某伴流補償導管對螺旋槳空泡及空泡剝蝕性能影響研究

黃紅波，薛慶雨，黃少鋒，吳穎昕

（1．中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫214082；2．江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

某伴流補償導管對螺旋槳空泡及空泡剝蝕性能影響研究

黃紅波1，2，薛慶雨1，黃少鋒1，2，吳穎昕1

（1．中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫214082；2．江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

文章介紹了中國船舶科學研究中心大型循環水槽中開展的某散貨船有、無伴流補償導管下螺旋槳空泡、空泡剝蝕性能對比試驗研究，并深入分析某伴流補償導管對空泡形態、空泡剝蝕性能影響及導管設計過程中需注意的問題。試驗結果表明：前置伴流補償導管會增加螺旋槳表面空泡面積及空泡誘導的船體脈動壓力一階葉頻分量，且不合適的伴流補償導管安裝方式會增加槳葉空泡剝蝕風險。

伴流補償導管；空泡；脈動壓力；空泡剝蝕

0 引 言

近些年來，在國際貿易及世界經濟快速發展的推動下，世界航運的船舶噸位屢創新高，伴隨而來的是對能源巨大的需求與污染氣體的大量排放，為應對日益增長的能源消耗及不斷惡化的現實環境，國際海事組織對船舶節能減排提出了明確目標，并即將強制實施船舶能效設計指數（EEDI）及減少溫室氣體排放的九條框架原則，為應對即將強制實施的各項節能減排指標，各種形式節能裝置層出不窮，并得到廣泛應用，如后置節能裝置消渦鰭、自由轉輪、舵球、舵鰭、扭曲舵等，前置節能裝置有鰭板、伴流補償導管、定子、導輪等等。

伴流補償導管由于其優異節能效果（可達3%-7%），且結構簡單，便于實船的加工與安裝，近幾年來備受推崇，據不完全統計，近30年來節能用伴流補償導管在近千艘海船上使用[1-2]。伴流補償導管又稱Schneekluth’s導管，是由德國艾根（Aachen）工業大學施尼克羅茲（Schneekluth）教授提出，并于1984年成功安裝于一艘7萬噸散貨船。伴流補償導管是一個前端直徑大、后端直徑小的喇叭型的半圓導管，一般安裝螺旋槳前方船艉左右兩側，通常情況下，左右兩側安裝方式并不對稱[3-5]。

由于前置伴流補償導管在船尾安裝位置與角度，與船舶節能效果密切相關，如果導管與船尾匹配不佳，不便充分發揮其節能效果，還會因其對尾部螺旋槳的流場影響，有可能在螺旋槳內半徑產生沿弦長脫落的片、云狀空泡，增加螺旋槳槳葉表面空泡剝蝕的風險，本文針對某散貨船，在裝配伴流補償導管前后，研究其對螺旋槳槳葉表面空泡及空泡剝蝕性能影響。

1 試驗模型

試驗船模為某散貨船模型，此船舶模型、螺旋槳模型和導管模型均按1：45.65縮比進行加工，其中船舶模型為玻璃鋼材質，螺旋槳模型為鋁合金材質，表面陽極化處理顯亮紅色，且在槳葉上標記了0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R的半徑剖面線及槳葉參考線，伴流補償導管為鋁合金材質，表面噴涂黑漆處理。有無安裝伴流補償導管全附體模型照片如圖1、圖2所示。實船及實槳主要參數如表1所示。

圖1 有伴流補償導管模型安裝照片Fig.1 The setup of model ship with wake equalizing duct

圖2 無伴流補償導管模型安裝照片Fig.2 The setup of model ship without wake equalizing duct

表1 船體及螺旋槳主參數Tab.1 The main specifications of full scale ship and propeller

2 試驗設備

2.1 大型循環水槽

試驗在CSSRC的大型循環水槽內進行。水槽試驗段長度10.5m，寬度2.2m，高度為2.0m。水速調節范圍為1.0～15.0m/s。試驗段中心線壓力調節范圍為30～350kPa，圖3為試驗段照片。

2.2 脈動壓力測試設備和分析方法

脈動壓力用14個KYOWA PGMC-A-200kPa壓力傳感器測量，傳感器的最大量程為0.2MPa，頻率響應達到20 kHz。這些傳感器鑲嵌在船模螺旋槳上方船底板上，傳感器測量表面與船底板下表面齊平；傳感器的布置見圖4。相鄰傳感器之間的距離為0.12Dm，Dm為槳模直徑。

圖3 循環水槽試驗段照片Fig.3 The photo of test section

圖4 脈動壓力傳感器布置Fig.4 Arrangement of pressure transducers

壓力信號由14個具有寬頻響應特征的DH-3840放大器放大；采用NI4472A/D采樣卡采集信號；通過FFT分析，可以得到具有葉片倍頻的壓力脈動幅值△Pim（i=1，2，3，……），根據下面公式可以換算為無量綱的脈動壓力系數KPi：

