槳舵組合式節(jié)能推進器設計及水動力性能驗證

陳楊科，何苗，姜治芳，解學參，楊向暉

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢430064

2 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

0 引 言

槳舵組合式節(jié)能推進器是一種新型組合節(jié)能推進裝置。該裝置以優(yōu)化槳舵水動力干擾為原則，對槳后舵進行適伴流設計，從而使得舵前緣呈扭曲狀；同時,采用舵球將舵與槳轂光順連接起來，舵球可隨舵一起轉動，舵球前段與槳轂的咬合式設計能保證舵的回轉性。槳舵組合式節(jié)能推進器通過節(jié)能裝置間的有利干擾達到改善槳后尾流場、節(jié)約燃油消耗、提高推進效率的目的。

2008年，芬蘭瓦錫蘭公司最早推出了一款名為Energopac 的槳舵組合式推進器，其資料顯示，不同船舶在安裝了組合式節(jié)能推進裝置后在設計航速下推進效率能提升2%～9%。隨后，英國R-R公司、瑞典MJP 公司等均推出了類似的產品，近年來，該產品已經在國外得到推廣應用。國內相關高校［1-2］和研究所已在開展該技術的跟蹤研究，但在新型槳舵組合式推進器理論設計、試驗研究方面與國外差距明顯。

本文將以推進器減阻增效為優(yōu)化設計目標，開展槳舵組合式推進器設計方法及試驗驗證研究。首先，對槳后舵進行適伴流設計，并與一首端削平的舵球結合形成組合式推進器方案，然后通過新型槳舵推進器的數(shù)值仿真分析，初步驗證設計方案的合理性，最后，通過槳舵推進器船后水動力性能試驗驗證設計方法的正確性，獲得組合式槳舵推進器的減阻增效效果。

1 槳舵組合式節(jié)能推進器設計

1.1 扭曲舵設計

于螺旋槳后方工作的舵，即使在零度舵角時，也能產生側向力。這是由于螺旋槳尾流場對舵展向不同剖面處的誘導速度不同，因此各剖面受力的方向及大小均不一樣。常規(guī)舵在設計時并未充分考慮螺旋槳的尾流作用，因此，根據(jù)螺旋槳來流方向調整舵剖面攻角是扭曲舵設計的初衷。本文針對原槳舵模型以減小舵阻力為設計目標，對原型舵進行扭曲設計［3］。

假設船速為Vs，螺旋槳轉速為n，船體伴流誘導速度場在舵剖面位置處的三向分量分別為Vx，Vθ，Vr，螺旋槳誘導速度在舵剖面位置處的三向分量分別為ux，uθ，ur，若不考慮粘性耗散對伴流場的影響，當舵角為0 時舵翼剖面處來流速度在水平方向的分量為

式中：uRx表示舵翼型剖面位置處的軸向誘導速度，uRy表示周向誘導速度在水平方向的分量。

在來流VR作用下，舵翼剖面產生的升力定義為ΔLR，產生的阻力定義為ΔDR，在舵角為0 的情況下，沿螺旋槳軸向產生的力定義為

扭曲舵設計是指根據(jù)來流的方向將舵展不同高度處葉元體剖面偏轉一定的角度，使之在保持船體操縱性能的情況下減小舵阻。假設螺旋槳后方工作的直舵，某個葉元體剖面旋轉角度為αk，則舵沿螺旋槳軸向產生的力為

此時，舵剖面來流及受力情況如圖1 所示。

圖1 舵剖面受力示意圖Fig.1 Forse on rudder section

可以看出，在已知舵剖面形狀、舵前誘導速度的前提下，求舵阻力的關鍵在于確定葉元體剖面的偏轉角αk。因此，對于每個葉元體剖面需要滿足附加推力最大（阻力最小），即

最大。無量綱后可表示為

式中，CL和CD為翼型的升阻力系數(shù)。

1.2 舵球設計

舵球是一種簡易、實用、有效的尾部節(jié)能附體，目前的研究證實舵球可填充螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，減少因紊流、渦流引起的能量損失，減輕尾流對舵和船艉的激振力等。

舵球為簡單回轉體，其形狀參數(shù)包括長度及直徑，由于本研究的舵球前端與轂帽光順過渡，因此根據(jù)槳舵的定位即可確定舵球長度。文獻［4］研究認為舵球直徑與螺旋槳直徑之比在0.2～0.216 區(qū)間為宜，文獻［5］研究認為舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.22 時節(jié)能效果較優(yōu)，因此，本文的舵球直徑取為螺旋槳直徑的0.22 倍。

需要注意的是，實際的槳舵組合式推進器為保證舵的回轉性，將舵球前端與槳轂尾端設計為凹凸咬合形式。在理論設計中，僅考慮了0°舵角時舵的水動力性能，因此只將槳轂后端與舵球前端簡化設計成平端面。

