大功率全回轉推進器水動力學性能研究

李 威，葉曉明，姜羽澤，聶富成

(1. 華中科技大學 中歐清潔與可再生能源學院，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

大功率全回轉推進器是現代海洋動力定位系統中的重要裝備，高性能動力定位系統是大型海洋平臺在復雜海況下確保其工作穩定性及實現精確定位的關鍵。海洋工況十分復雜，海水腐蝕以及風、浪、流等惡劣環境因素對大功率全回轉推進器服役性能提出了極高要求。由于我國對大功率推進系統的研制起步較晚，西方國家又一直對這方面的生產技術實行嚴密封鎖。因此，我國目前尚不具備超過3 500 kW大功率級別推進器的制造能力[1]。推進器服役性能主要包括水動力學性能、可靠性及疲勞壽命等。而水動力學性能是其中最重要的指標，直接影響著推進器其余性能指標。因此，開展大功率全回轉推進器水動力學性能研究對保證全回轉推進器的服役性能具有非常重要的意義。

1 推進器水動力學性能研究

1.1 幾何建模

本文以中船重工集團第702研究所設計的某型大功率全回轉推進器為研究對象開展相關研究工作。該型推進器結構組成主要包括立柱、導管、螺旋槳以及槳轂等部件，各零部件之間主要以過盈配合、螺紋連接等方式進行裝配。在不影響水動力學計算精度的前提下，建立該型全回轉推進器三維簡化模型，如圖1所示。其主要結構參數見表1。

圖1 全回轉推進器三維簡化模型Fig.1 3D simplified model of azimuth propulsor

表1 推進器結構參數Tab.1 Geometric dimension of propulsor

1.2 計算域

為提高計算精度，減小計算域邊界對計算結果的干擾，將計算域設為一長度為10 D、直徑為5 D的圓柱體區域，D為螺旋槳直徑。為保證螺旋槳尾流可以自由流動，槳葉中心到入口面距離定為3 D，到出口面距離定為7 D[2]，如圖2所示。

計算域模型采用多參考坐標系（MRF）方式建立，即將計算域劃分為外部靜止域及內部旋轉域2部分。靜止域包括立柱和導管等部件[3]。旋轉域包括螺旋槳及槳轂，并通過螺旋槳坐標系旋轉來模擬螺旋槳的旋轉。

1.3 網格劃分

計算域網格的劃分均采用四面體網格，如圖3所示，網格信息如表2所示。由于槳葉葉梢與導管內壁面間距非常小，需將間隙處的網格進行細化，在葉梢和導管內壁面間設置3層邊界層網格[4]。

圖2 計算域模型Fig.2 Computational domain

圖3 計算域各部分網格Fig.3 Grid division of computational domain

表2 計算域網格數和節點數Tab.2 Grid and node number of computational domain

1.4 邊界條件

計算模型邊界條件設置如下：

1）計算域左側端面設為速度入口邊界條件，根據不同的進速系數調整設定來流速度，右側端面設為壓力出口邊界條件[5]。

2）推進器部件表面和靜止域外邊界面，都設為壁面Wall。

3）旋轉域和靜止域的接觸面設為Interface[6]。

湍流模型選用兩方程的RNG k-ε模型，近壁面處采用 Standard wall functions[7]。推進器最高轉速為 180 r/min，進速系數J在0.01～0.75區間內取值。

1.5 材料屬性

計算域內的流體為海水，其物性參數如表3所示。

表3 海水物性參數（20 ℃）Tab.3 Property parameters of sea water

1.6 計算結果分析

基于上述推進器水動力學數值模型，可得到不同進速系數下螺旋槳和導管推力T，螺旋槳扭矩Q，并進一步計算得到推力系數KT，扭矩系數KQ及敞水效率η，如表4所示。根據表中數據，繪制其敞水性能曲線，如圖4所示。

表4 不同進速系數下全回轉推進器水動力學性能Tab.4 Hydrodynamic performance of azimuth propulsor with different advance coefficient

