸挖泥船導管可調槳設計及實驗研究

余 龍,張 戟,陳新權,蔣志鵬

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;2.中港疏浚股份有限公司,上海 200120)

耙吸挖泥船導管可調槳設計及實驗研究

余 龍1,張 戟2,陳新權1,蔣志鵬1

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;2.中港疏浚股份有限公司,上海 200120)

某4 500 m3耙吸挖泥船,經多年使用后主機功率下降,挖泥作業時推力不足。對該船主機進行實測,了解并確認主機的工作狀態,在不改變軸系和調距機構的前提下,首次采用JDC4-55可調槳配合高效導管替代原有可調槳的設計方案,并進行了新導管可調槳和原槳的敞水實驗及自航實驗。實驗結果顯示該改造設計方案能顯著提高該船挖泥工況的推力,達到節能增效的目的。此外,對于尾部設置類似導流尾鰭的導流結構進行了相關實驗,得到有益結論。

耙吸挖泥船;導管可調槳;敞水實驗;船模實驗;導流結構

某4 500m3耙吸挖泥船是中港疏浚有限公司多年前從日本進口的批量船之一。該船采用可調螺距螺旋槳推進,由于使用年限較長,船上主機功率下降,耙吸作業時推力不足,決定對該船的推進系統進行改造。

由于是舊船改造,變更主機,改造軸系投資巨大,周期長,因此該船推進系統改造基于原有船舶主機、軸系以及可調槳液壓調距機構保持不變。經過初步研究,確定設計一套新的配合高效導管的可調螺距螺旋槳,替代原來的可調螺距螺旋槳,增加該船在耙吸作業時的推力,提高船舶的作業效率,達到節能增效的目的。

導管可調槳(DCPP)結合了傳統導管槳和可調槳的優點,不僅在各種工況下都可以吸收主機的全部功率,而且能夠提高重載時的拖力,優化流場、改善水流,可使作用在導管槳上的脈動壓力和振動都比敞水槳要小[1]。因此對該船的推進系統改造考慮采用導管可調槳取代原有可調槳,不僅充分發揮主機功率,更能進一步提高推力。

1 導管可調槳方案

1.1 改造前船舶狀態

某4 500 m3耙吸挖泥船為雙機、雙槳,尾機型,采用4葉可調螺距螺旋槳,主要要素見表1。

表1 4 500 m3耙吸挖泥船的主要要素及主機參數Tab.1 Principal dimensionsand engine parameters of 4 500 m3trailing suction hopper dredger

2008年6月24 日在河北黃驊港施工區域,進行了該船主機功率的測試,得到自由航行時該船對水航速及水流對地速度以及相應的主機功率情況,如下表2。

表2 自由航行時船舶航速及相應的主機功率Tab.2 Ship velocity and relevantmain engine power at navigation state

由此,設計時選取的主機設計工況為轉速500 RPM,功率2 352 kW。

1.2 新導管可調槳方案

上海交通大學船舶流體力學研究室在20世紀80年代研究開發了三葉可調螺距螺旋槳系列,發表了實驗圖譜[2]。后來,交大又發表了三葉可調槳加導管的系列槳實驗圖譜,所用的導管是交大開發的簡易導管。1993年交大船舶流體力學研究室研發了4葉可調螺距螺旋槳系列(JDC4-55)[3],這個調距槳系列性能優良,且資料完整。

綜合考慮螺旋槳性能及導管的效率,本次方案首次采用交大自主研發的JDC4-55可調螺距螺旋槳配合高效導管作為推進系統新方案。新導管可調槳方案的基本參數為:根據船尾型線尺寸,螺旋槳的直徑取D=3.0 m,盤面比AE/AO=0.55,初始螺距比P/D=0.892,與螺旋槳相配的高效導管,導管長l=1.5 m,導管內徑DH=3.03m。新導管可調槳的尺度保證了不改變原有布置和船舶軸系的情況下,可直接安裝導管及槳葉替代原有可調槳。

結合國內外耙吸船節能措施的發展,考慮到近年來導流尾鰭在大型耙吸挖泥船上的應用[4],還設計了第二方案即導管可調槳加裝導流結構(以下簡稱為導流板),參見圖1。

圖1 右舷導流板形態(左舷對稱)Fig.1 Geometry of ducted plate at starboard(portside symmetry)

完成初步方案以后,為了解安裝新導管可調槳后的改造效果,在上海交通大學拖曳水池進行了該船推進系統改造的相關船模實驗。

2 船模實驗

整套實驗分為兩步進行,在導管槳初步方案確定過程中使用5個較大槳模和1個原槳槳模進行了螺旋槳的敞水實驗,在船模自航實驗使用小槳模完成實驗。具體內容如下:

