基于CFD 的電力推進系統機槳匹配特性研究

孫國亮，蘇朝君，周鋆玲，韓 璐

(1. 中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431；2. 上海船舶設備研究所系統總體部，上海 200031)

0 引 言

船舶推進系統設計時，理論上配合點即100%負荷和100%轉速的MCR 點，但船舶營運一段時間后由于船體表面、螺旋槳表面附著海生物、腐蝕，同時海洋水流、風浪以及航道變淺變窄等因素也會引起船體阻力增加，船舶航速就會降低。因此在新造船舶螺旋槳設計時需要考慮實際運行情況以消除設計偏差，這需要根據實船的阻力變化規律進行機槳匹配儲備設計，負荷點的選擇直接影響螺旋槳和原動機的匹配問題。近年應用推進電機驅動的船舶越來越多，推進電機由變頻器驅動，具有恒扭矩/恒功率運行的能力，電力推進系統的機槳匹配設計可以應用功率儲備，也可以轉速儲備設計。

國內船舶電力推進應用尚處于起步階段，多集中于吊艙式電力推進理論研究。劉波[1]通過應用編程和仿真工具Simulink 對電力推進的船機槳匹配進行靜態和動態分析；張偉[2]通過UG 建模，利用CFD 技術對吊艙推進器的水動力性能進行模擬分析；秦業志[3]利用常規螺旋槳等效設計吊艙螺旋槳的方法，用Lab-VIEW 編程語言開發船機槳匹配分析軟件，優化匹配設計方案；胡興富[4]通過螺旋槳推進和交流電機的推進特性分析，對勘探312 船不同工況下的機槳匹配問題進行了研究。

國內對于異步電機帶定距槳推進系統的機槳匹配研究較少，本文采用數值模擬方法開展某型電力推進船舶機槳匹配設計，充分考慮長期運營后的污底影響，分析對比了2 種螺旋槳設計下的實船模擬效果，對于直軸電力推進系統設計具有借鑒意義。

1 研究對象及建模

本文研究對象船船型參數和螺旋槳數據如表1 所示。

表1 船型主要參數Tab. 1 Main parameters of ship type

根據船型、推進電機、螺旋槳和附體參數，建立船體及附體三維幾何模型，形成的全附體模型如圖1 所示。

圖1 全附體船體幾何模型Fig. 1 Fully attached hull geometry model

2 船舶污底增阻數值模擬

2.1 污底等級與粗糙度定義

船舶污底通常分為軟污垢和硬污垢，軟污垢通常是藻類，粘質物粘液和草類，對涂層系統和船舶性能的影響最小。具有鈣質結構的硬污垢更頑強，可能會損害船舶和涂層系統的性能。復合污垢包括硬污垢和軟污垢生物，對船舶的性能、涂層和機械系統極為不利[5-6]。

根據美海軍艦艇技術手冊中描述[7]，污底可以劃分為0～100 污底等級，數值越大表明污底情況越嚴重。其中0～30 為軟質附著物，草狀附著物長度短于76 mm高度不超過6.4 mm，40～90 為硬質，100 為軟硬復合附著物是最為嚴重的。40～60 的鈣化物直徑或高度小于6.4 mm。70～80 則高于6.4 mm，并出現重疊生長。在船舶日常運營中應當周期性檢查船體污底，當污底等級為50 時需要入塢進行全面清理，因此本文數值模擬將只考慮污底等級0～50 之間的情況。

根據涂層粗糙度和生物淤積對船舶阻力和動力的影響研究結果[8]，污底等級與等效粗糙度的關系如表2所示。

表2 污底等級與等效粗糙度關系Tab. 2 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

數值模擬只考慮污底等級0～50，因此對應的粗糙度考慮0～1 000。按照文獻對應的狀態和污底等級對等效粗糙度0，30，100，300，1 000 進行實尺度阻力計算，數值計算分別在航速24 kn 和26 kn 下開展。

2.2 污底增阻數值計算

2.2.1 計算域劃分與網格生成

計算域為立方體，半船模型位于計算域中部。邊界條件為：來流面設為速度入口，出口面設為壓力出口，側面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，對稱面亦設為對稱面，對稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動到x負方向。

網格劃分采用非結構化網格，網格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網格密集，遠離船體方向網格較為稀疏。

2.2.2 數值模擬設置

數值模擬計算采用STAR-CCM+軟件，控制方程為連續性方程和動量方程，對控制方程進行有限體積法離散，采用雷諾平均法作為湍流數值模擬方法（RANS）；計算采用Simple 算法，采用可實現K-Epsilon 湍流模型，流體為不可壓縮恒密度流體，自由液面用VOF 方法捕捉。