圖4 推進器敞水性能曲線Fig.4 Open water performance curve of propulsor

由圖4可知，隨著進速系數J增大，KT和KQ都隨之減小，而推進效率η變化呈拋物線趨勢。當J=0.55時，η達到最大值0.704，此時推進器處于最佳工作狀況。當J=0.75時，KT為0.004，接近為0，說明此時產生的推力很小。

圖5為進速系數J=0.55，即敞水效率最高時，螺旋槳槳葉表面的受力情況。從圖中可知，槳葉表面最大壓力都出現在槳葉邊緣靠近葉根處，槳葉中部受力比較均勻。在此工況下，螺旋槳產生297.154 kN的正推力。

圖5 J=0.55 吸力面、壓力面受力分布Fig.5 J=0.55 pressure distribution on suction surface and pressure surface

2 不同回轉角時推進器水動力學特性研究

為獲得推進器360°回轉過程中的水動力學特性，將這一動態過程離散為若干個回轉角度下進行分析。

2.1 計算域

由于推進器在靜止域內作360°轉動，將靜止域設為一圓柱體，長度和直徑都為10 D。入口面和出口面到推進器中心的距離都為5 D。計算域如圖6所示。

2.2 網格劃分

靜止域計算網格選用四面體網格，如圖7所示。網格數為659 178，節點數為112 948。旋轉域計算網格保持不變。

圖6 計算域劃分Fig.6 Computational domain division

圖7 回轉角為 60°時靜止域網格Fig.7 Static domain grid when rotation angle is 60°

2.3 計算結果分析

取J=0.087，即來流速度v=1 m/s，螺旋槳轉速為180 r/min時，不同回轉角度下螺旋槳和導管推力T及螺旋槳扭矩Q在螺旋槳坐標系xoy中表示的計算結果如表5所示，水動力學性能曲線如圖8所示。

表5 不同回轉角下全回轉推進器水動力學性能參數Tab.5 Hydrodynamic performance parameters of azimuth propulsor at different angle of rotation

圖8 螺旋槳坐標系xoy下的水動力學性能曲線Fig.8 Hydrodynamic performance curve at propulsor coordinates xoy

由圖8可知，敞水效率η呈拋物線變化趨勢，在回轉角為180°時達到最大值0.197。圖9為國外某機構對某全回轉推進器在360°回轉時應用六分力天平測得其推力系數變化曲線[8]。

圖9 某型推進器全回轉推力系數測試值Fig.9 Test value of thrust coefficient of a certain propulsor

通過對比可知，圖8所示計算結果與圖9測試結果變化規律基本吻合。在全回轉工況下推力系數KT曲線呈“雙峰一谷”型變化趨勢，在180°時出現波谷，在120°和240°附近出現波峰。

圖10為全回轉推進器在回轉角為120°時，螺旋槳表面的壓力分布情況。由圖10以及表5可知，在螺旋槳坐標系xoy下轉角為120°時，推進器此時輸出的推力達到峰值為877.694 kN。此時，槳葉吸力面和推力面間的壓差達到最大，造成槳葉上產生較大的應力。

3 結 語

本文建立了某型大功率全回轉推進器水動力學數值模型，獲得了不同工況下的推力系數、扭矩系數、推進效率等水動力學性能參數。基于對計算結果分析，結論如下。

1）隨著進速系數J增大，KT和KQ都減小，在J=0.75時，KT接近為0，說明此時產生的推力很小。

2）隨著進速系數J增大，推進效率η變化呈拋物線趨勢。當J=0.55時，η達到最大值0.704，此時推進器處于最佳工作狀況。

圖10 回轉角為 120°時槳葉表面壓力分布Fig.10 Pressure distribution on blade surfaces when rotation angle is 120°

3）在推進器360°回轉過程中，推力系數和扭矩系數變化規律一致，都呈M型，且曲線對稱。在120°和240°時出現峰值，180°時出現谷值。而推進效率η變化呈拋物線趨勢，180°時出現最大值，為0.197。

4）當轉角是120°時，推進器輸出的推力達到峰值。此時會造成槳葉上產生最大應力，槳葉吸力面、推力面的壓力差最大。因此，在設計螺旋槳葉片時，應該著重考慮這一工況下的受力情況。