三吊艙船舶尾部附體對性能影響與螺旋槳功率不平衡分析

鄒康,桂滿海,賴明雁

(上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

在船舶設(shè)計階段,推進(jìn)方式的確定受到很多因素的影響,例如,總布置、船舶吃水、快速性、系柱拖力、操縱性、動力定位,以及經(jīng)濟(jì)性等。隨著航速和拖力要求越來越高,船舶推進(jìn)功率越來越大,其中一些船舶往往需要采用3槳甚至多槳推進(jìn)方式,以便滿足設(shè)計要求。

針對多槳推進(jìn)的研究,目前大多基于模型試驗(yàn),開展多槳推進(jìn)器干擾、阻力分配,以及自航因子的計算和分析[1-3],其中涉及3吊艙推進(jìn)船舶尾部附體形式對船舶水動力性能的影響,以及3吊艙推進(jìn)的螺旋槳吸收功率不平衡特性的研究未見報道。

為探討分析3吊艙船舶不同尾部附體形式對水動力性能的影響,以及螺旋槳吸收功率的不平衡特性,以某3吊艙推進(jìn)船舶為例,通過與荷蘭MARIN水池以及ABB公司開展合作,針對3吊艙這一推進(jìn)方式,開展了尾部附體的研究,首先分析多種尾部附體形式的影響和特點(diǎn),繼而確定適合所研究船型特點(diǎn)的尾部附體方案。在此基礎(chǔ)上,采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法計算附體受力特征,基于船舶阻力性能對附體安裝角度進(jìn)行對比分析和優(yōu)化;此外,考慮到三槳船特有的推力和功率不平衡問題,基于CFD方法,開展目標(biāo)船系柱狀態(tài)和航行狀態(tài)下3槳之間的推力和功率不平衡問題研究。

1 不同尾部附體形式對比

目標(biāo)船尾部配備3個吊艙式推進(jìn)器,考慮到尾部布置空間等因素,采用舷側(cè)2個推進(jìn)器靠前,中間推進(jìn)器靠后的布置方式,見圖1。分別從快速性、操縱性和動力定位3個方面對4種尾部附體形式進(jìn)行對比分析。

圖1 尾部推進(jìn)器和附體布置平面示意

如圖1所示,方案1 為無附體形式;方案2和方案3分別為單呆木和雙呆木形式;方案4為雙尾翼形式。上述4種方案基本涵蓋了3吊艙推進(jìn)船舶目前常用的尾部附體形式。

關(guān)于附體對船舶水動力性能的影響,主要通過定性方法進(jìn)行分析,就阻力而言,參照船舶阻力模型試驗(yàn)的處理方法[4],主要考慮附體的濕面積對阻力的影響,濕面積越大則認(rèn)為阻力增加越多;操縱性主要考慮尾部附體對水下側(cè)投影面積的影響[5],尾部附體側(cè)投影面積越大,航向穩(wěn)定性越好;動力定位性能則主要考慮附體對推進(jìn)器的干擾[6],附體越多,距離推進(jìn)器越近,則推進(jìn)器的推力禁區(qū)范圍越大,對動力定位性能越不利。

方案1,未采用任何附體,從阻力和快速性角度來看,該方案船體濕表面積最小,阻力性能較好;從動力定位角度而言,該方案無需考慮尾部螺旋槳和附體之間的干擾,僅需要各螺旋槳之間的干擾,因此螺旋槳的推力禁區(qū)范圍較小,對動力定位能力有利;從操縱性方面考慮,該方案尾部水下側(cè)投影面積較小,船舶的航向穩(wěn)定性最差。

方案2,通過增加尾部單呆木,相對方案1而言,可以有效提高船舶的航向穩(wěn)定性;但增加呆木也會增加濕表面積,從而增加阻力,并且呆木會對中間螺旋槳的進(jìn)流帶來不利影響;同時,呆木的存在,也會增大動力定位工況時尾部螺旋槳的推力禁區(qū)范圍。

方案3,采用雙呆木形式,可以一定程度上避免單呆木對中間推進(jìn)器進(jìn)流帶來的不利影響,并且可以進(jìn)一步改善船舶的航向穩(wěn)定性,但在動力定位工況下,雙呆木會使得尾部螺旋槳推力禁區(qū)范圍增大,同時阻力也會較單呆木更大。

方案4,為雙尾翼方案,相較于單呆木而言,對阻力的影響相當(dāng),但對螺旋槳進(jìn)流的影響更小,并且航向穩(wěn)定性比單呆木更好,介于單呆木和雙呆木之間;就動力定位工況而言,雙尾翼對螺旋槳推力禁區(qū)范圍的影響較雙呆木形式更小。