本次計算在實船尺度下進行，污底增值數值模擬形成結果如表3 所示。

表3 污底增值數值模擬計算結果Tab. 3 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

在污底等級為50 時，26 kn 相比無污底增阻25.4%，而24 kn 時增阻28.2%。

在污底等級為30 時，26 kn 相比無污底增阻15.6%，而24 kn 時增阻17.3%。

與文獻[8]描述的情況類似，低速時增阻較多，原因可能是低速時摩擦阻力占比重較大而高速時興波阻力占比重較大。數值模擬的后處理波形圖如圖2 所示。

圖2 波形圖（實尺度）Fig. 2 Waveform diagram (real scale)

3 數值水池虛擬試驗

數值水池虛擬試驗分為敞水、阻力、自航三部分，試驗結果處理與實體的物理水池一致。

數值模擬計算采用STAR-CCM+，控制方程為連續性方程和動量方程，對控制方程進行有限體積法離散，采用雷諾平均法作為湍流數值模擬方法（RANS）；計算采用Simple 算法，采用可實現K-Epsilon 湍流模型，流體為不可壓縮恒密度流體。

3.1 敞水虛擬試驗

分別設計2 種螺旋槳，用于比較考慮轉速儲備后的機槳匹配特性。

1）常規槳

常規槳（代號1 711）即考慮新船工況下，電機功率與轉速都運行在設計點的螺旋槳。根據船體阻力數據，此常規設計螺距比為1.32。

2）優化槳

優化槳（代號1711m）即考慮新船工況下，電機額定功率下轉速高于額定轉速5%以上。優化槳設計螺距為1.22，比常規槳螺距比低。

計算域為立方體，槳模3D 模型位于計算域中部。邊界條件為：來流面設為速度入口，出口面設為壓力出口，側面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，另一側亦設為對稱面。水流從x正方向流動到x負方向。

在槳模周圍的圓柱型區域可以旋轉，旋轉域與立方體的大計算域進行數值交換。

外部邊界距離螺旋槳足夠遠，可以認為基本不會產生影響。分別對代號1 711 螺旋槳和代號1711 m 螺旋槳進行數值模擬。

圖3 兩類螺旋槳側視圖Fig. 3 Side view of two types of propeller

圖4 網格劃分Fig. 4 Mesh generation

網格劃分采用非結構化網格，網格為切割體，在交接面附近加密，槳葉周圍網格密集，遠離槳葉方向網格較為稀疏。常規槳模型敞水試驗結果如表4 所示。

表4 常規槳模型敞水特性Tab. 4 Open water characteristics of conventional propeller model

J=0.95 時常規槳壓力面、吸力面積速度場后處理圖如圖8 和圖9 所示。

圖5 J=0.95 時常規槳葉壓力面與吸力面Fig. 5 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface ofconventional propeller

圖6 J=0.95 時常規槳前后速度變化與速度場Fig. 6 When J=0.95, velocity variation and velocity field of conventional propeller

圖9 自航時螺旋槳旋轉域展示Fig. 9 Display propeller rotation field when ship is sailing

優化槳模型敞水特性結果如表5 所示。

表5 優化槳模型敞水特性Tab. 5 Open water characteristics of optimized propeller model

J=0.95 時優化槳壓力面、吸力面積速度場后處理圖如圖7 和圖8，后處理圖如圖10 所示。

圖7 J=0.95 時優化槳葉壓力面與吸力面Fig. 7 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface of optimized propeller

圖8 J=0.95 時優化槳前后速度變化與速度場Fig. 8 When J=0.95, velocity variation and velocity field of optimized propeller

圖10 自航時的網格劃分Fig. 10 Meshing during self - navigation

3.2 阻力虛擬試驗

與實尺度阻力數值模擬類似，模型尺度阻力計算域為立方體，半船模型位于計算域中部。邊界條件為：來流面設為速度入口，出口面設為壓力出口，側面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，對稱面亦設為對稱面，對稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動到x負方向。

與實尺度阻力數值模擬類似，網格劃分采用非結構化網格，網格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網格密集，遠離船體方向網格較為稀疏。

虛擬試驗結果如表6 所示。

表6 模型阻力虛擬試驗結果Tab. 6 Results of virtual test of model resistance

3.3 自航虛擬試驗

與阻力數值模擬類似，模型尺度阻力計算域為立方體，全船模型位于計算域中部。邊界條件為：來流面設為速度入口，出口面設為壓力出口，側面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，對稱面亦設為對稱面，對稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動到x負方向。