1.3 槳舵組合式推進器設計方案

以某船傳統(tǒng)槳舵推進器為研究對象，其螺旋槳和原型舵參數(shù)分別如表1 和表2 所示。

表1 螺旋槳幾何參數(shù)Tab.1 Propeller geometry parameters

表2 原始舵幾何參數(shù)Tab.2 Rudder geometry parameters

以槳舵相互干擾的流場計算為基礎，根據(jù)增大扭曲舵理論設計原理，重新設計舵不同展向位置的剖面，不同位置的剖面偏轉角如表3所示。

表3 扭曲舵偏轉角Tab.3 Twist angle of new rudder

基于扭曲舵設計結果并與舵球進行組合，獲得了槳舵組合式推進器方案，傳統(tǒng)槳舵推進器與槳舵組合式推進器設計方案對比如圖2 所示。

圖2 槳舵系統(tǒng)三維輪廓圖Fig.2 3-D vision of propeller and rudder systems

2 槳舵組合式推進器性能數(shù)值仿真

為了驗證設計方法的正確性及設計方案的節(jié)能效果，對黏性流場中槳舵組合式推進器的水動力性能進行了數(shù)值仿真，對比分析了傳統(tǒng)槳舵推進器及槳舵組合推進器的受力、壓力分布及流場特性。

2.1 數(shù)值驗證

2.1.1 計算域及網格劃分

槳舵組合推進器水動力性能仿真的計算域采用與螺旋槳同軸的內外兩個圓柱形流域，內域包含螺旋槳，如圖3所示。計算域長度為［-4D，8D］，半徑為4D。采用速度入口及壓力出口的邊界條件，螺旋槳及舵表面為不可滑移壁面。采用定常、多參考坐標模型（MRF），外域采用絕對靜止坐標系，內域旋轉參考坐標系固定于螺旋槳中心，并以-600 r/min 的角速度旋轉，兩個域之間利用Interface邊界連接，流場信息通過插值進行傳遞［6］。

計算采用混合網格，包含螺旋槳的內域劃分非結構網格，其余區(qū)域采用結構網格。為方便捕捉到重要的流場信息，對關鍵區(qū)域（如螺旋槳槳葉的導隨邊、葉梢、葉根以及扭曲舵舵球位置、舵的導隨邊等）進行加密，對距離槳舵推進器較遠的區(qū)域，則適當降低網格密度以便于控制總網格數(shù)［7-8］，整體計算域網格約為300萬。

圖3 槳舵系統(tǒng)數(shù)值計算的計算域Fig.3 Simulation domain of propeller and rudder system

2.1.2 湍流模型及邊界條件設置

計算螺旋槳流場的數(shù)值方程為三維不可壓縮RANS 方程，計算時采用有限體積法進行離散，擴散相采用中心差分格式，對流相采用一階迎風格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC 算法。連續(xù)性曲線小于0.000 1時認為計算收斂。

2.1.3 槳舵組合式節(jié)能推進器計算結果

為驗證數(shù)值計算結果的準確性，首先對某MAU 槳舵［4］模型進行了計算。計算進速為0.3，0.4，0.5，0.6和0.7，計算結果如圖4 所示。

圖4 計算值與試驗值的比較Fig.4 Comparison between the calculatio results and experimental results

圖4所示為槳舵系統(tǒng)的推力KT、扭矩KQ、效率η 計算值與勢流計算結果及試驗值的比較，從圖中可以看出，計算結果與試驗值的誤差均在5%以內，滿足研究精度要求。

2.2 槳舵組合式推進器性能仿真

2.2.1 水動力性能計算結果

對設計工況下傳統(tǒng)槳舵推進器及新型槳舵組合推進器的定常性能進行了預報，如表4 所示。其中：

KTx=KTPx+KTRx,為槳舵系統(tǒng)推力系數(shù)；

Δ為不同槳舵系統(tǒng)系數(shù)之間的差值。

表4 槳舵系統(tǒng)性能對比Tab.4 Hydrodynamic performance comparison of two propeller-rudder systems

由計算結果的對比可知，槳舵組合推進器使螺旋槳推力增加約1.5%，扭矩減小約2%，同時舵的阻力減小約13%，最終使得槳舵組合推進系統(tǒng)的效率增大約5%，有較好的節(jié)能效果。

2.2.2 流線分布

槳舵組合推進器的設計原理為優(yōu)化推進器與流場之間的匹配性，因此在計算收斂后，截取了槳后3 個典型剖面（圖5）進行分析，以檢驗設計方案與流場的適配性。其中：z/L=-0.275 剖面位于舵球下端；z/L = 0 剖面位于舵球中間；z/L = 0.605剖面位于舵球上端。