1)制作船模、槳模等

①制作縮尺比1∶30玻璃鋼船模,船長約4 m;

②制作直徑0.113 33m原螺旋槳模型一對,制作直徑0.2 m新設計螺旋槳槳模五個,螺距比從0.6～1.4,并直徑0.1 m的小槳一對;

③用有機玻璃制作直徑0.2m的高效導管、19A導管各一只,直徑0.1m的高效導管一對。

2)船模阻力實驗:實船2～14 kn的船模靜水阻力實驗

3)流線實驗:實船7 kn航速的流線實驗

4)新導管螺旋槳敞水實驗

①直徑0.2m的新設計螺旋槳5個分別安裝高效導管進行敞水實驗;

②直徑0.2m的新設計螺旋槳1對分別安裝19A導管和高效導管進行敞水實驗。

5)原船螺旋槳敞水實驗

6)船模耙吸實驗

①原槳挖泥工況自航實驗;

②新槳安裝高效導管進行挖泥工況自航實驗;

③安裝導流板后,新槳安裝高效導管進行挖泥工況自航實驗。

2.1 螺旋槳敞水實驗

2.1.1 螺旋槳敞水效率曲線圖譜

將5個不同螺距比的導管調距槳槳模在水池中作敞水實驗,測得不同進數系數下的推力、轉矩和敞水效率曲線,經整理后得到了一系列敞水實驗圖譜(圖2)。

2.1.2 高效導管與19A導管敞水性能比較

選擇其中一個螺距比(P/D=0.8)的螺旋槳槳模分別配以19A導管和高效導管進行實驗,將結果進行比較(圖3)。由結果可知,對該船采用高效導管的導管槳,其敞水效率比用19A的導管槳高。在挖泥工況(J=0.15～0.25)下,效率可提高4%～6%。

圖2 高效導管加JDC4-55槳敞水效率曲線Fig.2 Open water efficiency of JDC4-55 propellerwith HR nozzle

圖3 高效導管槳與19A導管槳敞水效率曲線(P/D=0.8)Fig.3 Openwater efficiency of HR nozzle and 19A nozzle(P/D=0.8)

2.1.3 原槳在螺距比P/D=0.49時的敞水效率曲線

原槳在螺距比P/D=0.49時的敞水實驗結果(見圖4),按交大JDC4-55圖譜直線插值的結果也表示在圖上,可以看出兩者非常接近。原槳的剖面形狀是MAU型,而交大JDC4-55槳葉形狀與MAU十分相似。因此,從實驗結果驗證,可用交大的JDC4-55調距槳的敞水實驗圖譜進行原槳的性能計算,便于后續設計和理論分析。

2.2 船模實驗

2.2.1 船模阻力實驗

船模總阻力Rtm分成兩個部分,即摩擦阻力Rfm和剩余阻力Rrm,實船在對應速度的剩余阻力值Rrs直接換算如下:

實船的摩擦阻力系數Cfs按ITTC公式計算,并可依下式得到實船的摩擦阻力值Rfs:

式中:ρm為船吃水密度,ρs為15℃條件下的海水密度,λ為船模縮尺比,Vs為實船速度,ΔCf為表面粗糙度修正。

實船在對應航速處的總阻力值Rts:

其中增值4.6%計入附體阻力2%、空氣阻力2%以及由殼板排水量增加的阻力0.6%。

通過船模實驗,對實船阻力采用傅汝德法換算,得到吃水為6.8 m時實船阻力曲線(如圖5)。

2.2.2 流線實驗

國際上最新的耙吸船推進系統設計均增設導流尾鰭,取得很好的效果,因此,本次實驗也嘗試增設類似的導流板結構,通過實驗了解倒流板結構的作用。首先進行了流線實驗(圖6),獲得尾部水流的形狀;然后在船模上制作導流板結構模型(圖7)。

2.2.3 自航實驗結果

對于雙槳船,可認為實船推力減額分數、螺旋槳旋轉效率、實船伴流分數均與模型尺寸的對應值相等。根據實船螺旋槳總收到功率為4 515.84 kW,三種實驗狀態下的自由航速實驗結果:

1)新槳配高效導管自航實驗,在自由航行狀態,航速可達13.72 kn,相應槳的轉速為225 RPM;

2)原槳自航實驗,同樣對原槳進行自由航行狀態和挖泥工況自航實驗,在自由航行狀態,航速可達13.56 kn,相應槳的轉速為220 RPM;

