一體化推進器多特性平衡設計及試驗驗證

解學參, 姜治芳, 何苗, 邱遼原

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

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一體化推進器多特性平衡設計及試驗驗證

解學參, 姜治芳, 何苗, 邱遼原

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

摘要：為分析一體化推進器的推進及空泡性能，基于多特性平衡設計思想,采用勢流理論面元法建立了一體化推進器設計方法。對不同舵球直徑時的槳舵推進系統水動力性能進行了仿真分析，確定了舵球直徑對推進性能的影響規律。以舵阻力及壓力系數最小為設計目標，采用速度場的迭代計算考慮槳舵之間的相互干擾，開展了舵不同展向剖面的扭曲設計。模型試驗結果表明：建立的一體化推進器多特性平衡設計方法是有效的，槳舵一體化推進器可減小舵的阻力，增加螺旋槳的推力，提高槳舵推進系統效率，并顯著改善舵的空泡性能。

關鍵詞：一體化推進器；平衡設計方法；阻力及自航試驗；空泡水筒試驗

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160321.1009.002.html

目前軍用艦船向大平臺、高航速、低振動方向發展，而民船方面，EEDI(新船能效設計指數)等規則的不斷生效使得船舶的節能減排、減震降噪成為船東、船舶設計者及總裝廠的關注重點之一[1]。國外對槳舵干擾進行了系統的理論研究、數值仿真、模型試驗機實船驗證[2-6]，并推出一種新型的一體化推進裝置，該系統將舵球、扭曲舵及襟翼合理地結合在一起，通過各裝置間的有利干擾達到了節約燃油消耗、改善槳后尾流場、減少推進器表面空泡的作用。文獻[7-8]討論了舵球、扭曲舵等組合型節能裝置的水動力性能計算，但僅基于水動力性能開展了數值仿真，未考慮空泡的影響。文獻[9]開展了最大舵阻力減額的扭曲舵設計及性能預報，文獻[10-11]開展了一體化推進器設計方法研究，并完成了水動力性能及空泡性能數值仿真，但未開展過模型試驗驗證。總體而言，目前國內對一體化推進器的研究較少，研究處于起步階段。

本文基于推進及空泡性能平衡設計思想，采用基于速度勢的低階面元法，通過速度場的迭代計算考慮槳舵之間的相互干擾，設計了一體化推進器，完成了一體化推進器與傳統槳舵推進器的快速性、空泡性能對比模型試驗。

1面元法理論

考慮在來流速度為V0的無旋、無粘、不可壓縮勢流中的任意一升力體，取一外部無窮遠控制面將其封閉在內。如圖1所示，流域的邊界面為物面SB，升力體尾渦面SW和外邊界面S。在該流域中可由擾動速度勢φ來表示升力體的擾動。根據格林公式及邊界條件，物面上的積分方程為

(1)

圖1　升力體及計算域Fig.1　Lifting body and calculation domain

對式(1)同時取梯度得到擾動速度的表達式:

(2)

2一體化推進器多特性平衡設計

本文綜合權衡推進及空泡性能，完成了一體化推進器的理論設計。一體化推進器包括舵球和扭曲舵，舵球的主要參數為長度及直徑，其中舵球長度需根據舵與轂帽的相對位置確定。對不同舵球直徑時的槳舵系統性能進行數值仿真，對比分析舵球直徑對效率的影響確定最優的舵球直徑。扭曲舵設計主要以槳舵相互干擾的流場計算為基礎，通過不同展向剖面偏轉實現阻力最小，并結合適伴流Eppler剖面設計方法，優化舵剖面壓力分布，實現在舵效基本不變的情況下，降低舵的阻力、優化舵空泡性能的目標。

2.1舵球設計方法

舵球的設計以槳舵相互干擾的數值仿真為基礎，采用基于速度勢的低階面元法，建立槳舵推進系統的坐標系并對物面進行雙曲面元劃分，坐標系及網格劃分如圖2所示。計算中槳舵之間的相互干擾通過在槳、舵的求解方程中分別計入二者之間誘導速度實現，并通過迭代計算逐步收斂該相互干擾。