依據模型尺度和實船尺度下的KPi相等，按下式預報實船尺度下的壓力脈動幅值△Pis：

3 螺旋槳空泡脈動壓力試驗及結果分析

為研究前置伴流補償導管對螺旋槳空泡性能的影響，在相同主機功率下分別進行了帶導管和不帶導管的船后水動力、空泡、脈動壓力及剝蝕試驗。

3.1試驗工況

本次螺旋槳空泡及剝蝕試驗工況選擇較嚴重的壓載吃水工況（CSR with 15%S.M.即持續服務功率下帶15%功率儲備海況），試驗工況如表2所示。試驗工況滿足：（1）模型和實船的推力系數相等；（2）在槳葉12點鐘位置（0°），滿足模型槳與實槳在0.8R處的轉速空泡數σn（0.8R）相等。

表2 空泡試驗工況Tab.2 Test conditions of cavitation

表2中，0.8R處轉速空泡數σn（0.8R）及推力系數KT定義為：

式中：P0.8R為槳葉在12點鐘位置時0.8R處的靜壓，Pa；Pv為飽和蒸氣壓力，Pa；ρ為水密度，kg/m3，n為螺旋槳轉速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；T為螺旋槳的推力，N。

3.2 空泡形態及脈動壓力試驗結果與分析

此散貨船在伴流補償導管情況下進行空泡脈動壓力試驗時，發現在某些特定角度下，在槳葉葉背內半徑產生不穩定的背片空泡，且與外半徑處背片空泡無法連成一體，獨自孤立，并沿螺旋槳弦長方向脫落破裂，存在空泡剝蝕風險。在無伴流補償導管情況下，螺旋槳葉背片空泡從導邊產生、發展，且不同半徑處片空泡連成一體，沿外半徑及徑向泄向槳外，破碎在水中，屬正常空泡形態，無空泡剝蝕風險。兩種狀態下空泡形態如圖5所示。螺旋槳在有伴流補償導管時，由于軸向平均伴流比無導管時有所增加，因此在相同工況及相同相位角度時，有導管時，槳葉葉背背片空泡面積有所增加，且增加的背片空泡主要向內半徑偏移。

圖5 壓載吃水狀態有無伴流補償導管空泡形態照片（上：有導管；下：無導管）Fig.5 Cavitation photos atballast draftcondition(Up：with duct;Down：withoutduct)

圖6 壓載吃水狀態有無導管脈動壓力前二階葉頻分量分布（上：有導管；下：無導管）Fig.6 Distribution of pressure amplitudes-harmonic(1st&2nd)at ballast draft condition (Up：with duct;Down：withoutduct)

在壓載工況下，安裝伴流補償導管后，槳葉葉片上空泡面積增加，空泡誘導的脈動壓力一階葉頻分量相應增加，增加量在10%左右，二階葉頻分量相當，變化不大，如圖6所示。

4 螺旋槳空泡剝蝕風險分析及試驗結果探討

4.1 螺旋槳空泡剝蝕風險分析

螺旋槳表面空泡剝蝕多由泡狀空泡、云狀空泡、霧狀空泡、絮狀空泡以及復雜的背片空泡[6-7]（在槳葉內半徑產生，且沿弦長方向在槳葉表面脫落、潰滅）的存在而產生，本文中螺旋槳上內半徑片空泡即為復雜背片空泡，在槳葉導邊0.7R附近產生孤立的背片空泡，且沿弦長方向脫落，脫落后類似云狀空泡，在槳葉表面潰滅，如圖7所示，圖中較清晰地再現了螺旋槳葉背上內半徑復雜背片空泡產生、發展、潰滅、反彈、重新集結和二次潰滅的演變過程，且空泡首次潰滅時的能量（體積大）遠大于二次潰滅，因此可能產生空泡剝蝕的位置應在首次潰滅位置，即在槳葉0.7R與槳葉參考線交匯的前端。

圖7 壓截工況下螺旋槳葉背脫落片空泡演變過程Fig.7 The process of sheet cavitation shedding at ballast condition with wake equalizing duct

4.2 螺旋槳空泡剝蝕試驗風險及結果分析

從上文空泡結果分析表明，此螺旋槳在伴流補償導管情況下，存在較強的空泡剝蝕風險，有必要采用軟面法進行空泡剝蝕試驗驗證。首先對1#、2#、4#葉片均勻噴涂蘭油，進行了帶伴流補償導管情況下螺旋槳空泡剝蝕試驗，試驗結果如圖8所示，在1#、2#、4#葉片0.7R半徑線與槳葉參考線的前端有明顯的空泡剝蝕麻點，證實上文分析結果。為進一步證實螺旋槳槳葉空泡剝蝕主要由導管伴流影響，隨后對槳葉重新均勻噴涂蘭油，進行了不帶伴流補償導管情況下螺旋槳空泡剝蝕試驗，試驗結果如圖9所示，四只葉片上均沒有空泡剝蝕痕跡，模型試驗證實了伴流補償導管影響了槳葉內半徑處流場，使螺旋槳存在較大空泡剝蝕風險。

