120 m內河郵輪線型設計與試驗

鐘守道，高玉玲，費鐘成

(重慶長江輪船公司船舶設計研究院，重慶404000)

120 m內河郵輪線型設計與試驗

鐘守道，高玉玲，費鐘成

(重慶長江輪船公司船舶設計研究院，重慶404000)

運用CFD數值模擬技術和模型試驗相結合的方法,優化設計豪華郵輪線型和螺旋槳,模型試驗和空泡激振力試驗表明,設計的船型阻力低,推進效率優良,設計槳空泡性能優良,誘導激振力非常小,使船舶的經濟性和舒適性得到了保證。

郵輪;線型;螺旋槳;模型試驗

在經歷觀光旅游階段之后,旅游市場逐漸進入到個性化、休閑化時代,度假性旅游蓬勃發展。郵輪得天獨厚的優勢使得長江郵輪在三峽度假性休閑旅游中發揮著越來越重要的作用。盡管中國郵輪經濟還僅處于發展初期,但從近幾年長江旅游,五星級豪華郵輪的運營情況來看,設計開發集旅游、休閑、商務于一體的安全舒適豪華郵輪已成為發展的必然趨勢。

1 船體線型優化設計

該船主要服務于長江三峽旅游同時兼顧少量長江中下游地區觀光度假旅游。由于荊沙段枯水期維護水深淺和沿江港口、壩、橋、船閘等建筑的限制,以及中國船級社對長江干線船舶的相關要求,設計此類船型時船長、船寬受到限制,并且要求具備良好的快速性、操縱性和舒適性。根據初期的船型技術經濟論證,確定該船的主尺度為總長119.8 m,垂線間長108 m,水線寬18.8 m,吃水2.75 m,設計航速不低于25 km/h。

根據郵輪航行區域特點以及豪華郵輪良好快速性、操縱性和舒適性要求,結合該船型寬而淺的特點,借鑒上海船舶運輸科學研究所關于此類船型理論和試驗研究的一些成果和經驗［1-2］,以雙艉鰭船型作為本郵輪的基本線型。以此為基礎將設計優化的重點放在優化艉部雙艉鰭線型,研究艉鰭的形狀對阻力與推進的影響,解決推進性能與操縱性能的矛盾;改善螺旋槳工作區域伴流分布,提高伴流的均勻性,避免空泡激振的危險,提高舒適性。

通常情況下螺旋槳內旋時的推進效率要比外旋時的高。但雙槳船經常采用以車代舵的操作來實現對船舶運動的控制,船模的試驗結果和實際運營的船舶都表明,兩個外旋槳一正一倒操船產生的轉船力矩比兩個內旋向槳產生的轉船力矩大很多。根據多年來人們采用外旋槳的習慣,為有效解決推進性能與操縱性能的矛盾,在設計船型時著重分析艉鰭形狀與螺旋槳旋向的影響,切向伴流分量逐漸向有利于外旋槳的方向變化,設計出適合于外旋槳并有較佳快速性能的雙艉鰭船型。

在該船艉部線型設計中,由于排水體積、機艙布置要求,以及從水動力性能角度考慮,艉鰭與船體連接處采用圓弧連接,有利于減少艉鰭與船體連接處的流動分離。艉鰭設計中,考慮到產生有利的槳盤上下方流動分布,特別是寬度吃水比較大的淺吃水船,其伴流場中的橫向分量較大,適當增加艉鰭側斜角,盡量減少兩艉鰭內側的向上流動和控制鰭的上、下方的左右方向的流動,以提高外旋槳推進效率;同時考慮增加螺旋槳葉稍到船底的距離,降低螺旋槳工作引起的船體振動,在葉稍上方的船體采用局部隧道形式;為防止兩鰭體中間隧道壓力梯度過大引起隧道底部流線分離［3］,兩艉鰭間中縱剖線過渡盡可能平緩。艏部線型設計中,從快速性和外形美觀方面考慮,采用前傾式,尖瘦的V形剖面,設計水線以上采用稍大的外飄。

經過建模、CFD分析,反復修改優化,最終確定本船線型,并進行了模型試驗。圖1給出了設計吃水狀態設計航速下CFD模擬波形和船體表面壓力分布。

圖1 CFD模擬波形和船體表面壓力分布

2 伴流場分析及螺旋槳設計

采用五孔畢托耙進行船后伴流場測試,測試狀態均為設計吃水設計航速狀態,螺旋槳盤面處伴流場軸向伴流等值線和切向徑向伴流矢量分布見圖2。

由圖2可見,設計船型艉部伴流場分布比較均勻,伴流峰分布在槳上方內側,配以外旋槳,切向速度分量與螺旋槳旋向相反的部分很大,將取得很好的推進效率,這樣的伴流場有利于改善螺旋槳空泡和振動性能。

