前置預旋定子強度分析方法研究

夏灝超，吳 贊，張海華，黃樹權

(中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011)

0 引 言

由于最近節能減排新的標準EEDI的強制執行，較多老船未能達到該標準。為解決船舶EEDI指數偏低的問題，國內外學者將目光放在船用水動力節能裝置的研究上，如德國貝克的MEIW導管、中船重工（上海）節能技術發展公司的消渦鰭和前置預旋導輪等，這些水動力節能裝置都能夠降低船舶能耗，提升EEDI指數，有著良好的節能效果。前置預旋定子作為水動力節能裝置的一種，其結構簡單、節能效果良好，但由于其結構外形單薄，出于安全性能考慮，在實際應用得到質疑。為此，對前置預旋定子結構進行強度分析有實際應用和工程價值。

1 前置預旋定子

前置預旋定子是由多個周向布置的葉片安裝在螺旋槳前方尾軸末端的節能裝置（見圖1），其基本原理是通過產生預旋進流來降低螺旋槳的尾流旋轉能量的損失。目前，國內外很多研究者針對前置預旋定子流體線型做了較多工作。Neely[1]、張建華[2]、苗飛[3]等都分別提出了前置預旋定子的理論設計方法，在前置預旋定子的設計和優化方法做了較多的工作。但在結構安全性方面，目前國內外船級社對前置預旋定子結構的具體設計方法沒有明確規定，在ABS規范中對節能裝置送審提出要求，需提供節能裝置結構振動、強度和疲勞計算報告，但未對校核及設計方法做出明確規定。日韓等國在前置預旋定子運用上技術比較成熟，但結構設計方法仍然保密。國內有工程師對前置導管、導輪等節能裝置進行強度分析[4 – 6]，但對前置預旋定子設計相對較少。

2 數值計算與強度評估

圖 1 前置預旋定子Fig. 1 Pre-swirl stator

在進行強度分析時，采用了船級社規范、CFD計算載荷和經驗公式相結合的方法全面分析前置預旋定子結構在各種工況下的受載情況。主要有船舶正常航行時的波浪載荷、CFD計算載荷，船舶轉向時的側向力，船舶在大風大浪中的水流抨擊載荷。

2.1 計算載荷

依據航行情況將受載分為以下幾種情況：

1）船舶正常航行時，受到波浪動載荷的作用，參考中國船級社鋼質海船入級規范中的波浪載荷計算方法，計算前置預旋定子結構表面的壓力，計算方法如下式[6]：

2）船舶正常營運時，前置預旋定子表面產生預旋流，定子上下表面有壓力差，采用流固耦合的方法，運用CFD數值模擬船舶在設計航速設計吃水下，螺旋槳進行轉動，模擬船舶在水中正常航行狀態，得到定子表面的載荷。依據計算結果，提取前置預選定子表面壓力系數Cp，運用無因次壓力系數進行載荷轉換，得到真實的前置預旋定子表面壓力P，再加載到前置預旋定子表面：

式中：P 為定子實際表面壓力, Pa；V0為來流速度, m/s；ρ 為來流密度, kg/m3。

3）船舶在轉向時，受到在側向力的作用，引用舵的強度校核方法，經驗公式計算側向力為：

式中：A為定子側投影面積，m2；Vd為船舶設計航速，K1、K2、K3均為系數；K1=1/3(λ+2)，λ=b2/At，b 為定子葉片平均高度，m；At為平均高度范圍內的定子面積，m2；系數K2取1.35；K3取1.0。

4）船舶在大風大浪的極限工況，定子結構受到水的砰擊載荷作用。依據流體力學基本理論可以得到，抨擊載荷與抨擊速度的平方成正比，如下式：

式中：Pps為砰擊載荷，kN/m2，ρ為抨擊液體密度；Vps為液體砰擊速度，m/s。依據經驗分析可以得出，抨擊速度依據F式進行計算：

式中：K為系數，當前取1.0；VS為船舶設計航速，kn；L為船長，m；

2.2 工況分析

依據上述的載荷可將載荷分為：靜水表面壓力PW；波浪動載荷Pd；流體表面壓力Pf；側向力PH；砰擊載荷Pps。分別考慮以下4種工況:

1）航行工況 1，PW+Pd；

2）航行工況 2，PW+Pf；

3）轉向工況，PW+PH；

4）砰擊工況，Pps。

2.3 強度評估標準

等效應力σe用來評估所計算單元的應力水平，可用下式表示[8]：

式中：σe為單元平面的合成應力，MPa；σx為單元平面沿X方向的正應力，MPa；σy為單元平面沿Y方向的正應力，MPa；τxy為單元平面XY平面的剪應力，MPa。

應力判斷一般是以四邊形單元或三角形單元應力中心點為標準，所以計算結果中列出的是單元中心點的應力。對于計算中取許用應力為：對于MPa的普通鋼，彎曲應√力 σ≤110 MPa；剪切應力 τ≤50 MPa；等效應力MPa。對于抨擊工況，應用應力區MPa。

2.4 振動性能分析

前置預旋定子安裝在螺旋槳前，受到螺旋槳選擇所產生的脈動壓力作用，如與螺旋槳發生共振將會造成不可挽回的損失，所以在設計時需對其振動性能進行評估。

在對前置預旋定子進行振動分析時，對定子結構在空氣中的自由模態進行計算，提取定子的前幾階模態，但對于像定子這種在水中工作的結構，還考慮了附連水質量對其頻率的影響，在數值模擬中將附連水質量以質量點的形式加載在定子表面。

