空泡下雙向冰級槳水動力性能試驗研究

鄭思潔，周 利，刁 峰，丁仕風，劉仁偉

（1.江蘇科技大學船海學院，江蘇鎮江 212003；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引 言

破冰船在破碎較厚冰層時，往往會通過螺旋槳的正車和倒車實現破冰船的前進和后退，通過不斷撞擊的方式達到破冰的目的。螺旋槳正車破冰時，破碎的冰會沿著船體表面下滑至螺旋槳前流場，形成不均勻流場，而螺旋槳倒車時，碎冰在螺旋槳的抽吸作用下，更易造成螺旋槳的冰阻塞。破冰過程中，由于冰阻力占船舶總阻力的大部分[1]，使得螺旋槳處于高轉速而船舶處于低航速的工況中，螺旋槳高速旋轉中極易使得槳葉的表面壓力陡降，當槳葉的表面壓力低于飽和蒸汽壓時將產生空泡。

在螺旋槳水池試驗方面，Searle等[2]采用EG/AD/S模型冰在加拿大海洋技術研究所（IOT）冰水池開展了自航試驗，結果顯示螺旋槳的推力和扭矩變化很大，這主要是由于冰-槳間的干擾作用以及與船艏冰載荷有關；Moores 等[3]以同樣方式對大傾斜實槳進行了試驗，討論了進速系數對螺旋槳推力系數和扭矩系數的影響；Wang 等[4-5]在IOT 冰水池對吊艙螺旋槳進行了模型試驗，結果表明，冰-槳相互作用下的水動力性能與螺旋槳形狀、進速系數和槳的攻角有關，并引入數值方法對螺旋槳模型試驗進行了模擬，通過模型試驗改進了數值模型，數值模擬結果與試驗結果吻合良好；王超等[6-7]在哈爾濱工程大學循環水槽中以切削型冰模型為對象，研究了冰槳間距和流速對螺旋槳水動力性能和冰模型誘導下空泡的影響，隨后研究了自由狀態冰對螺旋槳水動力性能的影響，發現了自由狀態冰后方存在加速區和阻塞區；郭春雨等[8]在哈爾濱工程大學拖曳水池采用非凍結模型冰，研究了冰-槳軸向、橫向和垂向距離以及進速系數對螺旋槳水動力的影響。

在螺旋槳空泡水筒試驗方面，Dan 等[9]在東京大學空泡水筒開展了冰-槳干擾下的冰級槳水動力載荷研究，研究結果表明空化減小了吸力載荷，冰阻塞增加了螺旋槳的振蕩；Sampson等[10]在愛默生空泡水筒（ETC）進行了不同空泡數下的冰-槳模型試驗，證明了空泡效應是影響螺旋槳水動力性能的重要因素，且螺旋槳水動力性能還與螺旋槳和冰塊幾何、環境、運動等有關；武珅等[11-13]在中國船舶科學研究中心空泡水筒開展了系列冰槳空泡性能試驗，測試了均流和冰阻塞環境中阻塞參數及不同空泡數對螺旋槳模型水動力性能以及空泡的影響。

學者們大多關注冰級螺旋槳的正車性能，而很少考慮破冰船沖撞式破冰時的倒車性能，針對某一冰級槳的正車和倒車性能的研究則更少。本文采用螺旋槳模型試驗方法，對均流環境中不同空泡數和進速系數下螺旋槳正車和倒車水動力性能，以及在冰阻塞環境中不同空泡數、進速系數和冰-槳距離下螺旋槳正車和倒車水動力性能進行研究。

1 試驗模型與試驗設備

1.1 試驗模型

空泡效應下冰級螺旋槳分別在均流和冰阻塞流中的正車、倒車性能模型試驗在中國船舶科學研究中心的空泡水筒中開展，螺旋槳試驗模型如圖1所示，表1為實槳和模型槳的主要參數，其中螺旋槳的材料為鋁合金，旋轉方向為右旋。

