整流鰭在LNG船上的應(yīng)用

袁紅良，樓丹平，王衡元

整流鰭在LNG船上的應(yīng)用

袁紅良，樓丹平，王衡元

為了解整流鰭對(duì)LNG船艉部伴流場(chǎng)的改善效果，通過(guò)CFD計(jì)算及模型試驗(yàn)對(duì)LNG船艉部冷卻水出口處的整流鰭的不同布置方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)整流鰭與冷卻水排舷外出口的相對(duì)位置是影響艉部不均勻流場(chǎng)的主要因素。實(shí)船測(cè)試結(jié)果顯示應(yīng)用優(yōu)化后的整流鰭LNG船艉部伴流場(chǎng)更加均勻，振動(dòng)問(wèn)題得到有效的改善，同時(shí)快速性能也得到了提高。

LNG船；整流鰭；不均勻伴流場(chǎng)；冷卻水排舷外

從20世紀(jì)60年代初第一艘專門運(yùn)輸LNG的船舶出現(xiàn)至今，LNG船已經(jīng)從2萬(wàn)m3左右發(fā)展到如今的26萬(wàn)m3。而且隨著科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，LNG船型與推進(jìn)方式也出現(xiàn)了多樣化。蒸汽輪機(jī)、低柴油速機(jī)與雙燃料中速柴油機(jī)都被作為推進(jìn)動(dòng)力應(yīng)用到了LNG船上。近幾年來(lái)，盡管雙燃料發(fā)電機(jī)因?yàn)樾矢弑辉絹?lái)越多的新造LNG船所采用，但蒸汽輪機(jī)由于其性能穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠，在營(yíng)運(yùn)船中占據(jù)了近60%的份額。蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的冷卻海水管尺寸較大，排出舷外的冷卻水對(duì)艉部流場(chǎng)有一定的擾動(dòng)，造成艉部流場(chǎng)不均勻，是蒸汽輪機(jī)LNG船的共性問(wèn)題。艉部伴流場(chǎng)的不均勻降低了LNG船的快速性；同時(shí)導(dǎo)致了螺旋槳進(jìn)流的不均勻，造成LNG船局部振動(dòng)加劇的問(wèn)題。為改善蒸汽輪機(jī)LNG船艉部伴流場(chǎng)不均勻的問(wèn)題，以某大型LNG船為載體，通過(guò)CFD計(jì)算、模型試驗(yàn)及實(shí)船測(cè)試等方法對(duì)整流鰭不同布置方案進(jìn)行了研究，確定最有效的整流鰭優(yōu)化方案。

1 船舶振動(dòng)問(wèn)題

2002—2009年，滬東中華造船(基因)有限公司設(shè)計(jì)、建造了國(guó)內(nèi)首批147 210m3LNG船， 在LNG船實(shí)船試航的過(guò)程中，在主機(jī)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，船舶運(yùn)行一直比較平穩(wěn)，但當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)75～78 r/min及以上時(shí)，船體特別是艉部系泊甲板與艉部直升機(jī)平臺(tái)出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)[1-6], 機(jī)艙也發(fā)生了比較嚴(yán)重的局部振動(dòng)(見(jiàn)圖1～3)[7]。在試航的過(guò)程中，試圖通過(guò)調(diào)整船舶狀態(tài)，增加艉部吃水來(lái)改善船舶振動(dòng)，但效果甚微。

2 船舶振動(dòng)分析

針對(duì)試航時(shí)出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題,從以下幾個(gè)方面分析可能引起上述振動(dòng)的原因。

2.1 共振

在該項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,曾經(jīng)針對(duì)螺旋槳葉數(shù)的選擇進(jìn)行了一系列的研究與計(jì)算,從下列計(jì)算(見(jiàn)表1、2)結(jié)果可以看出:

1)由于在上層建筑/機(jī)艙煙囪區(qū)域的固有頻率與6葉槳的槳頻比較接近,認(rèn)為更容易引起共振,所以無(wú)法選擇6葉槳。

表1 壓載吃水狀態(tài)4，5，6槳的振動(dòng)評(píng)估

表2 設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)4、5、6槳的振動(dòng)評(píng)估

2)5葉槳與4葉槳相比，無(wú)論是上層建筑還是機(jī)艙棚/煙囪區(qū)域的振動(dòng)評(píng)估數(shù)值都要高出許多，所以從振動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，4葉槳最適合本項(xiàng)目。

在出現(xiàn)上述振動(dòng)問(wèn)題后，也曾試圖通過(guò)修改螺旋槳的設(shè)計(jì)來(lái)降低脈動(dòng)壓力數(shù)值，但2003年為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的螺旋槳在瑞典水池SSPA 進(jìn)行了推進(jìn)試驗(yàn)與空泡筒試驗(yàn)。從試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是推進(jìn)性能還是螺旋槳的空泡性能都比較優(yōu)秀，特別是螺旋槳的脈動(dòng)壓力數(shù)值處于比較低的水平，可以認(rèn)為螺旋槳的設(shè)計(jì)完全滿足要求。而且螺旋槳的改變也會(huì)引起軸系設(shè)計(jì)與安裝的改變，會(huì)對(duì)實(shí)船造成比較大的改動(dòng)與影響。同時(shí)，在日本船廠的LNG船上也發(fā)生了同樣的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)修改螺旋槳的設(shè)計(jì)與槳葉數(shù)并沒(méi)有解決該類問(wèn)題。

