西江干線船用螺旋槳性能分析與對比研究*

余　衛　朱漢華　黃靈勇　范世東　楊　文

(武漢理工大學能源與動力工程學院1)　武漢　430063)　(廣西壯族自治區港航管理局2)　南寧　530012)

西江干線船用螺旋槳性能分析與對比研究*

余衛1)朱漢華1)黃靈勇2)范世東1)楊文1)

(武漢理工大學能源與動力工程學院1)武漢430063)(廣西壯族自治區港航管理局2)南寧530012)

摘要：針對西江干線船舶螺旋槳匹配與效率的問題，利用Pro/E和CATIA分別建立了西江干線船舶螺旋槳和船體的幾何模型，應用Fluent計算軟件和Workbench平臺，在考慮有船體干擾的情況下，對西江主流船型螺旋槳的水動力性能和結構性能進行了對比研究.通過對比分析3葉螺旋槳和4葉螺旋槳的水動力性能和結構性能，預報了2種螺旋槳在實際營運環境中的優劣.

關鍵詞：西江干線；螺旋槳；性能分析；對比研究

余衛(1988- ):男，碩士生，主要研究領域為船舶動力裝置性能與系統分析

0引言

在西江航運干線發展中，船型標準化和船舶動力系統節能減排是核心技術問題.西江干線上航行的主流船舶經過船型標準化設計，船舶主尺度基本實現了系列化，便于通航管理和船舶檢驗，但船舶動力系統的機槳匹配、航行節能與減排問題依然沒有滿意的解決方案.由于西江航道水深的限制，西江干線船舶的特點主要表現為船舶體積小，多為平底雙機雙槳船，船體型寬吃水比和方形系數較大，濕面積和吃水面形狀與海船的特點不同，所以船舶的阻力很難用理論公式來進行精確估算；而航道和船型的獨特性使得西江船舶主要使用了以下2類螺旋槳；3葉螺旋槳；4葉螺旋槳.螺旋槳的材料主要是錳黃銅和鑄鐵.其中3葉槳具有易變形、易銹蝕和更換周期短的特點，4葉槳結構性能較好，更換周期長，且在營運過程中較平穩.所用的螺旋槳在船-機-槳動力匹配中沒有經過嚴格的理論設計與實驗驗證，大多都是憑經驗設計和選用.本文針對以上2種西江干線船舶螺旋槳在實際營運中的差異和特點，在考慮有船體干擾的情況下，通過模擬仿真的方法來對比分析這2種螺旋槳的水動力性能、結構性能，從而為西江主流船型螺旋槳的設計和選用提供理論依據和參考.

1螺旋槳和船體建模

選用西江干線的某主流船型和與之匹配的螺旋槳作為分析模型.船舶主尺度為：總長Loa=56.8m，型寬B=12.5m，型深D=4.3m；螺旋槳主要參數為：直徑D=1.5m，縱傾角θ=10°，螺距比P/D=0.792，盤面比Ae/Ao=0.4.

1.1螺旋槳建模

在螺旋槳建模過程中，需要根據已知的螺旋槳二維型值點坐標，計算出螺旋的三維型值點[1]，然后通過Matlab軟件編程計算出螺旋槳各個截面的三維型值點坐標并生成txt，將其轉化成pts格式導入Pro/E建模軟件中；通過Pro/E中的建模工具使得點生成光滑的曲線，曲線生成封閉的曲面，見圖1，再通過陣列命令即可產生所需個數的槳葉，最后進行布爾運算，實體化后將槳葉和槳轂合成一體[2]，見圖2.

1.2船體建模

船體模型的建立與船體結構型線密切相關，因此首先應依據現有的船體型線，讀出各站號處圖1單個槳葉的型線圖圖2陣列實體化形成螺旋槳以及球鼻首等的橫剖面的數據點，寫成data.dat文件.考慮到船體表面的曲面較多，本文將數據點直接導入CATIA軟件中，用樣條曲線進行連接后得到船體的三維型線圖.通過(插入—曲面—填充)命令，以及(插入—曲面—多截面曲面)，依次選取構成面的邊界，重復操作完成整個船體曲面建模.在曲面操作中由于型線繪制問題而未封閉，需在過程中稍作修改.隨后通過(插入—操作—結合)命令進行曲面之間的結合，最后通過(插入—包絡體—封閉曲面)實現封閉曲面的實體化[3].