圖2　一體化推進器坐標系及網格劃分Fig.2　Coordinate system and mesh of integrative propulsor

圖3　舵球直徑對節能效果的影響Fig.3　Effect of rudder ball diameters on energy saving

2.2舵的偏轉設計方法

由于船體、附體特別是螺旋槳旋轉的影響，即使在零度舵角時，常規舵的剖面與來流也存在一定的夾角，傳統的設計并未充分考慮該問題，因此容易出現舵剖面與流場的不匹配而出現舵阻力大、空泡性能差的問題，而合理設置舵的偏轉及扭曲是解決上述問題的有效方法。

假設船速為Vs，螺旋槳轉速為n，船體伴流場在舵剖面位置處三向分量分別為wx、wθ、wr，則當舵角為零時舵剖面處的來流速度為

(3)

式中：uRx表示螺旋槳對舵導邊位置軸向誘導速度的周向平均值，uRy表示螺旋槳對舵導邊位置切向誘導速度的周向平均值。

在來流VR作用下，舵剖面產生的升力定義為ΔLR，產生的阻力定義為ΔDR，在舵角為零的情況下，舵的附加推力定義為

(4)

剖面的升阻比是隨攻角而變化的，因此扭曲舵的設計實際上是根據槳舵之間相互干擾的流場確定舵剖面的最佳偏轉角αk使得舵的推力最大，其數學實質是求解式(5)的極大值：

(5)

式中：S為舵的展長，CL、CD為剖面的升阻力系數。舵剖面來流及受力情況示意圖如圖4所示。

(a)舵下端攻角

(b)舵上端攻角圖4　舵剖面受力示意圖Fig.4　Force on rudder section

2.3適伴流Eppler剖面設計方法

根據伴流場可確定舵最大附加推力對應的剖面偏轉角，但隨著剖面的偏轉其壓力分布也發生了較大的變化，可能會導致側向力減小而影響舵效或者出現大的吸力峰而惡化舵的空泡性能，而Eppler方法可以優化舵的壓力分布，在滿足舵受力基本不變基礎上，使得舵的表面壓力分布均勻。

Eppler方法是根據指定的速度分布形式通過保角變換來得到所需的翼型剖面。保角變換如圖5所示。該方法可以將翼型表面分為若干部分，在每一部分上指定一個攻角和速度分布形式，可以考慮翼型剖面在多個工況下工作的情況，是一種多點設計方法。翼型表面在單位圓上的區域劃分及對應的攻角設置如圖6所示。

在進行扭曲舵剖面設計時，需要根據伴流場計算結果確定舵剖面的攻角變化范圍，并參考普通舵的剖面升力系數確定設計剖面的負荷，以免引起側向力的明顯降低。

圖5　保角變換示意圖Fig.5　Sketch map of conformal mapping

圖6　單位圓上圓弧劃分及攻角示意圖Fig.6　Arc limit define and attack angle on unit circle

2.4一體化推進器設計方案

選擇某雙槳雙舵船為研究對象，其螺旋槳為5葉槳，直徑1.56m，盤面比為0.74，轂徑比0.189。舵為傳統的直舵，位于螺旋槳正后方，剖面為NACA0020，舵高1.35m，下端面弦長0.893m，上端面弦長1.08m。

通過不同舵球直徑對槳舵系統效率的影響分析，確定最佳舵球尺寸，結果見圖3。隨著舵球直徑由小變大，槳舵系統的節能效果由小變大，在d/D=0.22時節能效果最優，舵球直徑進一步增加則節能效果迅速減小，因此取舵球直徑d=0.22D，D為螺旋槳直徑。為保證舵球與轂帽光順過渡，舵球前端直徑與槳轂帽后端直徑相等。根據扭曲舵的設計原理開展一體化推進器設計，設計流程如圖7所示。

圖7　槳舵一體化推進器設計流程Fig.7　Flow chart of integrative propulsor design

根據槳舵一體化推進器設計流程迭代計算，獲得最大附加推力的舵偏轉角及適伴流扭曲剖面，扭曲舵偏轉角見表1，其中,z為舵剖面距槳盤中心的高度，L為舵的展長。給定攻角下的適伴流剖面優化結果見圖8，槳舵一體化設計方案見圖9。