上述4種尾部附體形式在快速性、操縱性和動力定位方面各有特點(diǎn),需要結(jié)合目標(biāo)船型需求綜合考慮。從定性角度對比上述4種附體形式的各自優(yōu)缺點(diǎn),見表1。

表1 不同附體形式性能對比

綜合考慮上述4種附體的特點(diǎn),以及目標(biāo)船在快速性、操縱性以及動力定位方面的需求和特點(diǎn),尾部適宜采用雙尾翼形式,見圖2。

圖2 雙尾翼附體示意

2 雙尾翼安裝角度優(yōu)化

為了降低雙尾翼對快速性的影響,采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法,基于船舶阻力對雙尾翼的安裝角度進(jìn)行對比分析。

2.1 阻力計算模型與參數(shù)

因目標(biāo)船以及附體具有對稱性,因此CFD僅計算一半?yún)^(qū)域。計算域的尺度為:船首距離計算域入口邊界約2倍船長,船尾距離計算域出口約3倍船長,側(cè)邊界距離船舶中縱剖面約2.5倍船長,水線距離頂部邊界1倍船長,距離底部邊界約2.5倍船長,計算在模型尺度下進(jìn)行,縮尺比為1∶18,計算航速為設(shè)計航速。

計算采用Trimmed非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,近壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,船舶首尾以及雙尾翼附近進(jìn)行加密,自由面網(wǎng)格也進(jìn)行加密,船體周圍網(wǎng)格向外逐漸稀疏,見圖3、4。

圖3 阻力計算域網(wǎng)格劃分示意

圖4 尾部及尾翼局部網(wǎng)格加密示意(左舷)

邊界條件類型為:計算域左側(cè)入口、頂部、底部以及側(cè)邊界均為速度入口;計算域右側(cè)為壓力出口;船舶中縱剖面所在邊界為對稱面邊界條件。

參考類似船型采用CFD方法計算阻力的研究成果[7],計算域網(wǎng)格數(shù)約150萬,無量綱壁面距離y+取值約40,采用SSTk-ω湍流模型,自由面計算采用VOF方法。

2.2 計算結(jié)果分析

通常而言,尾部附體順著流體的流線方向布置會比較好地減少附體對流場的干擾。通過尾部雙尾翼兩側(cè)的動壓分布以及尾翼受到的側(cè)向力來分析尾翼安裝的角度;此外,還分析了不同尾翼安裝角度的船舶剩余阻力系數(shù)Cr,分析安裝角度對阻力的影響。

尾翼安裝角度0°時(沿船長方向安裝),尾翼兩側(cè)和尾部附近動壓力見圖5,為了便于顯示,對船體左右舷進(jìn)行對稱。

圖5 安裝角度0°時尾翼兩側(cè)動壓云圖

由圖5可見,尾翼兩側(cè)動壓力分布差異較大,對于左舷尾翼而言,其左側(cè)為壓力面,右側(cè)為吸力面,因此安裝角度為0°時,尾翼與等效平均來流存在一定攻角。

為了減少與來流的攻角,開展6個不同尾翼安裝角度的計算,從1°～6°,間隔1°,尾翼前緣向舷側(cè)偏轉(zhuǎn)定義為正。不同尾翼安裝角度下兩側(cè)動壓見圖6。

圖6 不同尾翼安裝角度下尾翼兩側(cè)動壓云圖

從圖6來看,隨著安裝角度的增大,左舷尾翼左側(cè)逐漸由壓力面變?yōu)槲γ?安裝角度為3°時,尾翼兩側(cè)壓力分布接近基本相當(dāng)。進(jìn)一步分析左舷尾翼受到的側(cè)向力,見圖7。

圖7 不同尾翼安裝角度下尾翼側(cè)向力(模型尺度)

圖7顯示,計算角度范圍內(nèi),尾翼側(cè)向力隨著安裝角度的變化基本呈現(xiàn)線性變化趨勢,側(cè)向力為0時對應(yīng)的尾翼安裝角度約為2.7°,此時尾翼兩側(cè)動壓分布基本相同,見圖8。

圖8 安裝角度2.7°時尾翼兩側(cè)動壓云圖

分析不同尾翼安裝角度對船舶阻力性能的影響,船舶剩余阻力系數(shù)Cr隨尾翼安裝角度的變化見圖9,其中剩余阻力系數(shù)采用二因次法求得。

圖9 不同尾翼安裝角度的船舶剩余阻力系數(shù)

從圖9結(jié)果來看,剩余阻力系數(shù)隨著尾翼安裝角度的增大,呈現(xiàn)先下降,后升高的趨勢,在安裝角度3.5°附近,剩余阻力系數(shù)基本達(dá)到最小值,較0°安裝角約降低2.7%。

