半圓形導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

由于原油價(jià)格的大幅上升，同時(shí)考慮到環(huán)保對二氧化碳減排的需求，減少船舶的燃油消耗率越來越受到相關(guān)各方的重視。而大型油船和散貨船都趨向于不斷增加豐滿度，通過改進(jìn)船體線型來改善船舶推進(jìn)性能，幾乎達(dá)到了極限狀態(tài)。半圓形導(dǎo)流罩可以降低主機(jī)馬力，是比改變船體線型更加經(jīng)濟(jì)、更加有效的理想節(jié)能設(shè)備。

與傳統(tǒng)的圓形導(dǎo)流罩不同，半圓形導(dǎo)流罩去除了圓形導(dǎo)流罩下半部。該裝置節(jié)能效果比圓形導(dǎo)流罩好。

1 節(jié)能基本原理

導(dǎo)流罩基本上安裝在螺旋槳的正前方，形狀為圓形或類似圓形。節(jié)能基本原理見圖1。

圖1 導(dǎo)流罩節(jié)能基本原理

1)平直尾部水流減小船體阻力。某船螺旋槳平面完整的尾部伴流見圖2。

圖2 船體艉部擾流

在船艉附近，通常有一個(gè)復(fù)雜的流場并伴隨漩渦(船體艉部擾流)(見圖1、圖2)。導(dǎo)流罩能控制并理順尾部附近擾流，使之形成軸向水流，從而有助于減小船體阻力。

2)導(dǎo)流罩的推力效應(yīng)。如圖1所示，船艉流場是一個(gè)由舭部漩渦水流和沿船體的水流組成的共軛流。可以通過正確調(diào)整導(dǎo)流罩葉片的形狀和攻角來產(chǎn)生推力。

3)增加伴流增量。通過減小、減緩流向螺旋槳平面的舭部擾流來獲得伴流增量。

4)提高螺旋槳推進(jìn)效率。通過導(dǎo)流罩，艉部水流的徑向分量被轉(zhuǎn)化為軸向分量，使螺旋槳平面的軸向水流速度統(tǒng)一起來。從而產(chǎn)生一個(gè)良好的流場，以改善螺旋槳空泡性能。這意味著改善了螺旋槳設(shè)計(jì)，比如減小螺旋槳盤面面積。

2 導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)構(gòu)思

基于上述節(jié)能的基本原理，導(dǎo)流罩的形狀以及安裝位置的設(shè)計(jì)構(gòu)思如下。

1)把導(dǎo)流罩放置于船艉舭部漩渦較強(qiáng)的位置以加強(qiáng)其矯直效果。

2)通過把導(dǎo)流罩放置在對角線流量較大的角度使其向前的推力增加。

3)設(shè)置導(dǎo)流罩直徑約為0.7倍螺旋槳直徑，從而使產(chǎn)生的低速艉流能流向使螺旋槳產(chǎn)生最大推力的區(qū)域。

4)由于舭部旋渦在螺旋槳軸上側(cè)比較強(qiáng)烈，所以通過除去圓形導(dǎo)流罩的下半部分而得到一個(gè)半圓形導(dǎo)流罩。

在設(shè)計(jì)之前，測量導(dǎo)流罩安裝位置的尾部流場以收集導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)所需信息。通過在螺旋槳推進(jìn)試驗(yàn)狀態(tài)下放置一個(gè)L形皮托管來進(jìn)行測量。圖3顯示了流速的周向分布和船體尾流流入導(dǎo)流罩的角度，測量范圍為0.7倍的螺旋槳半徑。

圖3 導(dǎo)流罩的流速和攻角

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，流入的角度和速度均在螺旋槳軸上方比較大(θ= 0～50°)。所以，正確地設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩的上半部分從而保證其有效地產(chǎn)生推力和矯正水流是十分重要的。

基于這個(gè)流場數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)圓形導(dǎo)流罩和半圓形導(dǎo)流罩來進(jìn)行對比，見圖4[1]。