3 有限元強度分析

本文針對所設計的4萬噸級散貨船前置預旋定子為研究對象，對該定子開展結構設計、振動性能及強度研究工作，設計滿足強度要求的前置預旋定子結構形式。該前置預旋定子由3片帶翼型的定子組成，從下至上分別稱為1號、2號、3號定子，定子弦向截面非均勻變化，葉根處弦長較長，葉梢弦長較短，3片定子非均勻地布置在尾軸管左舷，如圖2所示。其主要參數如表1所示。

圖 2 前置預旋定子布置圖Fig. 2 Arrangement of PSS

表 1 前置預旋定子主要參數Tab. 1 Main parameter of PSS

3.1 有限元模型

依據船體尾部外板厚度要求設計前置預旋定子的板厚。定子弦向布置兩道筋板，展向筋板間隔為400 mm。依據螺旋槳導流管板厚的選取要求選擇定子外板厚度為16 mm，筋板厚度為20 mm。定子結構材質采用船用普通鋼，其密度取 7 850 kg/m3，彈性模量 2.06×105N/m2，泊松比取0.3，材料靜態屈服極限取235 MPa。有限元模型和結構剖面形式如圖3所示。

3.2 有限元計算結果

3.2.1 航行工況 1

在定子上加載波浪動載荷及水壓，最大載荷為0.203 MPa，遠離定子的船體最遠處進行剛性約束，船體模型沿船長方向的長度約為定子最大弦長的4倍，如圖4所示。經有限元計算得到，該工況下，最大應力為17.3 MPa，位于1號定子表面。定子與船體連接的最大應力位于3號定子與船體連接處，最大應力值為 11.3 MPa。

圖 3 前置預旋定子結構形式Fig. 3 Structure of PSS

圖 4 航行工況 1 加載及應力分布Fig. 4 Loading and stress distribution of navigation situation 1

3.2.2 航行工況 2

航行工況2為船舶在水中正常航行時所受到的載荷，包含CFD模擬載荷、水壓，最大載荷為0.102 MPa，遠離定子的船體最遠處進行剛性約束，如圖5所示。經有限元計算得到，該工況下，最大應力為18.1 MPa，位于1號定子與船體相交的前緣處。定子與船體連接的最大應力位于1號定子與船體連接處，最大應力值為 13.6 MPa。

圖 5 航行工況 2 加載及應力分布Fig. 5 Loading and stress distribution of navigation situation 2

3.2.3 轉向工況

轉向工況為船舶在水中轉舵時所受到的載荷，包含舵力、水壓，最大載荷為0.092 MPa，遠離定子的船體最遠處進行剛性約束，如圖6所示。經有限元計算得到，該工況下，最大應力為71.7 MPa，位于1號定子與船體相交的前緣處。定子與船體連接的最大應力位于3號定子與船體連接處，最大應力值為61.2 MPa。

3.2.4 抨擊工況

轉向工況為船舶在水中轉舵時所受到的載荷，包含抨擊載荷，最大載荷為0.092 MPa，遠離定子的船體最遠處進行剛性約束，如圖7所示。

經有限元計算得到，該工況下，最大應力為181 MPa，位于1號定子與船體相交的前緣處。定子與船體連接的最大應力位于3號定子與船體連接處，最大應力值為 150 MPa。

經有限元計算可以看出定子在正常航行或轉向時，定子表面的應力度儲備系數充足，小于許用應力120 MPa。在抨擊工況時，最大應力為181 MPa，考慮到焊接及實際航行情況，許用應力取材料屈服極限的0.8倍，即188 MPa，定子結構滿足強度要求，但存在一定風險，對定子與船體連接部分需要得到重視。

圖 6 轉向工況加載及應力分布Fig. 6 Loading and stress distribution of veering case

圖 7 抨擊工況加載及應力分布Fig. 7 Loading and stress distribution of slamming case

3.2.5 振動分析

圖 8 定子結構水中前 4 階振型Fig. 8 Pre-fourth natural frequency of PSS

經有限元強度分析可以得出定子結構在水中的前4 階頻率，頻率分別為 16.2 Hz，17.14 Hz，18.02 Hz，46.84 Hz。依據規范要求，船體尾部附體的水中1階頻率應大于等于1.3倍葉頻，且避開螺旋槳的2階頻率。該船螺旋槳的葉頻為8.48 Hz，水中1階頻率為1.91倍葉頻，有效避開了螺旋槳的1階頻率，且避開了2階頻率，振動頻率滿足要求如圖8所示。

4 結 語

本文通過分析船舶航行過程的狀態，采用粘流CFD和規范相結合的方法，模擬船舶實際航行、轉向和砰擊狀態下的受載情況，總結分析出適合前置預旋定子的載荷計算方法。運用此方法分別對所設計的前置預旋定子結構進行強度有限元分析。經有限元計算分析得到前置預旋定子在正常航行及轉向工況下應力水平較小，在砰擊工況下定子與船體連接的首位端應力水平較高，該處焊接應得到重視，避免產生破壞。通過本文計算方法可以為實際工程強度評估提供參考。