風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子和氣層結(jié)構(gòu)對(duì)船體穩(wěn)性的影響

王 偉,劉希洋,闞甜甜,郭峰山,2

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 上海分部,上海 200011;2.中船重工(上海)節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司,上海 200011)

0 引言

國(guó)際海事組織(IMO)從技術(shù)角度針對(duì)未來(lái)新造船在船舶設(shè)計(jì)和建造上提出了EEDI-III階段和海運(yùn)溫室效應(yīng)氣體(Greenhouse Gas,GHG) 減排能效指標(biāo)要求。為適應(yīng)這一目標(biāo),利用風(fēng)力助推船舶航行和船體氣層減阻力技術(shù),逐漸成為目前較為實(shí)際理想的船舶節(jié)能減排措施。

風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子利用馬格納斯(Magnus)效應(yīng),在橫風(fēng)或斜風(fēng)狀態(tài)下,調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向可使船舶產(chǎn)生前進(jìn)方向上的推力[1],從而達(dá)到助推效果。相比風(fēng)箏、風(fēng)帆等風(fēng)力助推裝置,風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的適應(yīng)性強(qiáng),體積和受風(fēng)面積相對(duì)較小,安全性更強(qiáng),也有利于船舶布置。但是風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子沿著船長(zhǎng)方向產(chǎn)生推力的同時(shí),根據(jù)風(fēng)向的變化,也會(huì)在船寬方向產(chǎn)生相應(yīng)的橫向側(cè)傾力,這增加了船舶的橫向力矩,帶來(lái)不利的影響,尤其是對(duì)于噸位較小的船舶影響較大。因此,如何在轉(zhuǎn)子的布置和尺寸設(shè)計(jì)中保障船舶穩(wěn)性滿足設(shè)計(jì)法規(guī)的要求,保障船舶在規(guī)定海況下安全航行,需要重點(diǎn)分析。

船舶氣層減阻技術(shù)是一項(xiàng)新型節(jié)能技術(shù),以實(shí)船節(jié)能效果及EEDI指標(biāo)降低均達(dá)10%以上而成為節(jié)能減排技術(shù)的重要技術(shù)手段。氣層減阻技術(shù)通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的裝置,向船底噴入適量氣體,在船舶底部形成并保持一薄氣層,使船底與水有效分離,減小船底濕表面積,從而顯著降低船舶阻力。這需要在船體底部構(gòu)建大型氣穴(氣層結(jié)構(gòu)),通過(guò)一定量的空氣形成穩(wěn)定的氣層,從而將部分船底表面與水隔開(kāi),達(dá)到減阻效果。氣穴可分為外掛式和內(nèi)凹式[2]。一般來(lái)說(shuō),內(nèi)凹式氣穴適用于新建船舶,而外掛式氣穴適用于舊船改造。外掛式氣穴一般只增加吃水,不影響靜水力特性。內(nèi)凹式由于改變了船體排水量和靜水力特性,對(duì)船舶穩(wěn)性有一定影響。

本文對(duì)55 m中尺度試驗(yàn)船開(kāi)展轉(zhuǎn)子和氣層影響船體穩(wěn)性的分析,研究轉(zhuǎn)子在不同風(fēng)向角下對(duì)穩(wěn)性的影響,以及內(nèi)凹式氣穴對(duì)穩(wěn)性的影響。

1 船舶概況

本文研究的中尺度試驗(yàn)船結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu),推進(jìn)方式采用單機(jī)單槳電力推進(jìn),電機(jī)功率為450 kW。本船的主尺度如下:總長(zhǎng)～55.50 m,兩柱間長(zhǎng)54.43 m,型寬10.00 m,型深5.08 m,結(jié)構(gòu)吃水3.42 m,設(shè)計(jì)吃水2.60 m,試驗(yàn)航速(結(jié)構(gòu)吃水)6.0 kn,最大航速(設(shè)計(jì)吃水)10.0 kn,航區(qū)國(guó)內(nèi)近海航區(qū),船級(jí)符號(hào)★ CSA Research Ship; R1; SPS;★ CSM BRC; Electrical Propulsion System。

本船按《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2020)(下文簡(jiǎn)稱《法規(guī)》)和《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2020)(下文簡(jiǎn)稱《海規(guī)》)設(shè)計(jì)。

2 轉(zhuǎn)子對(duì)船體穩(wěn)性的影響

2.1 轉(zhuǎn)子的布置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)初期為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子和氣層的減阻效果,對(duì)于本船的上層建筑和轉(zhuǎn)子安裝位置也進(jìn)行了多輪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,最終選定上層建筑靠船體甲板中前部分。轉(zhuǎn)子安裝在甲板尾部,這樣不會(huì)影響船舶的駕駛視線,而且艉部甲板面積較為寬敞,有利于試驗(yàn)裝備的加裝和使用。同時(shí)由于上層建筑可以阻擋一部分艏向風(fēng)速,這可以減少風(fēng)速沿著艏向方向時(shí)產(chǎn)生側(cè)向力的不利工況。轉(zhuǎn)子布置于甲板以下的橫艙壁上,有利于結(jié)構(gòu)底座的加強(qiáng),見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子布置示意圖