圖4 導(dǎo)流罩的布置位置

3 試驗(yàn)驗(yàn)證節(jié)能效果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的半圓形導(dǎo)流罩的節(jié)能效果，在拖曳水池內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 推進(jìn)性能試驗(yàn)

推進(jìn)性能試驗(yàn)包括阻力試驗(yàn)和自推進(jìn)試驗(yàn)。阻力試驗(yàn)在沒有安裝螺旋槳的狀態(tài)下進(jìn)行，自推進(jìn)試驗(yàn)在螺旋槳工作狀態(tài)下測量自推進(jìn)因素(螺旋槳、船體、舵的干擾因素)。推進(jìn)性能試驗(yàn)分別為安裝和未安裝導(dǎo)流罩狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果用來計(jì)算需要的功率，兩種情況進(jìn)行對比來判斷其節(jié)能效果。

3.2 導(dǎo)流罩的節(jié)能效果

圖5顯示在導(dǎo)流罩安裝和不安裝兩種情況下有效功率和制動功率之間的改善比率。

圖5 導(dǎo)流罩裝置節(jié)能對比

由圖5可以看出，有效功率pe和制動功率pb在導(dǎo)流罩安裝的情況下均得到了提高。通過對船體阻力的減小和對自推進(jìn)因素的改善，使節(jié)能效果達(dá)到了近3%。圖5表明，半圓導(dǎo)流罩的節(jié)能效果比圓形導(dǎo)流罩的節(jié)能效果要好。

圖6為圓形導(dǎo)流罩和半圓形導(dǎo)流罩的自推進(jìn)因素的對比。對比兩種自推進(jìn)因素，跟導(dǎo)流罩產(chǎn)生的推力相關(guān)的l-t(t為推力減額分?jǐn)?shù))改善是顯著的。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流罩的上半部分在改善節(jié)能效果(產(chǎn)生推力)時(shí)扮演了一個(gè)非常重要的角色。

圖6 圓形和半圓形導(dǎo)流罩裝置的自推進(jìn)系數(shù)對比

2.3 半圓形導(dǎo)流罩的形式改進(jìn)

為了建立設(shè)計(jì)半圓導(dǎo)流罩的方法，對影響到節(jié)能效果的參數(shù)(與導(dǎo)流罩的形狀和位置相關(guān)的)通過水池試驗(yàn)進(jìn)行導(dǎo)流罩安裝位置、導(dǎo)流罩孔徑角、導(dǎo)流罩長度驗(yàn)證，來積累設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

通過參數(shù)化研究表明，導(dǎo)流罩加長會增加節(jié)能效果，尤其是增加導(dǎo)流罩上半部分的長度。基于這個(gè)結(jié)果，便設(shè)計(jì)出一個(gè)上半部分弦長更長的改進(jìn)型導(dǎo)流罩，通過水池試驗(yàn)來驗(yàn)證其節(jié)能效果，見圖7。

圖7 導(dǎo)流罩裝置的改善

圖8為在上述導(dǎo)流罩安裝和不安裝情況下的有效功率pe和制動功率pb之間的改善比率。可以看出，改進(jìn)的半圓形導(dǎo)流罩的有效馬力和制動馬力的改善比率比原來的半圓形導(dǎo)流罩的要大，可以獲得接近5%的節(jié)能效果。

圖8 改進(jìn)后的導(dǎo)游罩節(jié)能情況

對比圓形導(dǎo)流罩和改進(jìn)型半圓形導(dǎo)流罩，可以發(fā)現(xiàn)l-t的改善是非常明顯的，制動功率的改善見圖9。

圖9 圓形和改進(jìn)型半圓形導(dǎo)流罩自推進(jìn)因數(shù)對比

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究對于半圓形導(dǎo)流罩的商業(yè)化是十分重要的。圖10為用限元方法得到的半圓導(dǎo)流罩的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

圖10 有限元分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度承受船舶縱搖和轉(zhuǎn)向時(shí)所受的沖擊載荷。此外，也確認(rèn)了其在使用中不會產(chǎn)生共振。