表1 螺旋槳主要參數Tab.1 Main parameters of propeller

圖1 螺旋槳試驗模型Fig.1 Propeller test model

為了在空泡水筒中模擬冰阻塞環境，設計并加工了位于螺旋槳模型來流中前方的冰阻塞物模型。冰阻塞物模型采用不溶于水的長方體固體物塊，物塊的長、寬和高分別為430 mm（1.72D）、250 mm（D）和125 mm（0.5D）[14]，冰阻塞物的尺寸及與螺旋槳相對位置關系如圖2所示。

圖2 冰阻塞物尺寸及與螺旋槳相對位置關系Fig.2 Size of ice block and its relative position to the propeller

冰阻塞物塊與螺旋槳間距離L可通過軸向驅動系統進行調整，螺旋槳模型正車性能試驗中螺旋槳正裝正轉，而螺旋槳模型倒車性能試驗采用反裝正轉的裝配方法，將螺旋槳反裝在驅動槳軸上，冰阻塞物和螺旋槳模型在空泡水筒中安裝示意圖如圖3所示。

圖3 冰阻塞物和螺旋槳模型在空泡水筒中安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of ice block and propeller model in cavitation tunnel

1.2 試驗設備

中國船舶科學研究中心的空泡水筒工作段直徑為0.8 m，工作段長度為3.2 m，水速范圍為3～20 m/s，壓力調整范圍為8～400 kPa，最低空泡數為0.15。螺旋槳模型試驗的測量儀器和儀表的量程、精度如表2所示。

表2 測量儀器和儀表及其量程、精度Tab.2 Measuring instruments and their ranges and accuracy

2 模型試驗方法

2.1 相似準則

螺旋槳正車和倒車性能模型試驗必須滿足相似準則，本次模型試驗分別從螺旋槳的幾何、運動、粘性力和空泡方面考慮相似關系。

（1）幾何相似

嚴格按縮尺比1:28制作的螺旋槳模型保證了模型和實物的幾何相似。

（2）運動相似

通過對螺旋槳進速系數J、推力系數KT、扭矩系數KQ和敞水效率η0的定義保證運動相似，定義如下：

式中，V為試驗水速，n為螺旋槳轉速，D為螺旋槳直徑，T為螺旋槳的推力，Q為螺旋槳的扭矩，ρ為水的密度。

（3）粘性力相似

確保螺旋槳0.75R處槳葉切面弦長的雷諾數Rn（0.75R）超過臨界雷諾數，即

式中，L0.75R為0.75R處槳葉切面弦長，ν為水的運動粘滯系數。

（4）空泡數相似

通過空泡數來滿足模型試驗的壓力環境相似，在均勻流環境中來流速度恒定，而冰阻塞環境中螺旋槳旋轉速度恒定，則分別需要滿足水速空泡數σv和轉速空泡數σn相似，定義如下：

式中，P為軸中心壓力，Pv為飽和蒸汽壓。

2.2 試驗方案

為探究空泡效應對雙向冰級螺旋槳在敞水以及冰區環境中正車和倒車性能的影響，將分別在均勻流環境和冰阻塞環境中進行正車和倒車螺旋槳水動力性能試驗。

2.2.1 均勻流環境

水動力測試前先用長軸動力儀對標槳進行測量，確認試驗數據可靠后，進行螺旋槳模型的水動力測量。分別進行正裝和反裝螺旋槳的基線測量，然后進行正裝和反裝螺旋槳在不同空泡數下的推力和扭矩測量。測試工況分為無空泡狀態（σv=18.4）和空泡狀態（σv=5.0、2.5）。試驗時固定水速V=4 m/s，改變螺旋槳轉速來改變進速系數，記錄各個進速系數下的螺旋槳推力和扭矩數據，測試工況如表3所示。

表3 均勻流環境螺旋槳試驗工況Tab.3 Test conditions of propeller in uniform flow environment

2.2.2 冰阻塞環境

在螺旋槳來流前方安裝冰阻塞結構驅動裝置，標定冰阻塞裝置與螺旋槳模型的軸向和垂向相對位置；調整冰阻塞物垂向高度至指定要求，通過步進電機帶動螺桿驅動冰阻塞物軸向運動，調整阻塞物與螺旋槳盤面至指定間距。冰阻塞環境螺旋槳水動力性能測試采用定轉速變水速的方法進行，固定螺旋槳轉速n=35 r/s，調整水速和水筒壓力至指定進速和轉速空泡數，分別測量正裝和反裝螺旋槳模型在不同冰槳軸向間距、空泡數和進速系數下的推力和扭矩系數，表4 為冰阻塞環境中螺旋槳正車和倒車性能試驗的測試工況。