3)新槳配高效導管安裝導流板實驗,在船后安裝導流板,自由航行狀態,航速可達12.72 kn,相應槳的轉速為216.89 RPM。

挖泥工況時,將新導管可調槳、新導管可調槳并增設導流板、原可調槳這三種狀態的凈推力(凈推力是兩個槳發出的總推力扣除船的阻力后的數值)進行比較,見圖8。新導管可調槳方案優于其他兩個方案。

圖4 原槳和JDC4-55圖譜敞水效率曲線(P/D=0.49)Fig.4 Open water efficiency of JDC4-55 propeller andoriginal propeller(P/D=0.49)

圖5 實船阻力曲線Fig.5 Resistance curve of the dredger

圖6 流線實驗結果Fig.6 Resultsof streamlines

圖7 船模上導流板形狀及其安裝位置Fig.7 Shape and location of ducting plate on the ship model

圖8 船模實驗凈推力與航速關系的比較Fig.8 Comparison ofmodel test resultswith their relationsof net thrust force and velocity

2.3 實驗結論

根據船模實驗結果得到以下結論:

1)新導管可調槳比原槳推力提高,在挖泥工況下(航速5 kn)凈推力提高達18%,改造效果顯著,JDC4-55可調螺距螺旋槳配合高效導管的設計是成功的;

2)結合導流尾鰭在耙吸船上的最新應用,在實驗中按照流線實驗的結果,增設了類似的導流板結構。但實驗結果表明,導管槳安裝導流板降低了推力,因此在實際應用中要慎重考慮導流板。效果不佳的主要原因是該船為舊船,其線型和設備布置并未考慮增加導流板,與現在考慮導流尾鰭的新船船型有所不同,故綜合考慮導流板的實驗效果、加工及安裝固定方式和本船尾部實際空間的限制,最后改造設計決定不采用導流板。

3 結 語

對某4 500m3耙吸挖泥船的推進系統改造,首次采用JDC4-55可調螺距螺旋槳配以高效導管作為改造方案,實驗效果表明在施工作業時推力會有提高。本次所設計的導管和螺旋槳圖紙經過船檢審核,相關產品已于2009年4月安裝上船,此后該船一直在長江口疏浚作業。根據中港疏浚股份有限公司提供的統計資料表明:

1)該船在長江口逆水雙耙施工時航速可達到4 kn,在相當的環境條件下,與未安裝導流罩相比,逆水施工時航速提高了2 kn左右,施工船速提高了50%左右;

2)從逆水滿載航行該船航速達到8.1 kn,在相當環境條件下,與之前未安裝導流罩相比,逆水重載航速提高了1 kn,提高了約20%左右的航速;

3)自該耙吸船改造以后的幾個月使用中,在總產量與油耗之比基本上與以前持平的前提下,日產量明顯提高,在消耗基本相等的燃油情況下,所產出的土方量約增加了40%左右。

從以上的實際效果來看,改造達到預期效果。志謝:在此對上海交通大學譚家華教授、裘詠銘教授、陳澤教授在項目研究過程中給予的幫助和指導以及中港疏浚股份有限公司提供的實船施工數據表示衷心地感謝。

[1] 王國強,盛振邦.船舶推進[M].北京:國防工業出版社,1985:289.

[2] 陳澤梁,朱 超,施用山,等.簡易導管三葉可調螺距螺旋槳系列[J].海洋工程,1991,9(1):23-32.

[3] 陳澤梁,朱 超,施用山,等.JDC4-55可調螺距螺旋槳系列[J].海洋工程,1993,11(4):13-22.

[4] 紀 凱,張偉明,倪建鋒.節能措施在13 500m3耙吸挖泥船上的應用[J].中國造船,2008,49:99-106.

Design and test of a ducted controllable pitch propeller to a trailing suction hopper dredger

YU Long1,ZHANGJi2,CHEN Xin-quan1,JIANG Zhi-peng1
(1.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China;2.CHECDredging Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China)

A 4 500m3trailing suction hopper dredger has been used formany years and can not provide adequate thrust forcewhen dredging.This paper brings forward a new ducted controllable propellerwith HR nozzle to replace itsoriginal controllable propeller of the dredger after analyzing the enginesworking condition throughmeasuring the engine power on site.The substitution keeps the original axis.The open water test andmodel test prove that the thrust force of the dredger increases.Therefore,the new ducted propellers improve the thrust force in order to save energy and increase efficiency.Besides,conducting structures that are similar to conducting fins have been designed and tested.The conclusion shows that they are not suite for this type of ships.

trailing suction hopper dredger;ducted controllable pitch propeller;open water test;model test;conducting structure

U661

A

1005-9865(2010)03-0091-06

2009-06-18

余 龍(1976-),男,湖北武漢人,講師,主要從事船舶與海洋新技術與裝備研究。E-mail:yulone@sjtu.edu.cn