圖5 不同舵展剖面處流線對比Fig.5 Comparison of streamlines at different spanwise sections of rudders

通過對比可以看出，槳舵組合式推進器翼型剖面具有更好的適伴流特性。在螺旋槳槳盤面后方（z/L=-0.275），新型舵剖面與流線的夾角較原型舵減小，舵球中心剖面的流線較原型舵均勻，且阻止了槳轂及舵后方流線的聚集，對螺旋槳轂渦有抑制作用。而在螺旋槳槳盤面外部，槳的誘導速度迅速減弱，流線與舵攻角較小，無需進行舵的扭曲設計。

2.2.3 槳舵系統(tǒng)壓力分布

進一步提取傳統(tǒng)槳舵推進器與槳舵組合推進器的螺旋槳表面壓力分布，并進行對比，如圖6所示。

圖6 不同方案槳葉弦向壓力分布對比Fig.6 Comparation of propeller pressure distribution at different radial sections

由圖6 中螺旋槳表面壓力分布對比可知，舵優(yōu)化對螺旋槳內半徑（r/R＜0.5）的壓力影響較明顯，而對螺旋槳外半徑的壓力影響則較小。這主要是由于舵球尺度與槳轂相近，它的存在覆蓋了原來槳轂后方的低壓區(qū)，對流場的擠壓作用使得螺旋槳內半徑流場的速度減小，壓力增大。

進一步提取原型舵與新型舵不同剖面處的壓力分布，如圖7 所示。從圖中可以看出，槳舵組合推進器的舵剖面壓力分布更為均勻，降低了舵表面的低壓峰值，有利于舵空泡性能。同時剖面壓力分布對比表明，剖面載荷高于傳統(tǒng)舵，因此舵效應變化不大。

圖7 不同方案舵展向位置壓力分布對比Fig.7 Comparation of rudder pressure distribution at different spanwise sections

3 槳舵組合式節(jié)能推進器性能試驗

為驗證新型槳舵推進器設計方法的合理性、水動力仿真結果的準確性及節(jié)能效果，開展了不同推進器方案的快速性試驗。試驗船模采用雙槳推進，設計航速為12 kn。試驗模型縮尺比為1∶11，縮尺后螺旋槳直徑為0.148 m，為保證試驗結果的可靠性，試驗雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)3.5×105。在對應實船不同航速下分別測量了螺旋槳推力、扭矩及舵的3 個分力（即舵的阻力、側向力及轉舵力矩），結果如表5 和表6 所示。其中：Vs為實船航速；TPx為螺旋槳x 軸方向受力，朝向船艏為正；QPx為螺旋槳扭矩；TRx為舵沿x 軸方向推力；TRy為舵?zhèn)认蛄Α?/p>

表5 槳舵推進器推力及扭矩對比Tab.5 Comparison of thrusts and torques

表6 槳舵推進器舵受力對比Tab.6 Comparison of rudder forces

由試驗結果可知，新型組合式推進器使得螺旋槳的推力增加，而扭矩減小，因此螺旋槳的效率增加。

由舵的受力對比可知，組合式推進器的舵阻力和傳統(tǒng)舵相比降低了10%～15%，而側向力變化較小，降低了5%左右，這主要是由于通過舵的偏轉及扭曲設計，舵與螺旋槳尾流場的匹配性更優(yōu)。

定義槳舵推進系統(tǒng)的效率為

其中:kTP為螺旋槳推力系數(shù)；kR為舵的軸向力系數(shù)；kQ為螺旋槳的扭矩系數(shù)。傳統(tǒng)槳舵推進器和組合式推進器效率對比如表7 所示。

表7 槳舵推進器效率對比Tab.7 Comparison of efficiencies

由槳舵推進系統(tǒng)的效率對比可知，組合式推進器的效率較傳統(tǒng)槳舵最大提高了約2.7%，而隨著航速的增加，節(jié)能效果減弱，到16 kn 時節(jié)能效果約為1%。

4 結 語

本文以推進器減阻增效為目標，開展了槳舵組合式推進器的設計研究。通過對槳后舵適伴流設計，結合與槳轂光順連接的舵球，形成了組合式槳舵推進器方案；通過數(shù)值仿真獲得了敞水中組合式槳舵推進器的水動力性能、壓力分布、流場特性等細節(jié)，初步驗證了設計思路的正確性。進一步開展了原型及組合式槳舵推進器的船后水動力性能試驗。試驗結果表明，在各航速下,螺旋槳推力增大、扭矩減小，新型舵阻力減小10%以上，整體槳舵推進器效率增值最大達2.7%，槳舵組合式推進器確實具有減阻增效的作用。

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