可調螺距側向推進器推力測量方法

陳婷婷 竇增明

（蘇州船用動力系統股份有限公司 蘇州215126）

可調螺距側向推進器推力測量方法

陳婷婷 竇增明

（蘇州船用動力系統股份有限公司 蘇州215126）

通過工程常用的兩種經驗方法估算某型船用可調螺距側推的系泊最大推力，同時建立側向推進器敞水試驗模型，通過試驗方法獲得系泊狀態不同螺距下的水動力敞水性能，對實尺度不同螺距情況下的側向推進器推力和收到功率進行預報，從而得出系泊狀態的最大推力。文章定義了船用側推裝置的“標準槽道”和側推裝置的“名義推力”，并對上述三種推力結果進行對比與說明。

側向推進器；可調螺距；試驗模型；標準槽道；名義推力；系泊最大推力

引 言

隨著船舶大型化、高速化發展，側向推進器日益廣泛使用，對其要求也越來越多。不但推力要求越來越大，還對動力定位能力、減振降噪等綜合性能要求提出更高要求。

船用側向推進器主要安裝在船體（船首或船尾）的橫向槽道中，可視為是一個高流量、低壓頭的軸流泵［1］，一般以系泊最大推力為基本考核指標。可調螺距側向推進器可以在不改變主機轉速的情況下，通過改變槳葉的螺距大小來改變推力，從而適應船舶的航行狀態。在現代化船舶中，特別是動力定位的船舶中可調螺距側向推進器的應用越來越廣泛。

本文利用經驗估算，從工程角度得到某型船用可調螺距側向推進器的系泊最大推力，建立側向推進器試驗模型（適用于固定螺距側推和可調螺距側推等）；通過系泊狀態不同螺距比的敞水性能試驗，對實尺度側推在不同螺距下的系泊最大推力和收到功率進行預報，確定其在對應工況下“標準槽道”時的系泊最大推力，定義了船用側推的“名義推力”，并對工程估算結果與試驗結果進行對比分析。

1 項目概述

該型船舶采用可調螺距側向推進器。因螺旋槳總是一個方向旋轉，而左右舷的推力要求基本保持一致，故槳葉設計需采用零初始螺距和對稱葉形。并且，為盡量減少空化的發生，改善側推工作時的振動和噪聲，故在槳葉設計時采用平衡式側斜槳葉。

項目主要參數如下：

主機額定功率 2000 kW

螺旋槳轉速 243 r/min

螺旋槳直徑 2800mm

螺旋槳葉數 4葉

側斜角 ～32°

螺旋槳葉梢距離槽道內壁距離 18mm

2 經驗公式計算側推推力

在側向推進器選型之初，需要確定推進器的系泊最大推力參數。針對不同的使用要求，總體設計單位應根據船型、船舶主尺度和所需承受的最大風速及海況等因素、利用水線以上船的側面積及水線以下船的側面積來計算所需的側推系泊最大推力［2］，設備廠商則根據這個推力要求進行具體的參數設計。

目前在國際上對側推裝置的系泊最大推力，均習慣通過經驗數據估算或者由經驗公式計算得出。

行業內工程估算所用側推的系泊最大推力約為0.13～0.16 kN/kW，具體取值因船體槽道長度以及開口形狀等會有不同。取中間值0.145 kN /kW，則該型側推在2000 kW功率下，系泊最大推力約為290 kN。

工程計算用簡單的經驗公式［3］如下：

式中：T為系泊狀態推力，kN； k為計算系數，軸轉速為最佳轉速，側推運行接近全功率時，k≥0.97；D為螺旋槳直徑，m； PD為螺旋槳收到功率，kW。

對于該項目的可調螺距側向推進器系數取最低（k = 0.97），在2000 kW額定功率下，考慮電機效率、齒輪傳動等，取總效率為96%，根據上述經驗公式，該可調螺距側推系泊最大計算推力可達298 kN。

3 試驗方法測量側推推力

作為分析螺旋槳性能較為簡便的方法，船舶螺旋槳模型試驗對于研究螺旋槳的水動力性能十分重要。

3.1 試驗模型的建立

由于側向推進器槽道直徑不變，螺旋槳前后水流速度沒有增加，而槽道入口的形狀引起流速增加，使入口處周圍壓力減小，從而增加螺旋槳推力。因此槽道入口的形狀直接影響螺旋槳推力的大小。隨著槽道長度的增加，摩擦損耗增加，一般建議槽道長度以螺旋槳直徑長度的2～3倍為最佳。與此同時，為避免空氣吸入，一般建議槽道開口上邊緣到水面距離不小于1/2螺旋槳直徑，且為避免環流，槽道下邊緣到龍骨距離不能太小［3］。

綜合考慮上述因素，我們將槽道入口處開口設計成形狀倒圓角，建議取用倒圓半徑0.1倍螺旋槳直徑，同時為避開船體線型的影響，我們選取槽道長度，外形高度及外形寬度均為2倍螺旋槳直徑的正方形腔體，建立“標準槽道”內可調螺距側推的試驗模型，認為該試驗模型狀態下測得的系泊最大推力為側推的“名義推力”［4］，即：船用側向推進器的總推力由螺旋槳裝置推力及“標準槽道”推力組成。

受試驗條件限制，螺旋槳槳葉模型取直徑為250mm的可調螺距螺旋槳，按照同樣的縮尺比加工附體模型，具體包括導流帽、槳轂體、齒輪箱、支柱等在內的對流體型線有影響的整個側向推進器的整個水下裝置。可調槳裝置模型見圖1（即槳葉與附體模型）。“標準槽道”按上述要求取長度、高度、寬度分別為500mm的正方體，并按縮尺比加工槽道內腔253.2mm，進出口倒圓角R = 25mm（R為倒圓半徑）。為避免試驗中流體分離，對于槽道模型的其他邊沿部分按照R = 25mm光順倒圓（槽道模型見圖2）。