對比圖7和圖9可以看出,尾翼側(cè)向力為零時,船體剩余阻力系數(shù)并非最小,這可能是因?yàn)椴煌惭b角度下,尾翼對船體表面壓力分布以及尾部流場的影響不同所造成的,側(cè)向力為零時,對剩余阻力并非最有利。

3 推力與功率不平衡分析

針對3吊艙推進(jìn)器的推力與功率不平衡問題,采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法,基于優(yōu)化后的附體安裝角度,開展系柱和航行狀態(tài)下3個推進(jìn)器之間的推力和功率計算與分析。

3.1 帶推進(jìn)器計算模型與參數(shù)

由于考慮了螺旋槳,CFD計算需要考慮全船。計算采用實(shí)尺度疊模,近壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,船舶首尾以及推進(jìn)器附近進(jìn)行適當(dāng)加密,船體周圍網(wǎng)格向外逐漸稀疏,計算域尺度為:船首至計算域入口邊界約2倍船長,船尾距計算域出口邊界約6倍船長,計算域?qū)挾燃s8倍船長,計算域高度約3倍船長,計算域以及局部網(wǎng)格加密見圖10。計算域邊界條件類型為:船首方向、底部以及側(cè)邊界均為速度入口,船尾方向?yàn)閴毫Τ隹?頂部為對稱面邊界條件,網(wǎng)格數(shù)約4 000萬,采用SST k-ω湍流模型。兩側(cè)槳旋向?yàn)橥庑?中間槳為右旋,3個推進(jìn)器尺度參數(shù)相同。

圖10 帶推進(jìn)器計算域及局部網(wǎng)格加密示意

計算采用荷蘭MARIN水池的ReFRESCO程序進(jìn)行,該程序基于RANS方法,能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)流場的模擬分析。

3.2 系柱狀態(tài)三槳推力及功率分析

針對船舶零航速系柱狀態(tài),進(jìn)行兩種螺旋槳轉(zhuǎn)速組合的計算,見表2。

表2 系柱狀態(tài)螺旋槳轉(zhuǎn)速組合

轉(zhuǎn)速組合2,不同剖面處的軸向速度見圖11。兩側(cè)推進(jìn)器(含導(dǎo)流管)產(chǎn)生的推力和吸收功率與中間槳的比值和不平衡百分?jǐn)?shù)見表3、4。表中不平衡百分?jǐn)?shù)定義為兩側(cè)槳產(chǎn)生推力或吸收功率與中間槳差值占中間槳推力或功率的百分?jǐn)?shù)。

表3 系柱狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳發(fā)出推力比值

表4 系柱狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳吸收功率比值

圖11 系柱狀態(tài)不同剖面軸向速度云圖示例

從計算結(jié)果來看,當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速相同時(對應(yīng)轉(zhuǎn)速組合1,179 r/min),兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的推力較中間槳小,最大不平衡百分?jǐn)?shù)約2.4%,此時螺旋槳吸收功率的不平衡百分?jǐn)?shù)約1.5%。為了使得各推進(jìn)器吸收功率相當(dāng),需要調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速,當(dāng)適當(dāng)降低中間槳轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速組合2)時,各推進(jìn)器發(fā)出推力和吸收功率基本一致,最大功率不平衡百分?jǐn)?shù)約0.4%,推力不平衡百分?jǐn)?shù)約1%。

總體而言,系柱狀態(tài)下兩側(cè)槳與中間槳的推力和功率平衡性較好,相同轉(zhuǎn)速下中間槳吸收功率略高。這主要是因?yàn)橄抵鶢顟B(tài)下,船體對螺旋槳進(jìn)流的影響較小,中間槳處的伴流略大。因此,系柱狀態(tài)下三槳的進(jìn)流狀態(tài)相當(dāng),相同轉(zhuǎn)速下的推力和功率差別不大,中間槳略高。

3.3 航行狀態(tài)3槳推力及功率分析

針對船舶航行狀態(tài),進(jìn)行了3種螺旋槳轉(zhuǎn)速組合的計算,見表5。船舶航速為設(shè)計航速,計算采用強(qiáng)迫自航法。

表5 航行狀態(tài)螺旋槳轉(zhuǎn)速組合

航行狀態(tài)轉(zhuǎn)速組合3,不同剖面處的軸向速度見圖12,與圖11對比發(fā)現(xiàn),航行狀態(tài)軸向速度形式與系柱狀態(tài)有明顯差別。

圖12 航行狀態(tài)不同剖面軸向速度云圖示例

兩側(cè)推進(jìn)器(含導(dǎo)流管)產(chǎn)生的推力和吸收功率與中間槳的比值和不平衡百分?jǐn)?shù)見表6、7。表中不平衡百分?jǐn)?shù)定義為兩側(cè)槳產(chǎn)生推力或吸收功率與中間槳差值占中間槳推力或功率的百分?jǐn)?shù)。