表4 冰阻塞環境螺旋槳試驗工況Tab.4 Test conditions of propeller in ice blockage environment

3 均勻流環境試驗結果與分析

3.1 正車性能

空泡水筒中螺旋槳在均勻流環境下正車試驗，探究了螺旋槳正裝正轉時在不同水速空泡數和進速系數下的敞水性能，試驗結果如圖4所示。

圖4 均勻流中螺旋槳正車試驗敞水性能曲線Fig.4 Open-water performance of propeller forward driving test in uniform flow

圖4 為均勻流環境中水速空泡數σv=18.4、5.0 和2.5 時，螺旋槳正車的推力系數、扭矩系數和敞水效率隨進速系數變化的曲線。由圖可以看出，當空泡數為18.4時，推力系數和扭矩系數隨進速系數的增加而直線式減小，敞水效率隨進速系數的增加而增加，三者的變化符合一般性的規律。當空泡數為2.5 時，推力系數和扭矩系數隨進速系數的增加而先增后減，在進速系數從0.35 增加到0.45 時隨進速系數的增加而增加，在進速系數從0.45增加到0.70時隨進速系數的增加而減小，且隨著進速系數的增加，推力系數和扭矩系數越接近于空泡數為18.4的值，敞水效率隨進速系數的增加而增加。空泡數為5.0時，推力系數、扭矩系數和敞水效率都介于空泡數18.4和2.5之間時的值。

均勻流環境中螺旋槳模型試驗，采用定水速變轉速的方法，當水速一定時，螺旋槳轉速隨進速系數的增加而減小，進速系數越小則螺旋槳轉速越大，進速系數與螺旋槳轉速成反比。當空泡數為18.4時，進速系數增加，螺旋槳轉速減小，推力和扭矩都隨之減小，由于空泡數大，不易生成空泡，推力系數和扭矩系數隨進速系數增加而直線式減小。而空泡數為2.5 時，空泡水筒內部壓力低，而螺旋槳高速旋轉，極易使得螺旋槳表面的壓力低于飽和蒸氣壓力，產生空化現象；進速系數從0.35增加到0.45時，螺旋槳轉速降低，螺旋槳表面空泡減小，空泡對螺旋槳推力和扭矩的減小效應降低，出現推力系數和扭矩系數不減小而增加；而隨著進速系數的進一步增加，空泡對螺旋槳的影響進一步減小，其推力系數和扭矩系數逐漸接近空泡數為18.4 的值。敞水效率曲線的斜率隨推力系數和扭矩系數變化，其斜率為KT/2πKQ，在進速系數為0.35時，螺旋槳轉速高，推力和扭矩大，而空泡數越小，螺旋槳表面空化越嚴重，其推力與扭矩的比值越小；隨著進速系數的增加，螺旋槳轉速減小，推力和扭矩都減小，其比值也在減小，敞水效率斜率減小。

3.2 倒車性能

空泡水筒中螺旋槳在均勻流環境下倒車試驗，探究螺旋槳倒裝正轉時在不同水速空泡數和進速系數下的敞水性能，試驗結果如圖5所示，

圖5 均勻流中螺旋槳倒車試驗敞水性能曲線Fig.5 Open-water performance of propeller reversing test in uniform flow

圖5 為均勻流環境中水速空泡數σv=18.4、5.0 和2.5 時，螺旋槳倒車的推力系數、扭矩系數和敞水效率隨進速系數變化的曲線。由圖可以看出，當進速系數為0.35～0.55，水速空泡數為18.4、5.0 和2.5時，推力系數、扭矩系數和敞水效率隨進速系數的變化同正車的變化一致，而數值上都小于正車的值，螺旋槳的倒車性能比正車性能差。當進速系數繼續增加，從0.55增加到0.70時，不同空泡下的敞水效率隨進速系數的增加而迅速減小，由于螺旋槳轉速隨進速系數的增加而減小，推力與扭矩的比值快速減小，從而敞水效率減小。即保持一定航速，螺旋槳進速系數增加時，螺旋槳轉速減小，且進速系數和轉速成反比，當進速系數增加到一定值時，螺旋槳轉速減小，導致推力與扭矩的比值迅速減小，則該螺旋槳在敞水中倒車時，進速系數不應大于0.55。

