導管剖面對全回轉推進器性能的影響

崔立新，顧 峰，黃彥文，武 宇

導管剖面對全回轉推進器性能的影響

崔立新，顧 峰，黃彥文，武 宇

（振華重工股份有限公司，上海 200125）

隨著船舶大型化和高功率化，對于全回轉推進器的要求也越來越高。本文提出配置一種新型剖面導流管的全回轉推進器，該推進器為上海振華重工集團3800 kW全回轉推進器。對該全回轉推進器進行CFD模擬計算和敞水試驗，并將新型導流管與19A型導流管進行對比分析，為后續設計提供參考。

全回轉推進器 導流管 CFD 敞水試驗

0 引言

全回轉推進器可以在360度范圍內旋轉，能夠靈活的改變推力的方向，可使船舶完成原地回轉、橫向平移、精確定位、反向行駛等常規推進器難以完成的操作，具有能夠推進船舶和操縱船舶兩種功能。全回轉推進器能夠在載荷較重的情況下，仍具有相對較高的效率，并且能夠高效的進行船舶操控。因此，隨著船舶大型化、高功率化發展，尤其是在各種工程船舶中，全回轉推進器得到了廣泛的應用。隨著人們對海洋資源的不斷開發，海洋工程船舶要求的不斷提高，大功率，高效率的全回轉推進器已成為主流趨勢[1]。

本文以上海振華重工3800 kW推進器為例，該全回轉推進器采用了一種新的型的導流管，從CFD仿真模擬和敞水試驗兩方面來與之前被廣泛使用的19A型導流管進行分析比較，認為新型導流管具有更高的推進效率。

1 新型導管

1.1 導管參數

導管的幾何特征可用下列參數表示[2]：

圖1 19A型導管剖面形狀圖

1.2 主尺度

本文采用的螺旋槳是Ka 4-70型螺旋槳[3]，其主要參數見表一。為便于對比分析，本文選取19A型導流管（導管一），與新型流管（導管二）進行對比分析。圖2為不同導管剖面示意圖，其中，導管一為19A 型導管，導管二為增加了收縮系數和擴散系數后的新型導管。表二為兩個導管的主要參數。

表1 螺旋槳主要參數

表2 導管主要參數

圖2 導管剖面圖

2 數值模擬

2.1 控制方程

本文分析中設定流體為不可壓縮流體，則導管螺旋槳周圍流場的控制方程為[4]：

1）連續性方程

2）動量守恒方程

2.2 數值模型及網格劃分

計算域為一個圓柱體區域，圓柱體直徑為 10D，其長度為 16D，流場的速度入口設置在槳盤面前 6D位置處，流場的壓力出口在槳盤面后 10D 位置。為了計算的需要。又把整個流域分成2個域，在劃分網格時對包含螺旋槳在內的域為計算域，并對其進行局部加密，提高計算結果的準確度。下圖3為全回轉推進器的三維視圖，圖4為網格劃分圖。

圖3 全回轉推進器三維模型

3.3 邊界條件

在螺旋槳的敞水計算中，整個計算區域均相對某個參考坐標系作旋轉運動，而螺旋槳周圍不存在與其相互干擾的物體，因此可選用 Fluent軟件提供的運動參考坐標系模型（即MRF模型）[5]。

在進口邊界處設置為壓力進口條件，出口邊界定義為壓力出口，旋轉域和外域的交界面設為interface面，壁面設為無滑移固壁條件，在近壁區采用標準壁面函數。計算域內的流體則按 MRF模型設置為繞軸以轉速n旋轉。

圖4 網格劃分

2.4 結果分析

本文中計算進速系數J=0.4的情況下，全回轉推進器的敞水性能。

圖5中，圖（a）為導管一在垂直于槳軸截面的壓力分布圖，圖（b）為導管二在垂直于槳軸截面的壓力分布圖。通過對比可以看出，導管二槳葉前部的負壓區域更大。這是由于收縮系數的增大，相當于入口面積增大，使得單位時間內流過螺旋槳盤面的流量增加，使槳前的負壓區域增加，提高整個推進器的效率。