圖8 帶伴流補償導管時空泡剝蝕試驗前后對比照片Fig.8 The contrast photos before and after cavitation erosion test with wake equalizing duct

圖9 只有螺旋槳空泡剝蝕試驗前后對比照片Fig.9 The contrast photos before and after cavitation erosion test only with propeller

4.3 有無伴流補償導管CFD計算分析

為進一步研究此散貨船伴流補償導管對螺旋槳流場的影響，對此船模進行了全附體帶螺旋槳（其中螺旋槳以體積力代替）的三維粘性不可壓縮RANS方法計算。

圖10為有無導管時，船尾旋渦流動分布情況。當只有螺旋槳存在時，由船體處產生的漩渦，在尾流處開始減弱甚至消失；當存在導管時，漩渦流經導管，得到了加強，同時，在導管外表面處也產生新的漩渦，并最終脫落，與原漩渦交織在一起。

圖10 船尾旋渦流動分布（左：有導管；右：無導管）Fig.10 Distribution of vortex at ship stern(Left：with duct;Right：without duct)

圖11 不同盤面處軸向速度分布（上：導管及螺旋槳；下：只有螺旋槳）Fig.11 Distribution of axis velocity at different plane(Up：Duct and propeller;Down：propeller)

圖11 為不同盤面處軸向速度分布云圖，水流經流導管后，其軸向速度分布有一定區別，如圖中紅色圓圈所示，這有可能是導致槳葉內半徑產生脫落空泡，并增加空泡剝蝕風險原因所在。

5 前置伴流補償導管設計需注意的問題

前置伴流補償導管在追求較好節能效果的同時，需兼顧槳葉空泡性能，設計時需注意以下幾點，首先選擇合適的導管直徑，其次是導管安裝角度及所在位置，這三點決定了螺旋槳的進流場，確定了螺旋槳效率增加量及槳葉表面空泡變化情況，圖12為本文中導管，左右對稱，且導管下端尾緣離槳盤面的距離約為0.4D，導管下端與船舶交截線與軸線夾角約10.5°，本艘散貨船船型與伴流補償導管組合未達到最佳狀態，使槳葉表面存在較大空泡剝蝕風險，其節能效果也受到較大的限制，可從表2試驗工況中看出，其航速只增加0.04kns，槳負荷增加3.3%，小于一般船舶航速增加0.2-0.3kns，槳負荷增加5%—10%情形。圖13為四種無空泡剝蝕風險的不同散貨船、油船伴流補償導管安裝方式，其導管下端尾緣離槳盤面的距離約為0.3D，且多在槳軸中心線或偏下位置，導管下端與船舶交截線與軸線夾角一般3°～7°為宜。伴流補償導管直徑需根據船型合理選擇，其直徑范圍約0.3-0.5D之間。

圖12 槳葉內半徑存在空泡剝蝕風險伴流補償導管安裝方式Fig.12 The setup of wake equalizing duct with risk of cavitation erosion

圖13 槳葉正常空泡形態條件下伴流補償導管安裝方式Fig.13 The setup of wake equalizing duct without risk of cavitation erosion

6 結 論

本文針對某特定伴流補償導管對螺旋槳空泡及空泡剝蝕性能的影響研究，從空泡形態上判斷可能產生空泡剝蝕風險，利用模型實驗得到了驗證，分析其產生的原因，并給出伴流補償導管設計需注意的問題。形成的主要結論如下：

（1）本文中所提及的不合適的伴流補償導管有增加槳葉空泡剝蝕的風險，表明伴流補償導管設計時需評估導管對槳葉空泡性能的影響，避免空泡剝蝕風險的產生；

（2）伴流補償導管一般會增加軸向伴流、螺旋槳負荷及槳葉背空泡面積；

（3）伴流補償導管一般會增加螺旋槳空泡誘導的一階葉頻分量；

（4）在兼顧節能效果與空泡性能時，伴流補償導管直徑根據船型一般在0.3—0.5D之間，且左右兩半不對稱，導管下端尾緣與槳盤面之間距離約為0.3D，導管下端與船舶交截線與槳軸線夾角一般在3°～7°之間。

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Study on the performance of cavitation and cavitation erosion with and without wake equalizing duct

HUANG Hong-bo1,2,XUE Qing-yu1,HUANG Shao-feng1,2,WU Ying-xin1
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

This paper describes the model test of cavitation observation and cavitation erosion measurement with and without wake equalizing duct in China Ship Scientific Research Center(CSSRC),meanwhile,the differences of propeller cavitation and cavitation erosion performance and some attentions are mentioned. The experiment results indicate that the area of sheet cavitaion and the maximum 1st harmonic pressure fluctuation values increase obviously with wake equalizing duct,what’s more,improper wake equalizing duct will have some hint of blade cavitation erosion.

wake equalizing duct;cavitation;pressure fluctuation;cavitation erosion

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.004

1007-7294（2017）07-0821-11

2017-02-09

黃紅波（1979-），男，高級工程師，E-mail：13621516671@163.com；

薛慶雨（1986-），男，工程師。