2螺旋槳性能數值仿真結果與對比研究

2.1船-槳仿真模型網格劃分

建好船槳實體模型后，對船槳按尺寸進行組裝并選擇合適的計算域.由于船模建立的是一半，這樣計算區域也變為整船的一半，計算所需的網格數減少了一半，縮減了計算時間[4]，同時計算船-槳水動力時采用的控制域為一長方體，計算中控制域的長、寬、高分別為5倍船長、2.5倍船寬和5倍船高，船首距離來流入口1倍船長，船尾距離流體出口3倍船長，船側距橫向流體控制域邊界2倍船寬.考慮到在減少網格數量的同時又能夠保證計算的精度，將整個流域分為前中后3塊，中間包含船槳體的部分采用尺寸較小的四面體非結構化網格，同時對船體的船首、船尾和靜水面附近的網格進行了加密，前后2塊則采用尺寸較大的六面體結構化網格；為了捕捉到螺旋槳重要的流場信息，對螺旋槳表面的網格選用了三角形類型，對螺旋槳導邊、隨邊和葉根等進行網格加密，并對螺旋槳旋轉域使用非結構化網格.通過文獻研究發現在劃分船體和螺旋槳壁面附近網格時，需要在船體和螺旋槳的表面加添邊界層[5]，通過大量研究與試驗計算發現，本文的螺旋槳和船體的邊界層分別為3層和5層，得到的計算結果較符合實際結果.

2.2邊界條件設置

船-槳仿真模型控制域的邊界條件的具體設置大體如下：進口的邊界條件采用速度進口(velocity-inlet)，出口參數在未知情況下采用自由出口(outflow)，船體各面以及控制域各外圍邊界都設置為壁面(wall)，內部旋轉流域與外部圓柱流域間重合的圓柱體表面設為interface面，在導入Fluent后將這兩個各重合表面連接起來，形成一對交接面，實現外部靜止流場與內部旋轉流場的數據交換，螺旋槳表面設置為壁面，在導入Fluent后成為與鄰近的旋轉流場同軸旋轉的旋轉壁面(rotationalwall)，在船體的對稱面及其同側的控制域邊界設置為(symmetry).圖中還可以看到有不少內邊界，不過由于在建模的時候在設置上選擇了2個體積是連接在一起的，在Fluent中這個內邊界可以自動轉化為內部連接面(interior)，所以這些面不用設定[6].

2.3仿真計算設置和后處理計算

在計算域中同時存在動網格區和靜網格區時，針對存在轉子與定子相互干擾的情況，可根據不同的情況和要求選擇相應的計算模型，本文選擇多重參考系MRF模型對西江干線船舶螺旋槳進行仿真計算[7].根據調研數據知道螺旋槳的工作速度n為327.273r/min時，船舶航速V通常為10～20km/h，則進速系數J的取值范圍為0.246～0.5；在Fluent中設置求解條件完成后，從進口邊界條件初始化計算，穩態計算迭代窗口顯示計算已收斂后便可得到仿真結果[8-9].

通過Fluent后處理仿真計算，可提取出J時的螺旋槳推力和力矩，然后通過式(1)可計算出螺旋槳的推力系數kt、轉矩系數kq和敞水效率η[10].

(1)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；T為推力,N；Q為轉矩,N·m；v為來流速度，m/s.

2.4螺旋槳水動力性能對比分析

2.4.1仿真模型數值計算結果驗證分析

本文在Fluent中選擇RNGk-ω湍流模型對船-槳模型進行滿載阻力仿真計算[11]，并將船-槳模型仿真計算結果(不帶螺旋槳)與裸船體船模實驗結果進行比較，裸船體阻力實驗數據來自于武漢理工大學船模試驗水池，其縮尺比為14，見表1和圖3.

表1　56.8 m船滿載阻力仿真計算結果驗證

圖3　數值仿真計算值與實驗值對比

由表1和圖3可見，運用Fluent進行的船體阻力數值模擬的計算結果和實驗結果得到的數據趨勢一致，仿真總阻力誤差在10.89%以內，所以選取的RNGk-ω湍流模型在計算此船舶阻力仿真模型時，有較好的準確性，說明所建立的船-槳水動力仿真模型可以滿足實際要求.

2.4.23葉槳與4葉槳水動力性能數值對比分析

通過以上的計算驗證了選取的RNGk-ω湍流模型在計算船體阻力有較好的準確性，所以在保證其他所有仿真環境完全不變的條件下，改變螺旋槳的葉數，建立3葉槳和4葉槳的水動力計算仿真模型，完成3葉與4葉螺旋槳在船體干擾下的水動力性能數值對比分析，同時對比的結果也能減少仿真中出現的誤差.

為了預報螺旋槳的水動力性能，設置螺旋槳始終處于旋轉狀態，同時設置相應的來流速度，依次將進速系數從J=0.3～0.7研究螺旋槳所受的推力與轉矩，逐步求出敞水效率，仿真計算結果見表2和表3.

表2　不同進速系數下3葉槳水動力性能

表3　不同進速系數下4葉槳水動力性能

下面利用表2和表3的數據同時畫出3葉槳和4葉槳的推力系數、轉矩系數和敞水效率的數量關系圖，見圖4.

圖4　3葉槳與4葉槳水動力性能對比

由圖4可以得到在船體干擾下，運用Fluent進行的數值模擬的3葉槳計算結果和4葉槳計算結果的趨勢一致.3葉槳的kt和kq都比4葉槳小，4葉槳的kt和kq可分別超過3葉槳的17.9%和23.44%，而且隨J的增加，這種差距逐步減小；在相同條件下3葉槳的η敞水效率比4葉槳的都大，3葉槳可超過4葉槳η的5.44%，且隨著J的增大，這種差距有逐步增大的趨勢.