表5 為均勻流中螺旋槳倒車水動力與正車水動力差值對比。由表可以看出，隨著進速系數的增加，螺旋槳在均流中倒車水動力與正車水動力差值隨之增加，倒車水動力性能也越差。且推力系數的差值比扭矩系數的差值大，在進速系數為0.7 時，推力系數的差值在80%左右；在低進速系數時，低空泡下的水動力差值比無空泡下的水動力差值大。

表5 均勻流中螺旋槳倒車水動力與正車水動力差值對比（%）Tab.5 Comparison of the difference between propeller reversing and forward hydrodynamics in uniform flow(%)

4 冰阻塞環境試驗結果與分析

當極地船舶航行于冰區時，冰阻力將大大增加船舶總阻力，使得螺旋槳在低進速高轉速的重載工況下運作。由螺旋槳均勻流環境模型試驗可知，螺旋槳進速系數較低時極易產生空泡，本文將繼續探究螺旋槳在冰阻塞環境中，空泡數為4.0和2.0，進速系數為0.35、0.45和0.55時，螺旋槳推力系數、扭矩系數和敞水效率隨冰阻塞物與螺旋槳間距離的變化規律。

4.1 正車性能

空泡水筒中螺旋槳在冰阻塞環境下的正車試驗，探究螺旋槳正裝正轉時在不同轉速空泡數、進速系數和冰-槳距離下的水動力性能，試驗結果如圖6所示，

圖6 冰阻塞環境中螺旋槳正車試驗水動力性能曲線Fig.6 Hydrodynamic performance of propeller forward driving test in ice blockage environment

圖6為冰阻塞環境中轉速空泡數σn=4.0和2.0，進速系數為0.35、0.45和0.55時螺旋槳正車的推力系數、扭矩系數和敞水效率隨冰-槳距離變化曲線。由圖可以看出，隨著進速系數的增加，螺旋槳推力系數和扭矩系數隨之減小，而敞水效率隨之增加。隨著冰-槳距離的減小，螺旋槳推力系數和扭矩系數都隨之增加，而敞水效率呈現減小趨勢。隨著空泡數的減小，螺旋槳推力系數和扭矩系數隨冰-槳距離的減小而增加的幅度減小。

螺旋槳在冰阻塞環境中的模型試驗，采用定轉速變水速的方法。當進速系數增加時，來流速度隨之增加，螺旋槳受到水流的沖擊力越大，且流速的增加，增加了流場的不均勻性，從而減小了螺旋槳的推力和扭矩。螺旋槳前方來流受到冰阻塞物的阻礙，使得螺旋槳進流速度降低，推力和扭矩都隨之增加，且隨冰-槳距離的減小，冰阻塞物的阻塞作用越明顯。當空泡數減小時，流場壓力減小，螺旋槳表面空泡增加，空泡減小了螺旋槳與水的接觸面積，受到水的作用力減小，從而減小了推力和扭矩，且空泡降低了螺旋槳推力和扭矩隨冰-槳距離減小的增加量。

4.2 倒車性能

圖7為冰阻塞環境中轉速空泡數σn=4.0和2.0，進速系數為0.35、0.45和0.55時螺旋槳倒車的推力系數、扭矩系數和敞水效率隨冰-槳距離變化曲線。由圖可以看出，隨著進速系數的增加，螺旋槳推力系數、扭矩系數和敞水效率與正車變化一致，且都小于正車的值，在冰阻塞環境中螺旋槳倒車性能同樣比正車性能差。隨著冰-槳距離的減小，空泡數為4.0 的螺旋槳推力系數和扭矩系數都隨之增加。而空泡數為2.0的螺旋槳推力系數和扭矩系數隨冰-槳距離的減小呈現增加后減小的趨勢，冰-槳距離從0.70 減小到0.30 時，螺旋槳推力系數和扭矩系數隨冰-槳距離的減小而增加，這是由于冰阻塞物的阻塞作用，降低了來流速度，從而增加了推力和扭矩；冰-槳距離從0.30 減小到0.20 時，螺旋槳推力系數和扭矩系數隨冰-槳距離的減小而減小，由于冰-槳距離的減小，空泡現象越明顯，嚴重的空化大大降低了螺旋槳水動力性能，使得螺旋槳推力系數和扭矩系數隨冰-槳距離的減小而減小。