表1　扭曲舵偏轉角

圖8　舵剖面對比Fig.8　Comparison of rudder section

圖9　一體化推進器方案Fig.9　Integrative propulsor

3一體化推進器綜合性能模型試驗

3.1試驗方案及模型

為了驗證一體化推進器的節能、抑制空泡效果，開展了傳統槳舵推進器與一體化槳舵推進器的快速性試驗及空泡試驗。

快速性試驗主要開展了不同槳舵方案的自航試驗，對不同航速下的螺旋槳及舵的受力進行了測量，其中舵的受力包括軸向力及側向力，試驗的縮尺比為1∶11。

空泡對比試驗在空泡水筒中進行，為了真實模擬螺旋槳工作環境，采用假體對船后非均勻流場進行模擬，假體形狀見圖10。螺旋槳模型直徑為220 mm，材料為鋁合金，傳統舵模型與一體化推進器模型分別見圖11和圖12。試驗采用模型槳與實槳等推力系數及等空泡數的相似條件進行。

圖10　假體模型伴流Fig.10　Wake simulation by dummy model

圖11　傳統舵模型Fig.11　Test model of traditional rudder

圖12　一體化推進器模型Fig.12　Test model of integrative propulsor

3.2快速性試驗結果及分析

槳舵系統的受力包括螺旋槳受力及舵的受力，表2列出了傳統槳舵推進器及一體化推進器的螺旋槳受力對比。由試驗結果可得，新型一體化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。

為了檢驗一體化推進器設計方法在降低舵的阻力及保持舵效方面的效果，進行了舵力測量試驗，表3列出了不同航速下舵的受力對比。

表2　槳舵推進器推力及扭矩對比

表3　舵受力對比

由舵的受力對比可得，一體化推進器的舵阻力比傳統舵降低10%～15%，而側向力變化較小，降低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。

定義槳舵推進系統的效率為

式中:kTP為螺旋槳推力系數，kR為舵的軸向力系數，kQ為螺旋槳的扭矩系數。

表4　槳舵推進系統效率對比

由槳舵推進系統的效率對比可得，一體化推進器的效率較傳統槳舵最大提高約2.7%，而隨著航速的增加節能效果減弱，到16 kn時節能效果約1%。

3.3空泡試驗結果及分析

在給定的進速及空泡數下進行了傳統槳舵推進器與一體化推進器的螺旋槳空泡形態對比試驗，圖13為槳葉處于50°位置時的空泡形態對比。

圖13　螺旋槳空泡對比Fig.13　Comparison of propeller cavitation

由相同工況下螺旋槳的空泡形態對比可知，普通槳舵系統與一體化推進器的螺旋槳空泡形態基本一致，表明一體化推進器對螺旋槳的空泡性能影響較小，這主要是由于舵位于螺旋槳后方，扭曲舵與普通舵對螺旋槳的影響不大，而舵球主要影響螺旋槳內半徑區域，該區域槳葉未發生空化。

在對應工況下，普通舵的兩側均產生了空化，空泡的面積及形態差別不大，但是左側面時空泡發生在軸線下方，而右側面時空泡發生在軸線上方，這主要是因為試驗時螺旋槳右旋，對于軸向下方的剖面，來流存在向左的誘導速度，左側面為剖面的葉背，隨著攻角增加左側面上產生吸力峰而出現空化，而軸向上方的剖面處存在向右的誘導速度，因此空泡發生位置相應的為右側面。

在對應工況下，一體化推進器的舵未發生空化，表明通過多特性均衡設計，一體化推進器可在保持舵效不變，增加螺旋槳推力及推進系統節能效果基礎上，有效改善舵的空泡性能。

圖14　普通舵的空泡形態Fig.14　Comparison of traditional rudder cavitation

圖15　一體化推進器舵空泡Fig.15　Comparison of integrative propulsor cavitation

4結論

從節能、改善空泡及保持舵效的特性平衡設計理念出發，建立了一體化推進器設計方法，通過快速性及空泡性能試驗驗證了設計方法的正確性。通過本文研究可得出如下結論：

1)一體化推進器可增加螺旋槳推力、減小螺旋槳扭矩，扭曲后舵阻力減小10%以上，最大效率可提高約2.7%。

2)舵的扭曲對螺旋槳空泡性能的影響較小，但通過剖面優化可實現在不改變舵效情況下，舵空泡性能的有效改善。

3)建立的一體化推進器多特性均衡設計方法可全面考慮槳舵之間的相互干擾，實現推進器與流場的匹配，達到在不改變舵效情況下的節能、抑制空泡的效果。

參考文獻：

[1]劉飛. EEDI對船舶總體設計影響分析研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2011: 11-36.