2.2 螺旋槳葉面的水流對(duì)船體外板的拍擊

在進(jìn)行螺旋槳的空泡試驗(yàn)時(shí)，曾經(jīng)拍攝到螺旋槳葉梢的水流被甩到船體表面的現(xiàn)象(PHV)。懷疑是否可能是葉梢的渦流的爆炸引起了螺旋槳脈動(dòng)壓力的增加。通過(guò)試驗(yàn)證明，在螺旋槳上方的船體外板上加裝鰭能有效地消除該現(xiàn)象的發(fā)生(見(jiàn)圖3)，并且對(duì)螺旋槳的空泡性能并沒(méi)有影響。被試驗(yàn)證明有效的方案在實(shí)船上進(jìn)行了實(shí)施，并再次試航進(jìn)行實(shí)船振動(dòng)水平的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明，問(wèn)題并沒(méi)有改觀。

2.3 不均勻艉部伴流場(chǎng)引起船舶振動(dòng)

在為解決船舶振動(dòng)尋求有效的解決方案的同時(shí)，在另外一家國(guó)外船廠建造的與本項(xiàng)目采用了同樣線型與螺旋槳的LNG船試航后并沒(méi)有發(fā)生如此嚴(yán)重的振動(dòng)問(wèn)題，而該船型惟一的不同是采用了與蒸汽輪機(jī)不一樣的電力推進(jìn)系統(tǒng)。這表明，由于船體左側(cè)主機(jī)冷卻水的舷外排放孔相對(duì)于其他船型來(lái)說(shuō)特別大，而且排放速度快。冷卻水的舷外排放對(duì)艉部伴流場(chǎng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的干擾。而在水池試驗(yàn)的過(guò)程中并沒(méi)有將冷卻水排放的模擬包括在試驗(yàn)之中。針對(duì)上述分析，從理論與試驗(yàn)2方面證實(shí)分析的準(zhǔn)確性。

1)CFD對(duì)艉部流線的計(jì)算與模擬。為了確定CFD計(jì)算的手段能很好地應(yīng)用于類似的工程項(xiàng)目分析中，通過(guò)CFD計(jì)算與水池試驗(yàn)的船體艉部流線結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn) CFD的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果完全符合，可以進(jìn)一步進(jìn)行冷卻水排放的模擬。

2)CFD對(duì)冷卻水排放的模擬計(jì)算以及船模試驗(yàn)的驗(yàn)證。為了證實(shí)冷卻水的排放對(duì)艉部伴流場(chǎng)的影響，以及螺旋槳工作在不均勻伴流場(chǎng)中引起的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)CFD計(jì)算對(duì)冷卻水排放后的艉部流線進(jìn)行了模擬，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)冷卻水的排放嚴(yán)重干擾了艉部流線(見(jiàn)圖4)。這一點(diǎn)也被船模試驗(yàn)的伴流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)圖5)及螺旋槳的脈動(dòng)壓力的測(cè)量結(jié)果所證實(shí)。艉部不均勻的伴流場(chǎng)使得螺旋槳運(yùn)行在非常不均勻的艉部伴流場(chǎng)中，產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力相對(duì)于沒(méi)有冷卻水排放的螺旋槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力要大很多[8]。

3 整流鰭應(yīng)用

為了改善艉部伴流場(chǎng)的不均勻問(wèn)題，試圖通過(guò)加裝整流鰭來(lái)改善艉部流線和艉部伴流場(chǎng)。加裝整流鰭的方案通過(guò)船模試驗(yàn)進(jìn)行了阻力的測(cè)量、伴流場(chǎng)的測(cè)量，以及脈動(dòng)壓力的測(cè)量，并進(jìn)行了實(shí)船安裝測(cè)試。

通過(guò)圖6的CFD計(jì)算的艉部流線與圖4相比，可以看出，整流鰭對(duì)艉部流線的改善有明顯的效果。這一點(diǎn)也可以通過(guò)艉部伴流場(chǎng)的對(duì)比圖(見(jiàn)圖7、5)可以得到結(jié)論。

通過(guò)拖曳試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，整流鰭的加裝對(duì)伴流場(chǎng)的改善起到了積極的作用，但卻在阻力性能方面產(chǎn)生了負(fù)面的作用。考慮了冷卻水的排放后的阻力與推進(jìn)性能相對(duì)于沒(méi)有冷卻水排放的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，需求功率增加了1.5%～2.0%， 加裝了整流鰭后，發(fā)現(xiàn)阻力與推進(jìn)性能更差,需求功率額外增加了4%[9]。