將可調槳裝置模型的重心與槽道模型長度方向的幾何中心重合，建立了側向推進器裝置推力測量的試驗模型（參見圖3），分別測量螺旋槳裝置推力及“標準槽道”推力。兩者推力總和即為該側向推進器裝置的“名義推力”。

需要強調的是該試驗方法適合可調螺距側推和固定螺距側推［4］。

3.2 試驗內容及數據

試驗分別選取4個模型開展系泊狀態下的水動力測量（螺距角θ分別為0°、10°、18°、25°）。試驗中固定螺旋槳轉速，改變拖車速度，記錄車速、螺旋槳轉速、螺旋槳推力、螺旋槳扭矩和槽道推力，所測的試驗數據根據CB/T346-1997“螺旋槳模型敞水試驗方法”無量綱處理并根據1978年ITTC推薦的修正方法對試驗結果進行實槳修正，得到各參量無量綱系數。

各個無量綱系數可表示如下［5］：

式中：TP為螺旋槳推力，kN；TD為槽道推力，kN；ρ為水的密度，kgf·s2/m4；n為螺旋槳轉速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；Q為螺旋槳扭矩，kN·m。

各螺距角下的無量綱水動力特征數據匯總見表1，水動力特性曲線見下頁圖4。

表1 系泊狀態側推水動力特征數據

對于非0螺距的模型數據，分析導管的推力對總推力的貢獻。當螺距角位于10°時，導管推力占裝置總推力36.34%；當螺距角位于18°和25°時，該比例分別為41.36% 和40.42%。這與之前對于側向推進器推力組成的認識基本一致［3］。

引入下列公式：

式中：T為推進器總推力，kN；PD為螺旋槳收到功率，kW。

得出無量綱系數后，根據實尺度側向推進器參數，當槳葉直徑為2.8m，螺旋槳轉速為243 r/min時，在系泊狀態下該側向推進器不同螺距下的推力和螺旋槳收到功率預估結果見表2。

表2 系泊狀態實尺度側向推進器水動力評估結果

對上述評估數據進行插值，考慮電機本身效率、齒輪傳動損失等，取總傳遞效率為96%，得出在2000 kW額定功率下，系泊狀態該側向推進器的總推力可達309.1 kN。

4 結 論

經驗估算中，側向推進器的系泊最大推力受航行海域、船體線型、槽道長度、開口形狀大小等因素影響，估算結果為區域值。

經驗公式中k為計算系數，推力計算中僅考慮螺旋槳直徑和螺旋槳收到功率兩個因素，未計及螺旋槳轉速等影響，計算結果為參考值。

本文建立船用側向推進器的推力測量試驗模型，經相并機構進行敞水試驗，得出實尺度該型側向推進器的系泊最大推力值。

對比三者數據可以看出：估算推力比試驗推力約少6%；經驗公式所得推力比試驗推力約少4%。三者均能有效得出側向推進器的系泊最大推力。側向推進器裝船后，船體線型、槽道長度及開口形式大小、葉梢間隙、格柵等對推力影響都很大，且船舶在實際航行時還受到海況、風力等因素影響，推力也會不同，即使有動力定位要求也還需要通過實際使用情況進行實船調整。因此，作為工程用經驗公式，估算推力及經驗公式計算推力可滿足項目總體估算要求，可較好用于指導工程實踐。而要獲得某型側推的具體“名義推力”或者動力定位初步數據，則需通過試驗的方法進行測量，并進行實尺度換算，最終在實船中調整確認。

［1］ 蘇興翹，高士奇，黃衍順. 船舶操縱性［M］. 北京：國防工業出版社，1989.

［2］ 中國船舶工業集團公司. 船舶設計實用手冊：輪機分冊［M］. 3版. 北京：國防工業出版社，2013.

［3］ 簡·托因布拉德. 船用螺旋槳與船舶推進［M］.瑞典：［s.n.］. 1993.

［4］ 陳婷婷. 船舶側向推進器推力測量試驗模型［P］. 中國：ZL 201520872542.8，2015.11.

［5］ 盛振邦，劉應中. 船舶原理［M］. 上海：上海交通大學出版社，2003.

On thrust measurement of controllable pitch tunnel thruster

CHEN Ting-ting DOU Zeng-ming
(SMMCmarine drivesystem (Suzhou) CO., Ltd.,suzhou 215126, China)

The maximum mooring thrust of the controllable pitch tunnel thruster of aship is estimated by the two empirical methods that are commonly used in engineering. The open water test model of the tunnel thruster is established to obtain the open-water hydrodynamic performance of the tunnel thruster under the different pitch at the mooring condition by conducting the open water model tests. The thrust and delivered power of the full scale tunnel thruster under the different pitch are then predicted to calculate the maximum mooring thrust of the tunnel thruster. It defines the “standard tunnel” and the “theoretical force” of the marine tunnel thruster, and also compares and introduces the three kinds of thrust.

tunnel thruster; controllable pitch; test model;standard tunnel; theoretical force;maximum mooring thrust

U664.2

A

1001-9855（2017）05-0061-04

2017-03-02；

2017-03-22

陳婷婷（1984-），女，碩士，工程師。研究方向：船用螺旋槳設計與研究。竇增明（1960-），男，高級工程師。研究方向：船舶動力系統的研究與開發。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.061