LIU Fei. The research of EEDI impact on the basic ship design[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011: 11-36.

[2]GHASSEMI H, GHADIMI P. Computational hydrodynamic analysis of the propeller-rudder and the AZIPOD systems[J]. Ocean engineering, 2008, 35(1): 117-130.

[4]DI MASCIO A, DUBBIOSO G, MUSCARI R, et al. CFD Analysis of Propeller-Rudder Interaction[C]//Proceedings of the Twenty-fifth (2015) International Ocean and Polar Engineering Conference. Hawaii, USA, 2015: 946-950.

[5]BADOE C E, PHILLIPS A B, TURNOCK S R. Influence of drift angle on the computation of hull-propeller-rudder interaction[J]. Ocean engineering, 2014, 103: 64-77.

[6]KIM J H, CHOI J E, CHOI B J, et al. Twisted rudder for reducing fuel-oil consumption[J]. International journal of naval architecture & ocean engineering, 2014, 6(3): 715-722.

[7]馬騁, 錢正芳, 張旭, 等. 螺旋槳-舵-舵球推進組合體水動力性能的計算與仿真研究[J]. 船舶力學, 2005, 9(5): 38-45.

MA Cheng, QIAN Zhengfang, ZHANG Xu, et al. Numeric computation and simulation on the hydrodynamic performance of the propeller-rudder-rudder bubble combination[J]. Journal of ship mechanics, 2005, 9(5): 38-45.

[8]何苗, 王超, 郭春雨, 等. 舵球幾何參數對螺旋槳水動力性能的影響[J]. 武漢理工大學學報, 2011, 33(7): 69-70.

HE Miao, WANG Chao, GUO Chunyu, et al. Effect of rudder ball geometric parameters on propeller hydrodynamic performance[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2011, 33(7): 69-70.

[9]WANG Chao, HE Miao, WANG Guoliang, et al. Design and performance analysis of twisted rudder based on the maximum reduction of rudder resistance[J]. Journal of ship mechanics, 2014, 18(3): 238-247.

[10]王超, 何苗, 郭春雨, 等. 一體化節能推進裝置定常水動力性能的數值模擬分析[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2013, 34(6): 674-679.

WANG Chao, HE Miao, GUO Chunyu, et al. Steady hydrodynamic performance simulation of integrative energy-saving propulsion system[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(6): 674-679.

[11]何苗. 一體化節能推進裝置的構型設計及水動力性能預報[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012: 13-60.

HE Miao. Design and hydrodynamic performance simulation of integrative energy-saving propulsion system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012: 13-60.

收稿日期：2014-11-24.

基金項目：國防科學技術委員會基礎研究基金項目(9140A14040510CB3102).

作者簡介：解學參(1982-), 男, 高級工程師,博士. 通信作者：解學參, E-mail: xxx1982886@sohu.com.

doi:10.11990/jheu.201412039

中圖分類號：U661.3

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0508-06

Balanced design of integrative propulsor and test validation

XIE Xueshen，JIANG Zhifang，HE Miao，QIU Liaoyuan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract：To analyze the propulsion and cavitation performance of an integrative propulsor, we developed a multicharacteristic balanced design method for the integrative propulsor using the surface panel method based on potential flow theory. We calculated the performance of a propeller-rudder system with different rudder-ball diameters, and obtained the law of influence of these diameters on the propulsion performance. Then, we designed rudder sections with different span directions to minimize resistance and pressure. We determined the interaction between the propeller and rudder by iteratively calculating the induced velocity. Model test results indicate the effectiveness of the balanced design method for the integrative propulsor, which can reduce rudder resistance and increase propeller thrust. Therefore, it can increase the efficiency of the propeller-rudder system and significantly improve the cavitation performance of the rudder.

Keywords：integrative propulsor; balanced design method; resistance and self-propulsion tests; cavitation tunnel test

網絡出版日期：2016-03-21.