加裝了整流鰭后的實(shí)船振動(dòng)測(cè)量結(jié)果與沒(méi)有加裝整流鰭前相比，系泊甲板的振動(dòng)測(cè)量值有了明顯的降低，但與其他部位相比，數(shù)值明顯偏高。所以從阻力與推進(jìn)性能的改善，以及希望進(jìn)一步改善艉部伴流場(chǎng)以降低系泊甲板的振動(dòng)數(shù)值，必須進(jìn)一步對(duì)整流鰭進(jìn)行優(yōu)化。

4 整流鰭的優(yōu)化

在優(yōu)化的過(guò)程中，希望通過(guò)與水池等合作，進(jìn)行整流鰭的進(jìn)一步優(yōu)化工作。結(jié)合原先的整流鰭在水池試驗(yàn)的效果，從艉部伴流場(chǎng)及流線的改善進(jìn)行多方案對(duì)比。

通過(guò)在排水口位置上下加裝導(dǎo)流板來(lái)改善艉部流線。導(dǎo)流板相對(duì)于整流鰭來(lái)說(shuō)，形狀簡(jiǎn)單而且便于施工定位。但通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)通過(guò)加裝整流鰭(見(jiàn)圖9)比在排水孔的上面與下面加裝導(dǎo)流板(見(jiàn)圖8)的效果更好[8]31。

為了進(jìn)一步優(yōu)化整流鰭的效果, 對(duì)整流鰭的安裝位置及形狀進(jìn)行了優(yōu)化，總共設(shè)計(jì)了9個(gè)方案(見(jiàn)圖10)進(jìn)行了充分的比較，發(fā)現(xiàn)9號(hào)方案無(wú)論在阻力方面還是對(duì)螺旋槳的空泡性能的改善，以及脈動(dòng)壓力的改善方面相對(duì)于原先的整流鰭有明顯的改善。該方案被選定為最后的試驗(yàn)方案。

水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算的結(jié)果完全吻合，無(wú)論是加裝整流鰭后的所需推進(jìn)功率還是脈動(dòng)壓力與空泡性能方面都得到了預(yù)期的效果，也有了明顯的改善。

1)艉部伴流場(chǎng)得到進(jìn)一步改善[9]133,見(jiàn)圖11。

2)方案9優(yōu)化后的整流鰭比原先的整流鰭在合同航速點(diǎn)所需功率降低了2%，見(jiàn)圖12。

3)空泡試驗(yàn)測(cè)量得到的螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力值比原整流鰭方案有所降低，比原不加裝整流鰭的方案有大幅的降低，見(jiàn)圖13。

經(jīng)過(guò)對(duì)安裝了原方案整流鰭與優(yōu)化后整流鰭的實(shí)船試驗(yàn)與測(cè)量，通過(guò)前后數(shù)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后的整流鰭不僅在快速性能、油耗方面有了改善，振動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果更加明顯。說(shuō)明流場(chǎng)的改善對(duì)振動(dòng)方面改善效果明顯。進(jìn)一步證明了CFD 計(jì)算與船模試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算與試驗(yàn)手段證實(shí)蒸汽透平冷卻水的排放影響了艉部伴流場(chǎng)，造成了螺旋槳在不均勻的伴流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力的增加，產(chǎn)生了船體的振動(dòng)。整流鰭的應(yīng)用對(duì)艉部伴流場(chǎng)的改善效果明顯，而且不同位置的整流鰭有著不同的效果。

[1] GAN Xi-lin, WANG Suo-quan, LIU Peng. Report on local vibration test on board the lng carrier “Dapeng

Sun”[R].Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2007.

[2] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier“Dapeng Moon”[R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2008.

[3] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier “Min Rong”[R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2008.

[4] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier“Min Lu” [R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2009.

[5] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier“Dapeng Star”[R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2009.

[6] 王輝輝，王秀蘭，江克進(jìn).大型液化氣船振動(dòng)計(jì)算分析[J].船舶與海洋工程，2014(4)：1-7.

[7] 郭列,甘錫林,朱勝昌.LNG船振動(dòng)計(jì)算分析[C].第七屆舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)全體會(huì)議論文集，船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)，2010.

[8] MICHAEL Leer, RANS simulations of cooling water outlet and improvement of wake[R].SSPA,2009.

[9] PER Lindell. Hydrodynamic model tests with a new vortex generator configuration[R].SSPA,2010.

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

Application of Vortex Generator in the LNG Carrier

YUAN Hong-liang, LOU Dan-ping, WANG Heng-yuan

(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group)Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

To analyze the improvement of the vortex generator on the after flow wake distribution of LNG carrier, the CFD calculation method together with the model test was used to investigate the impact of the vortex generator with different arrangements. It is found that the relative location between the cooling water outlet and vortex generator is the main influence factor of the wake distribution. The full scale ship test showed that the flow wake distribution of the new vortex generator is more uniformed than the original one, and the vibration response and the speed performance are both improved.

LNG carrier; vortex generator; asymmetry wake distribution; cooling water outboard

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.005

2016-10-17

袁紅良(1971—)，男，學(xué)士，研究員級(jí)高工研究方向:船型研發(fā)

U674.13

A

1671-7953(2017)01-0018-05

修回日期：2016-11-10