2.4.3槳葉壓力場對比分析

為了研究說明在船體干擾和同一個J下，該船舶3葉槳和4葉槳受力情況的差異，現截取J=0.4時2槳葉面和葉背的壓力云圖,見圖5.

由3葉槳和4葉槳葉面和葉背的壓力云圖可得，在該西江干線船舶船體干擾下，2個螺旋槳壓力面的壓力變化趨勢一致，都是由導邊向隨邊逐漸減小，在隨邊處達到最小值，壓強從葉根到葉梢不斷增加，在0.8 R附近處達到峰值，3葉槳和4葉槳壓強最大值分別為0.125MPa和0.123MPa；在吸力面上各槳葉壓力變化不同，且都出現負壓，3葉槳的負壓在導邊附近達到最大值0.172MPa，4葉槳的負壓在導邊附近達到最大值0.111 32MPa.

2.5螺旋槳結構性能對比分析

借助Workbench平臺，將以上Fluent的計

圖5　3葉槳與4葉槳槳葉壓力場對比

算流場數據導入Static-Stuctural求解器中進行西江干線船舶螺旋槳的流固耦合計算[12].通過計算得到了材料為錳黃銅和J= 0.4時有船體干擾下的螺旋槳槳葉等效應力分布云圖、槳葉變形云圖和槳葉安全系數云圖，并對圖上的數值計算結果進行對比分析.見圖6、圖7.

圖6　槳葉等效壓力云圖

圖7　槳葉變形云圖

螺旋槳的設計必須在最大載荷下滿足工程安全需要，由圖6可見，在J= 0.4時，3槳葉和4葉槳的最大應力值分別為為57.127MPa和50.935MPa，錳黃銅的抗拉強度極限為700MPa，則安全系數k分別為

由上面分析可以得到：(1)在船體干擾和水動力載荷作用下，3葉槳和4葉槳各槳葉的等效應力分布和變形不同，3葉槳單個槳葉出現最大等效應力和變形，4葉槳相鄰2個槳葉出現最大等效應力和變形；3葉槳和4葉槳槳葉最大等效應力均出現在葉根位置靠近導邊處，分別為57.127MPa和50.935MPa，而最小等效應力則均出現在葉梢靠近隨邊處，分別為0.068MPa和0.041MPa；(2) 3葉槳和4葉槳槳葉的最大變形均出現在葉梢處，槳葉最大變形量分別為3.49mm和3.16mm，3葉槳較3葉槳變形大；(3) 3葉槳和4葉槳的最小安全系數分別為12.25和13.74，4葉槳的最小安全系數較3葉槳大.

3結論

1) 在相同條件下，3葉槳和4葉槳槳葉的等效應力分布和變形各不相同，說明船體半流的干擾改變了螺旋槳槳葉壓力和流場的分布，同時可以發現4葉槳的最大等效應力和最大變形均小于3葉槳，最小安全系數大于3葉槳，可以說明4葉槳的結構性能優于3葉槳.

2) 在船體干擾下，3葉槳的敞水效率略高于4葉螺旋槳，而推力系數和力矩系數小于4葉槳；3葉槳槳葉所承受的壓力和壓強都比4葉槳槳葉所承受的大，且在吸力面3葉槳槳葉出現的最小負壓比4葉槳大，所以在船舶營運過程中，可以預測3葉槳比4葉槳較易發生空泡氣蝕.

3) 在西江干線船舶實際營運時，其航速范圍為10～20km/h；設計航速為16km/h左右，即其進速系數范圍為0.246～0.5之間，兩種螺旋槳都無法達到其最佳進速系數和敞水效率，所以該船舶的船機槳匹配不合理，應對船舶重新進行船機槳匹配優化設計，改進船舶的推進效率.

參 考 文 獻

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AnalysisandComparativeResearchof

中圖法分類號：U664.2

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.045

收稿日期：2014-08-15

PerformanceforWestRiverRouteMarinePropellers
YUWei1)ZHUHanhua1)HuangLingyong2)FANShidong1)YANGWen1)
(School of Energy and Power Engineering,

Wuhan University of Technology ，Wuhan 430063,China)1)

(Guangxi Zhuang Autonomous Region Port and Shipping

Administration Bureau，Nanning 530012,China)2)

Abstract：Aiming at the problems of the West River Route ship propeller’s matching and efficiency, using Pro/E and CATIA the West River Route ship’s propeller and hull geometric model is established. Then in the case of considering interference with the hull, making use of the Fluent calculation software and Workbench platform the West River mainstream ship propellers’ hydrodynamic performance and structure performance. By comparing and analyzing the hydrodynamic performance and structure performance between three-blade propeller and four-blade propeller, are forecasted the two kinds of propeller’s advantages and disadvantages used in the actual operation situation.

Key words：west river route; propeller; mainstream ship type; performance analysis

*廣西交通廳科技研究項目資助