表6 航行狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳發(fā)出推力比值

表7 航行狀態(tài)兩側(cè)槳與中間槳吸收功率比值

從計算結(jié)果來看,當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速相同時(對應(yīng)轉(zhuǎn)速組合1,168 r/min),兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的推力較中間槳小,最大推力不平衡百分?jǐn)?shù)約16.7%,此時功率不平衡百分?jǐn)?shù)約12.5%,航行狀態(tài)功率不平衡百分?jǐn)?shù)相較系柱狀態(tài)顯著增加。通過降低中間槳轉(zhuǎn)速,可減小三槳之間的功率不平衡,如轉(zhuǎn)速組合2,中間槳轉(zhuǎn)速較兩側(cè)降低0.5 r/min,此時功率不平衡百分?jǐn)?shù)約9.7%,功率不平衡有所改善,當(dāng)中間槳轉(zhuǎn)速較兩側(cè)槳降低4 r/min時,如轉(zhuǎn)速組合3,此時功率不平衡進(jìn)一步改善,不平衡百分?jǐn)?shù)約2.4%。

計算采用強(qiáng)迫自航法,上述3種轉(zhuǎn)速組合并非對應(yīng)實(shí)際船舶自航點(diǎn),考慮實(shí)際航行操作慣例,3槳轉(zhuǎn)速取相同值,通過預(yù)報可得實(shí)船設(shè)計航速自航時三槳轉(zhuǎn)速為181.6 r/min,此時3槳的推力和功率比值以及不平衡百分?jǐn)?shù)見表8。

表8 設(shè)計航速自航點(diǎn)兩側(cè)槳與中間槳推力/功率比值

從預(yù)報結(jié)果來看,實(shí)船設(shè)計航速航行時,兩側(cè)槳與中間槳的功率不平衡百分?jǐn)?shù)約10.4%,推力不平衡百分?jǐn)?shù)約13.5%。

總體而言,與系柱狀態(tài)類似,相同轉(zhuǎn)速下,中間槳吸收功率較兩側(cè)槳更高,但航行狀態(tài)的推力和功率不平衡百分?jǐn)?shù)較系柱狀態(tài)明顯增加,這主要是因?yàn)楹叫袪顟B(tài)下,船體對螺旋槳進(jìn)流的影響較大,中間槳處的伴流較高,與兩側(cè)槳差別較大,因此相同轉(zhuǎn)速下中間槳進(jìn)速系數(shù)更小,因此產(chǎn)生的推力和吸收功率也相對更大。從上述算例還可以看出,通過調(diào)整中間槳和兩側(cè)槳的轉(zhuǎn)速,改善了螺旋槳推力和功率的不平衡,如表5中轉(zhuǎn)速組合3,通過降低中間槳轉(zhuǎn)速,增加兩側(cè)槳轉(zhuǎn)速,顯著降低了航行工況下3槳的功率不平衡百分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)論

1)雙尾翼相較于單呆木對阻力的影響相當(dāng),但對螺旋槳進(jìn)流的影響更小,并且由于尾翼的側(cè)面積形心距離船中更遠(yuǎn),因此航向穩(wěn)定性比單呆木更好,介于單呆木和雙呆木之間;就動力定位工況而言,雙尾翼對螺旋槳推力禁區(qū)范圍的影響較雙呆木形式更小,雙尾翼形式較為適合所研究的3吊艙船型。

2)從船舶阻力的角度對尾翼安裝角度進(jìn)行優(yōu)化,確定阻力最低的安裝角約3.5°,同時發(fā)現(xiàn)尾翼側(cè)向力為零時船體剩余阻力系數(shù)并非最小,可能是因?yàn)榘惭b角度不僅影響尾翼本身的側(cè)向力和阻力,而且影響船體表面壓力分布,同時也說明尾翼對阻力的影響需要結(jié)合船體一起考慮。

3)系柱和航行工況下,相同轉(zhuǎn)速中間槳吸收功率均高于兩側(cè)槳,航行工況的功率不平衡百分?jǐn)?shù)約10.4%,明顯高于系柱狀態(tài),這主要是因?yàn)閮煞N狀態(tài)下船體對螺旋槳進(jìn)流的影響不同所造成的,航行狀態(tài)下中間槳與兩側(cè)槳的伴流差別更大,因此功率不平衡也更加明顯。

4)調(diào)整中間槳和兩側(cè)槳的轉(zhuǎn)速,是改善三槳之間功率不平衡的有效手段,通過調(diào)整吊艙推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,可以達(dá)到平衡各推進(jìn)器功率的目的。