2.2 風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的力學(xué)原理

轉(zhuǎn)子工作時(shí)運(yùn)用馬格納斯效應(yīng),旋轉(zhuǎn)的圓柱體受來(lái)流作用,將會(huì)受到垂直于來(lái)流方向的側(cè)向力作用[1]。馬格納斯效應(yīng)中旋轉(zhuǎn)圓柱的受力見(jiàn)圖2。風(fēng)力轉(zhuǎn)子受力示意圖見(jiàn)圖3。

圖2 氣流中旋轉(zhuǎn)圓柱受力示意圖

V1—帆船航行時(shí)人在船上感受到的風(fēng)稱為感覺(jué)風(fēng)(相對(duì)風(fēng)速);V2—船速;θ—V1與V2間的夾角(航向角);R—V1方向上的阻力;L—與R垂直的升力;F—空氣動(dòng)力;T—航向方向上的分力即推力;N—與垂直航向的分力即橫側(cè)力。圖3 風(fēng)力轉(zhuǎn)子受力示意圖

轉(zhuǎn)子合力F是轉(zhuǎn)子升力L與阻力R的合力,而總側(cè)向力采用線性疊加方式Fy=FN。根據(jù)機(jī)翼理論可以得到,轉(zhuǎn)筒的升力系數(shù)CL與阻力系數(shù)CD為

(1)

(2)

式中:ρa(bǔ)為空氣密度;V為來(lái)流速度;A為迎風(fēng)投影面積。

采用CFD方法計(jì)算不同轉(zhuǎn)速比α下風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子的升力系數(shù)CL與阻力系數(shù)CD,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)子CL與CD計(jì)算結(jié)果

2.3 轉(zhuǎn)子力矩和船體穩(wěn)性計(jì)算分析

本試驗(yàn)船需要根據(jù)《法規(guī)》計(jì)算該船的穩(wěn)性。本文評(píng)估設(shè)計(jì)吃水2.6 m壓載出港工況下轉(zhuǎn)子對(duì)穩(wěn)性的影響。初始裝載工況參數(shù)如下:吃水2.6 m,排水量1 107 t,縱傾-0.26 m,重心高度3.34 m,橫穩(wěn)性高1.32 m。

設(shè)計(jì)初期考慮了2種轉(zhuǎn)子參數(shù)的設(shè)計(jì)方案。初始方案為參考船長(zhǎng)為300 m左右大型散貨船或油船適配的高度為24～30 m的風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子,并按照1∶6縮放到本船的對(duì)應(yīng)安裝尺寸。縮放后的初始方案轉(zhuǎn)子高度只有4～5 m高,尺寸過(guò)小,驗(yàn)證轉(zhuǎn)子助推效果不明顯,故將轉(zhuǎn)子尺寸進(jìn)行了加大,但加大尺寸后的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的橫向力也會(huì)變大,對(duì)船體穩(wěn)性帶來(lái)不利影響。轉(zhuǎn)子升力和阻力計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)子升力和阻力計(jì)算參數(shù)

在分析轉(zhuǎn)子橫向力對(duì)船體穩(wěn)性影響時(shí),考慮轉(zhuǎn)子工作時(shí)極限風(fēng)速為50 kn,以及風(fēng)向角為3種角度方向,計(jì)算分析轉(zhuǎn)子關(guān)閉和開(kāi)啟后對(duì)船體產(chǎn)生的橫傾角影響。不同風(fēng)向角下轉(zhuǎn)子的升力示意圖見(jiàn)圖5。轉(zhuǎn)子力矩對(duì)船體穩(wěn)性影響計(jì)算見(jiàn)表2。具體分析如下:

表2 轉(zhuǎn)子力矩對(duì)船體穩(wěn)性影響計(jì)算

圖5 不同風(fēng)向角下轉(zhuǎn)子的升力示意圖

(1)風(fēng)速50 kn、艏向迎風(fēng)10°工況見(jiàn)圖5(a)。此時(shí)轉(zhuǎn)子的升力L與阻力R的合力F沿著船寬方向,轉(zhuǎn)子無(wú)縱向推力,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的合力F(40 kN)全部轉(zhuǎn)化為船體的橫傾力N。同時(shí),船體橫向風(fēng)傾力主要來(lái)自于艏向迎風(fēng)10°的橫向分力,此時(shí)風(fēng)傾力矩[3]很小,轉(zhuǎn)子關(guān)閉狀態(tài),船體受到橫向風(fēng)傾力矩僅僅橫傾約0.2°,而轉(zhuǎn)子開(kāi)啟后船體橫傾角增大到1.934°,見(jiàn)表2。可見(jiàn)此工況下船體橫傾角主要來(lái)自于轉(zhuǎn)子的橫向力矩。

