基于圖譜設(shè)計(jì)法的11 300 DWT 油船 螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙麗娜，焦鵬祥，楊志宏，全向宏

（1. 上海海關(guān)動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，上海 200135； 2. 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306； 3. 中外運(yùn)集裝箱運(yùn)輸有限公司，上海 200001；4. 深圳華威近海船舶運(yùn)輸股份有限公司，廣東深圳 518067）

關(guān)鍵字：螺旋槳；圖譜設(shè)計(jì)法；油耗率；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 引言

全球90%的貿(mào)易依賴海運(yùn)，船舶則是促進(jìn)其發(fā)展重要的運(yùn)輸工具。近年來，由于世界經(jīng)濟(jì)的低迷，船舶運(yùn)價(jià)急劇下降，船舶航運(yùn)企業(yè)營(yíng)運(yùn)壓力增大，降低船舶能耗成為提高航運(yùn)企業(yè)盈利能力的重要途徑。船舶設(shè)計(jì)過程中，在船型優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)推進(jìn)裝置螺旋槳及其相關(guān)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低船舶能耗的重要手段之一。由此，優(yōu) 化方法在螺旋槳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究開始出現(xiàn)，采用系列槳性能試驗(yàn)回歸公式或升力面、CFD 等數(shù)值方法、優(yōu)化采用遺傳算法、序列二次規(guī)劃法、DOE 方法等進(jìn)行性能計(jì)算，優(yōu)化目標(biāo)包括推力、效率、激振力或其組合，但尚未形成較為成熟的體系，與工程應(yīng)用的要求也有較大距離。

JANG 等[1]開發(fā)了無限維優(yōu)化方法，根據(jù)希爾伯特空間理論證明了優(yōu)化解的唯一性，螺旋槳 性能計(jì)算采用升力面方法進(jìn)行計(jì)算；以效率為目標(biāo)對(duì)槳葉螺距進(jìn)行了優(yōu)化，但得到的螺距分布出現(xiàn)較大波動(dòng)，實(shí)用性存在問題。TAKEKOSHI 等[2]基于升力面方法，應(yīng)用非線性序列二次規(guī)劃算法在非定常工況下對(duì)槳葉形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；作者用Fourier 多項(xiàng)式表達(dá)槳葉螺距、拱度及厚度分布，設(shè)計(jì)出的參數(shù)分布光順、合理，優(yōu)化結(jié)果經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，效率及空泡性能均得到改進(jìn)。

本文基于螺旋槳水動(dòng)力性能，采用圖譜設(shè)計(jì)法，選定MAU5 葉槳型進(jìn)行螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)，利用CFD 方法對(duì)螺旋槳優(yōu)化后的淌水性能與節(jié)能效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析和實(shí)船驗(yàn)證。

1 螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 螺旋槳的基本參數(shù)

某輪是一艘11 300 載重噸的單槳油船，該船螺旋槳的主要信息及參數(shù)如表1 所示。

表1 原螺旋槳主要參數(shù)

1.2 MAU 圖譜槳設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)介

目前螺旋槳的設(shè)計(jì)方法一般有2 種，分為理論設(shè)計(jì)法和圖譜設(shè)計(jì)[3]。

1）理論設(shè)計(jì)法。按環(huán)流理論設(shè)計(jì)螺旋槳的方法。

2）圖譜設(shè)計(jì)法。顧名思義，它是根據(jù)螺旋槳模型系列法試驗(yàn)結(jié)果繪制的圖譜進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

按圖譜設(shè)計(jì)螺旋槳即根據(jù)已知條件，在圖譜所提供的螺旋槳資料范圍內(nèi)選擇最適宜的方案。前者無法直接用于適伴流及大側(cè)斜槳的設(shè)計(jì)，后者的設(shè)計(jì)結(jié)果可靠、計(jì)算方法簡(jiǎn)便，應(yīng)用也比較廣泛。

目前采用最多的圖譜設(shè)計(jì)方法即通過實(shí)驗(yàn)得到的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系，用近似的線性函數(shù)或用最小二乘法擬合，然后再通過擬合后的曲線選取所需要的螺旋槳參數(shù)。

根據(jù)船模試驗(yàn)獲得的有效功率和自航因子等數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用MAU 圖譜設(shè)計(jì)圖譜槳，圖譜槳參數(shù)為：螺旋槳直徑D＝4.27 m；螺距比P/D＝0.696 7；盤面比Ae/A0＝0.4，槳葉數(shù)Z＝5 片。根據(jù)MAU 圖譜槳敞水性能結(jié)果和庫(kù)存槳模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)船航速預(yù)報(bào)，當(dāng)螺旋槳收到功率為2 515.6 kW時(shí)，最大航速為12.38 kn。

2 螺旋槳仿真計(jì)算及分析

2.1 淌水性能評(píng)估

應(yīng)用CFD 軟件進(jìn)行優(yōu)化槳和原槳敞水性能計(jì)算評(píng)估[4-5]。先應(yīng)用UG 軟件建立三維模型，再應(yīng)用Gambit 軟件對(duì)模型周圍劃分流域和網(wǎng)格，最后應(yīng)用Fluent 軟件進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算評(píng)估。

定義螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J0、推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ和敞水效率η0如式（1）～式（4）。

應(yīng)用CFD 軟件進(jìn)行優(yōu)化槳和原槳敞水性能計(jì)算評(píng)估，將敞水性能CFD 計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2 和圖1 所示。

表2 敞水性能 CFD 計(jì)算值與試驗(yàn)值比較