與實尺度阻力數值模擬類似，網格劃分采用非結構化網格，網格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網格密集，遠離船體方向網格較為稀疏。

自航時的網格劃分，螺旋槳、船體周圍較為密集，遠場較為稀疏。

優化槳轉速高于常規槳，與預期一致，二者伴流分數和推力減額基本一致。

優化槳軸縱剖面速度場后處理圖如圖11 所示。

圖11 優化槳軸縱剖面速度場Fig. 11 Velocity field in longitudinal profile of optimized propeller shaft

3.4 實船預報

數值模擬的分析方法與物理水池試驗一致。

表7 常規槳自航虛擬試驗Tab. 7 Virtual experiment of conventional propeller self - navigation

污底增阻發生在實船尺度上，因此預報過程中模型值不變，將增阻增加在實船的阻力系數上。Cp=1.000，Cn=1.000 實船航速預報結果如表9～表14 所示：

表9 常規槳實船預報結果Tab. 9 The forecast results of conventional propeller

表14 優化槳25%增阻實船預報結果Tab. 14 The forecast results of optimized propeller 25% increase resistance

綜合上述各表數據，對預報結果繪制轉速-功率趨勢圖,如圖12 所示。

可以看出：

1）常規槳（代號1 711）在轉速約280 r/min，在無污底時航速為26.30 kn；在25%增阻的情況下，推進電機降功率運行，螺旋槳轉速在約266 r/min，常規槳航速為24.45 kn。

2）優化槳（代號1711 m）在轉速約294 r/min，在無污底時航速為26.25 kn；在25%增阻的情況下，推進電機恒功率運行，螺旋槳轉速在約286 r/min，常規槳航速為24.75 kn。

轉速功率圖分析，表明本次數值模擬中常規槳對比優化槳，降速分別為1.85 kn 和1.5 kn，優化槳減小航速降為0.35 kn（為0.35/1.5=23.33%）。這是由于常規槳在增阻后曲線向左移動，從而導致推進電機無法在額定功率下運行，而優化槳在曲線左移后推進電機依舊可以在額定功率運行。

表10 常規槳20%增阻實船預報結果Tab. 10 The forecast results of conventional propeller 20% increase resistance

表11 常規槳25%增阻實船預報結果Tab. 11 The forecast results of conventional propeller 25% increase resistance

轉速儲備，即輕轉裕度（light running margin）指考慮到新船在未來使用條件下吸收100%主機功率時螺旋槳轉速的余量，國際拖曳水池協會ITTC 建議預留5%～7%[9]。因而可以利用電機設定的超過額定轉速之后恒功率的特性，在電機配合定距槳的時候預留較大的輕轉裕度。建議在7%以上，但也不宜過大，過大的輕轉裕度將會使得設計出的螺旋槳敞水效率下降。

表12 優化槳實船預報結果Tab. 12 The forecast results of optimized propeller

表13 優化槳20%增阻實船預報結果Tab. 13 The forecast results of optimized propeller 20% increase resistance

4 結 語

本文對某船的全附體開展建模，并進行了實尺度阻力數值模擬，建立了船舶污底數值模型構建方法，并對比了2 種設計螺旋槳敞水數值模擬及兩對槳的自航數值模擬。得出以下結論：

1）建立了污底等級和等效粗糙度的對應關系，通過污底增阻數值模擬，污底等級在30 時，該船26 kn 航速增阻15%左右；污底等級在40～60 時，該船26 kn 航速增阻25%左右。

2）轉速儲備，指考慮到新船在未來使用條件下吸收100%主機功率時螺旋槳轉速的余量。通過在設計階段減小定距螺旋槳的螺距比，可以使得新船的螺旋槳以較輕的負荷運轉，吸收100%主機功率時螺旋槳轉速高于主機額定轉速。

3）本文數值模擬中常規槳對比優化槳，降速分別為1.85kn 和1.5kn，優化槳減小航速降為0.35kn（為0.35/1.5=23.33%）。

4）推進電機+定距槳的電力推進系統，推進電機特性與常規柴油機主機存在較大不同，同時定距槳在裝船后無法通過調節螺距進行船機槳匹配。因此在船舶設計階段中確定螺旋槳轉速-功率設計點時需全面考慮、謹慎選擇，綜合考慮但不限于設計航速指標、長期運行時污底、轉速儲備、功率儲備等因素。