圖7 冰阻塞環境中螺旋槳倒車試驗水動力性能曲線Fig.7 Hydrodynamic performance of propeller reversing test in ice blocking environment

表6為冰阻塞中倒車水動力與正車水動力差值對比。由表可以看出，隨著進速系數的增加，螺旋槳倒車水動力與正車水動力差值隨之增加，而增加幅值小于均流差值增幅；隨著冰-槳距離的增加，螺旋槳倒車水動力與正車水動力差值隨之增加，但增加幅值較小；推力系數差值同樣比扭矩系數差值大。

表6 冰阻塞中螺旋槳倒車水動力與正車水動力差值對比（%）Tab.6 Comparison of the difference between propeller reversing and forward hydrodynamics in ice blockage environment(%)

圖8 為σn=2.0、J=0.55 時冰阻塞環境中螺旋槳倒車試驗圖。由圖可以看出，在螺旋槳的吸力面發生了嚴重的空化現象，主要發生于槳葉吸力面的導邊和葉梢處，且隨著冰-槳距離L/D從0.7 減小到0.3，近冰槳葉表面空化現象越嚴重，空泡發生面積越大，且空泡形狀越不規則。大量的空泡從槳葉分離，并迅速潰滅，而槳葉吸力面的導邊和葉梢的空泡由于螺旋槳高速旋轉，其表面壓力低于飽和蒸汽壓力，空泡又不斷地形成。隨著冰-槳距離L/D的減小，空化性能越嚴重，槳葉表面空泡的出現，減小了水與螺旋槳表面的接觸面積，從而減小了螺旋槳推力和扭矩。而在冰-槳距離減小的同時，阻塞物減小了來流速度，使得螺旋槳的推力和扭矩增加。螺旋槳的水動力性能是由空泡性能和阻塞性能共同決定的。

圖8 σn=2.0、J=0.55時冰阻塞環境中螺旋槳倒車試驗圖Fig.8 Propeller reversing test diagram in ice blockage environment when σn=2.0,J=0.55

5 結 論

本文采用螺旋槳模型試驗方法，對均流環境中不同空泡數和進速系數下螺旋槳正車和倒車水動力性能，以及在冰阻塞環境中不同空泡數、進速系數和冰-槳距離下螺旋槳正車和倒車水動力性能進行了研究，得到如下結論：

（1）均勻流環境中定水速變轉速，當發生嚴重空化時，螺旋槳的推力、扭矩系數隨進速系數的減小先增加后減小，空泡效應對推力和扭矩的削減大于由于螺旋槳轉速增大而增加的推力和扭矩；螺旋槳倒車時，轉速不能低于一定的值，否則敞水效率會出現驟降。

（2）冰阻塞環境中定轉速變水速，螺旋槳推力系數和扭矩系數隨進速系數的減小和空泡數的增加而增加；而隨著冰-槳距離的減小，螺旋槳推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用，當空化嚴重時，推力和扭矩不再隨阻塞距離的減小而增加。

（3）本文所采用的雙向螺旋槳的倒車性能要比正車性能差，隨著進速系數的增加，螺旋槳在均流中倒車與正車水動力差值隨之增加，進速系數為0.7 時，水動力的差值在80%左右；冰阻塞中隨著冰-槳距離的增加，螺旋槳倒車水動力與正車水動力差值隨之增加，但增加幅值較小；雙向槳在設計中需要考慮倒車性能，提高船舶的機動性。

（4）空泡不斷地在槳葉吸力面的導邊和葉梢處生成，并在與槳葉分離時快速潰滅，隨著冰-槳距離的減小，近冰槳葉表面空化現象越嚴重，空泡發生面積越大，且空泡形狀越不規則。