為減小由螺旋槳激振力引起的艉部振動,針對該船艉流場特點及快速性要求,在螺旋槳設計研究中做如下考慮。

1)因豪華郵輪要滿足枯水季節行駛于長江荊沙航道,吃水受限,螺旋槳與船體間隙比較小,為減小振動選用5葉槳。

2)在主機功率、轉速和設計吃水淺等條件下,選擇合適的螺旋槳直徑,以達到最佳敞水效率螺距分布;為改善空泡,增加槳葉的盤面比［4］。

3)對船后伴流場進行分析,選擇大側斜槳,使槳葉各剖面交錯地進入高伴流區,減小槳葉表面空泡體積變化率,從而降低脈動壓力［5］。

3 模型試驗驗證

船模試驗在上海船舶運輸科學研究所深拖拽水池進行,船模為木質,按照相應縮尺比根據設計螺旋槳圖紙加工槳模。螺旋槳敞水試驗由敞水動力儀測量;阻力試驗帶舵,自航試驗采用強迫自航方法,全部試驗由計算機進行采樣分析。設計吃水狀態設計航速下模型試驗見圖3。

圖2 螺旋槳盤面處伴流場軸向伴流等值線和切向徑向伴流矢量分布

船舶有效功率換算用二因次方法,自航分析采用等推力方法,實船預估采用1978年15屆ITTC實船預估方法進行。由模型試驗預報出的實船剩余阻力系數和自航因子見圖4、5。

由圖3～5可見,該船波形較平緩,興波較小,剩余阻力系數較小,具有優良的阻力性能;配合外旋槳的艉鰭設計,船身效率高;艉鰭扭向和螺旋槳旋向的配合,相對旋轉效率較高。模型試驗結果表明該船型阻力較低,推進性能優良,設計槳推進效率高,船、機、槳匹配合理。

圖3 模型試驗

圖4 剩余阻力系數Cr-Fr

圖5 實船自航因子

4 螺旋槳空泡與激振力試驗驗證

槳模型在上海船舶運輸科學研究所的空泡水筒中進行空化觀察和脈動壓力測量試驗。槳模直徑為240 mm,采用網格法模擬船艉伴流場,觀測到的空泡形式為背面片空泡,且空化面積較小,未出現葉面空化現象,實船發生空泡剝蝕的危險性小。從脈動壓力測量來看,該船設計槳模在試驗條件下的最大脈動壓力換算到實船為0.461 kPa,該船出現螺旋槳誘導的脈動壓力引起的振動幾率很小。

4 結束語

針對長江旅游業對豪華郵輪的需求,該船艉鰭形狀配合螺旋槳外旋,阻力低,伴流均勻,推進效率高;采用了船體艉部局部隧道,增加葉稍和船底的間隙,從而降低螺旋槳工作引起的船體振動;在螺旋槳設計方面綜合考慮多方面因素,既滿足航速設計要求,又有優良的空泡性能,在減小螺旋槳工作誘導激振力方面取得成功。

［1］陳昌運,陳霞萍,陳建飛.500客位沿海節能客船線型研究［C］∥92船舶阻力與性能學術研討會論文集, 1992:47-53

［2］葉立欽,陳昌運,陳霞萍.淺吃水肥大型船的尾部線型研究［J］.上海船舶運輸科學研究所學報,1994,17 (2):1-15.

［3］李世漠.船舶阻力［M］.北京:人民交通出版社,1989.

［4］盛振邦,劉應中.船舶原理:下冊［M］.上海:上海交通大學出版社,2004.

［5］孫 群,沈興榮.螺旋槳參數對空泡性能的影響研究［C］∥第九屆全國水動力學學術會議暨第二十二屆全國水動力學研討會論文集.北京:海洋出版社, 2009:766-772.

On Hull Lines Design and Tests of the 120 m Inland River Cruise

ZHONG Shou-dao,GAO Yu-ling,FEI Zhong-cheng
(Ship Design and Research Institute,Chongqing Changjiang National Shipping Company,Chongqing 400000,China)

Themethod combining CFD numerical simulation withmodel test is applied to design and optimize the hull lines and the propeller of a luxury cruise.The experimental results of themodel testand the cavitations test show that the new designed hull form has low resistance and excellent propulsion efficiency;the designed propeller has good performance of cavitations with small exciting force.So the economical efficiency and com fortableness of the designed luxury cruise can be ensured.

cruise;hull lines;propeller;model testing

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.006

U662

A

1671-7953(2015)03-0023-03

2015-03-05

修回日期:2015-03-23

重慶市科委資助項目(cstc2013jcsf70002)

鐘守道(1961-),男,學士,高級工程師

研究方向:船舶研發設計

E-mail:dfship@vip.163.com