圖5 垂直于槳軸截面的壓力分布圖

圖6 槳葉葉背壓力分布圖

通過圖6可以看出，導管二葉背的壓力分布更為均勻。這是由于導管伸張系數增大，使導管出口處的面積擴大，從而減小尾流的收縮。伸張系數的增加，可以使螺旋槳的一部分尾渦變成導管的附著渦，從而可減少螺旋槳尾流的能量損失。

3 全回轉推進器敞水試驗

3.1 試驗模型

上海振華重工（集團)股份有限公司委托上海船舶運輸科學研究所在拖曳水池中進行全回轉推進單元模型的敞水試驗。推進單元模型由螺旋槳、導管、艙體與吊柱組成，推進單元模型的具體外形與尺寸，均照振華提供的圖紙加工。

螺旋槳模型采用振華提供圖紙加工，鋁合金制造，槳模直徑D=0.175 m。導管、凸臺、艙體、吊柱是有機玻璃制造，均按振華提供的圖紙參數加工。為了控制導管的安裝角度，利用數控機床在導管上方加工了一個凸臺，使得凸臺上方的安裝平面水平時，導管角度即可滿足要求。試驗模型見圖7。

敞水試驗通常保持轉速不變，通過改變進速來改變載荷。考慮到六分力天平的量程，螺旋槳模型敞水試驗轉速均為21 r/s。每個工況下均進行系柱狀態測量，進速范圍從0~0.8。在常規推進的敞水試驗中，槳軸浸深為直徑的1.5 倍，試驗測量各航速下的螺旋槳推力、導管推力和螺旋槳的扭矩。

在全回轉推進的敞水試驗中，螺旋槳模安裝在直角傳動推進單元的水平驅動軸上，除了常規推進敞水試驗中需要測量的數據，還需測量吊艙推進單元所受到的力F1~F6；其中，F1、F2、F3的合力為單元垂直向力；F4為單元推力；F5、F6的合力為單元側向力；推進單元為艙體、吊柱和螺旋槳、導管組成的一個整體，單元推力前進方向為正，單元側向力往前進方向看，向左為正。

圖7 試驗模型

3.2 試驗結果

試驗結果給出了全回轉推進器的推力系數及扭矩系數，其中：

試驗從零航速開始拖航，不斷增加進速，獲得全回轉推進器的敞水性能見下圖。

圖8 推力系數

圖9 轉矩系數

圖8和圖9為兩種不同剖面的導管的推力系數和轉矩系數，可見裝有新型導流管的全回轉推進器，推力系數和轉矩系數都相對較小。

圖10為兩種全回轉推進器的推進效率，在進速系數<0.6情況下，裝有新型導流管的全回轉推進器具有更高的敞水效率。

4 結論

本文旨在研究新型的導流管全回轉推進器的水動力性能，認為與19型導流管相比較，具有更高的效率。

1）新型導流管在保持導管的長徑比相同的情況下，增加導管的收縮系數和伸張系數。在保持長徑比不變的情況下，導管收縮系數增大，使得單位時間內流過螺旋槳盤面的流量增加；導管伸張系數增大，其實質是增加了導管出口處的面積，這將導致尾流的收縮減小，減小能量損失，最直接的體現是使推進器的轉矩系數減小。

2）本文提供的試驗數據可以為工程實際設計和使用全回轉推進器提供一定參考，為日能夠在滿足工程要求的情況下，如何設計出效率更高的全回轉推進器提供依據。

圖10 推進效率

[1] 褚德英, 張葆華, 王瑩, 汝長青. 全回轉吊艙推進器水動力性能試驗研究[J]. 船舶工程, 2013, S2: 58-61.

[2] 夏泰淳. 導流管主要參數對導管槳性能的影響[J]. 漁業現代化, 1999, (2): 19-21

[3] 盛振邦, 楊家盛, 柴揚業. 中國船用螺旋槳系列試驗圖譜集[J]. 中國造船, 1983: 113-115.

[4] 王福軍. 計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004: 89-110.

[5] 崔立新. 導管螺旋槳的水動力性能及噪聲性能預報[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2013.

The Azimuth Thruster with A New Type of Nozzle

Cui Lixin, Gu Feng, Huang Yanwen, Wu Yu

（Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 200125, China）

U664

A

1003-4862（2019）10-0046-04

2019-03-13

崔立新(1987-)，女。研究方向：船舶配套機械設備。E-mail: cuilixin@zpmc.net