(2)風(fēng)速50 kn、艏向迎風(fēng)45°工況見(jiàn)圖5(b)。此時(shí)轉(zhuǎn)子的升力L與阻力R的合力F產(chǎn)生推力T為22.9 kN,橫向側(cè)傾力N為32.8 kN,見(jiàn)表2。轉(zhuǎn)子關(guān)閉狀態(tài),船體受到橫向風(fēng)傾力,船體橫傾角為2.1°。轉(zhuǎn)子開(kāi)啟后,船體同時(shí)受到風(fēng)傾力和轉(zhuǎn)子橫向力的影響,橫傾角達(dá)到了3.516°。

(3)風(fēng)速50 kn、橫向迎風(fēng)90°工況見(jiàn)圖5(c)。此時(shí)轉(zhuǎn)子的升力L全部轉(zhuǎn)化為推力T(39.4 kN),助推效果最好。轉(zhuǎn)子的橫向力N只有6.9 kN,但是船體橫向受風(fēng)最大,風(fēng)傾力矩較大。轉(zhuǎn)子關(guān)閉狀態(tài)船體由于風(fēng)傾力矩的影響,橫傾角已經(jīng)達(dá)到了4.117°,而開(kāi)啟轉(zhuǎn)子后,加上轉(zhuǎn)子的橫向阻力,船體橫傾角也僅僅增加了0.298°。

根據(jù)以上計(jì)算分析可以看出,轉(zhuǎn)子工作的極限風(fēng)速50 kn工況下:

(1)橫向來(lái)風(fēng)對(duì)船體橫傾和穩(wěn)性影響最大,但轉(zhuǎn)子橫向力影響較小,主要來(lái)自于船體風(fēng)傾力矩。但根據(jù)規(guī)范對(duì)該工況的穩(wěn)性校核結(jié)果可以看出,計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求,轉(zhuǎn)子開(kāi)啟只對(duì)氣象衡準(zhǔn)k值和船體橫傾角θ有影響,見(jiàn)表3。

表3 船體完整穩(wěn)性校核結(jié)果

(2)轉(zhuǎn)子橫向力矩對(duì)船體橫傾影響最大的風(fēng)向角是艏向10°左右,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的合力全部轉(zhuǎn)化為船體的橫傾力,可使船體產(chǎn)生約1.7°的橫傾角。

3 氣層結(jié)構(gòu)對(duì)船體穩(wěn)性的影響分析

本船屬于新建船舶,在船體底部的平底部分以內(nèi)凹形式構(gòu)造一階梯式氣層結(jié)構(gòu)(氣穴)。氣層結(jié)構(gòu)內(nèi)階梯式布置4道噴氣孔,使氣層結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一層氣膜,見(jiàn)圖6。構(gòu)造的氣穴面積為249 m2,占底部平底面積的92.2%,船底板內(nèi)凹深度為100 mm。

圖6 船底氣層結(jié)構(gòu)布置圖

在船底設(shè)置內(nèi)凹式氣穴,除了帶來(lái)布置變化和設(shè)備的增加,還會(huì)對(duì)靜水力帶來(lái)以下2個(gè)變化:

(1)排水量減小,吃水增大。

(2)橫穩(wěn)性高的變化。

以上2個(gè)變化都會(huì)對(duì)船舶穩(wěn)性產(chǎn)生影響。布置氣穴前后排水量和橫穩(wěn)性高的變化見(jiàn)表4。

表4 船體完整穩(wěn)性校核結(jié)果

以上變化可以看出,船體設(shè)計(jì)氣穴結(jié)構(gòu)后,由于排水量減少(排水量減少約2.4%),致使吃水增加了0.055 m,但提高了橫穩(wěn)性高和初穩(wěn)性高。根據(jù)規(guī)范對(duì)該工況的穩(wěn)性校核結(jié)果可以看出,計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,帶氣穴結(jié)構(gòu)的船體穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算值均比無(wú)氣穴船體有所提高。

4 結(jié)論

(1)橫向來(lái)風(fēng)對(duì)船體橫傾和穩(wěn)性影響最大,但轉(zhuǎn)子橫向力影響較小,船體橫傾力矩主要來(lái)自于船體的風(fēng)傾力矩。轉(zhuǎn)子開(kāi)啟只對(duì)穩(wěn)性的氣象衡準(zhǔn)值和船體橫傾角有影響。

(2)本船轉(zhuǎn)子橫向力矩對(duì)船體橫傾影響最大的風(fēng)向角為艏向10°左右,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的合力全部轉(zhuǎn)化為船體的橫傾力。

(3)船體設(shè)計(jì)氣層減阻結(jié)構(gòu)(氣穴)后排水量減少約2.4%,對(duì)應(yīng)的吃水增加了0.055 m。但橫穩(wěn)性高和初穩(wěn)性高均增加了,提高了船體的穩(wěn)性。經(jīng)過(guò)穩(wěn)性計(jì)算可以看出,船體設(shè)置氣層結(jié)構(gòu)不會(huì)降低船體穩(wěn)性性能,反而比無(wú)氣穴的船體有所提高。