葉禮裕， 常欣， 孫帥， 王超， 張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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四槳船舶螺旋槳差異化設(shè)計

葉禮裕， 常欣， 孫帥， 王超， 張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了減小四槳船舶內(nèi)外槳的負荷差，本文建立了一套螺旋槳差異化理論設(shè)計方法。基于螺旋槳的理論設(shè)計方法進行了內(nèi)外槳的初始化設(shè)計，并采用CFD技術(shù)和等推力法，預(yù)報船槳一體的總推力減額分數(shù)和內(nèi)外槳的伴流分數(shù)。結(jié)合螺旋槳理論設(shè)計方法和面元法，形成了一套螺旋槳差異化理論設(shè)計系統(tǒng)。并以某四槳船舶方案為例，在最大航速工況下，應(yīng)用本文的方法開展內(nèi)外槳的差異化設(shè)計，并對不同航速下的螺旋槳差異化設(shè)計效果進行分析。研究表明：在最大設(shè)計航速下，內(nèi)外差異化設(shè)計槳的總推力滿足設(shè)計要求，負荷差由初步設(shè)計時的11.9%減小為0.61%左右，而且在18節(jié)和25節(jié)航速下的負荷差也分別由初步設(shè)計時的13.8%與13.3%減少到5.65%與3.68%。應(yīng)用本文方法可有效地減小內(nèi)外槳的負荷差，為四槳船舶螺旋槳設(shè)計提供了新思路。

四槳船舶；螺旋槳；初步設(shè)計；差異化設(shè)計；負荷差；等推力法；船舶阻力；干擾因子

近幾年來，隨著航運的發(fā)展，船舶航速、噸位以及主機功率不斷增加，對槳的推進系統(tǒng)要求越來越高，出現(xiàn)了兩槳一舵、四槳兩舵等推進和操縱系統(tǒng)的船舶。通常，螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力克服船舶航行阻力使船舶保持一定航速，主機與螺旋槳匹配不合理則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上不去、航速達不到、主機超負荷，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)拉缸等嚴重問題。特別對于多槳多舵船舶，一般不會針對不同的槳選擇不同的主機，因此需要考慮不同槳之間的負荷均衡問題，如對于四槳工作的船舶而言，若內(nèi)外槳間的負荷差過大，會造成內(nèi)槳超負荷，外槳低負荷，使得內(nèi)槳主機超負荷工作，外槳主機功率不能被充分的利用，影響船機槳的匹配，不利于主機的使用壽命和獲得高效的推進性能與經(jīng)濟效益。只有降低螺旋槳之間的負荷差，才能達到內(nèi)外槳間的負荷均衡以及螺旋槳和主機的合理匹配要求，這既能充分利用主機的功率，又能在運轉(zhuǎn)工況內(nèi)主機功率不超過允許范圍，實現(xiàn)船機槳的合理匹配，獲得高效的推進性能、經(jīng)濟性和較長的使用壽命。

盡管越來越多的水面艦船采用多槳推進，但是多槳船的螺旋槳設(shè)計仍然依據(jù)單槳船的螺旋槳設(shè)計方法，然后根據(jù)船模試驗或?qū)嵈嚭降慕Y(jié)果進行不同程度的修正。這主要由于當前缺少可供參考多槳船的螺旋槳設(shè)計方法，即使是相關(guān)的教材和螺旋槳設(shè)計的手冊中還都依然給出的是單槳船的螺旋槳設(shè)計方法。特別是四槳推進設(shè)計方面，可供參考的論文不多。Labberton考慮四槳艦船用相同尺度的螺旋槳引起不同軸系所需要的功率差異，提出了一種更改螺距比的設(shè)計方法[1]。Kawakam等對比六組分布不同的三槳船模試驗結(jié)果，得出兩只邊槳內(nèi)旋所需要的功率最小[2]。Carey提出了電力推進的固定螺距的三槳推進系統(tǒng)[3]。周斌等開展了四槳兩舵大型船舶螺旋槳的面元法設(shè)計研究[4]。王展智等以四槳水面艦船為研究對象，研究了螺旋槳不同的縱向和橫向位置分布，以及舵的位置變化對螺旋槳水動力性能的影響[5]。畢俊穎將多槳干擾因子引入到四槳推進的航空母艦的螺旋槳圖譜設(shè)計中，并分別針對外槳在前、內(nèi)槳在后和外槳在后、內(nèi)槳在前兩種不同的縱向分布進行了螺旋槳的設(shè)計和比較分析[6]。

為了更加有效地減小內(nèi)外槳的負荷差，擬在充分考慮內(nèi)外槳工作環(huán)境不同的前提下，建立一套四槳船舶的螺旋槳差異化理論設(shè)計方法。該方法并未改變船尾伴流場，主要是通過設(shè)計內(nèi)外槳不同幾何外形，達到減小內(nèi)外槳負荷差的目的，設(shè)計過程是在最大航速工況下進行的，在其他航速工況下，內(nèi)外槳負荷均衡的效果也將進行驗證分析。

1 設(shè)計的方法和步驟

對于四槳船舶螺旋槳設(shè)計來說，不僅要考慮螺旋槳與船體之間的干擾，而且要考慮螺旋槳與螺旋槳之間的相互干擾。雖然采用船模試驗獲得船槳一體的干擾因子比較精確，可信度高，但是耗費成本很高?，F(xiàn)階段，CFD技術(shù)發(fā)展迅速，越來越多的研究人員開始將CFD技術(shù)應(yīng)用到船舶領(lǐng)域當中[7-8]。本文在螺旋槳的差異化設(shè)計之前，進行了螺旋槳的初始化理論設(shè)計，并結(jié)合CFD技術(shù)和等推力法，預(yù)報船槳一體的總阻力、總推力減額分數(shù)和內(nèi)外槳的伴流分數(shù)。這里螺旋槳初始化設(shè)計得到的內(nèi)外槳的形狀是一樣的。然后，將初始化設(shè)計階段計算出的內(nèi)外槳的伴流分數(shù)引入到螺旋槳的差異化設(shè)計中，可使得最終的內(nèi)外設(shè)計槳的水動力性能、空泡、噪聲和強度更加滿足工程要求。

本文旨在針對四槳船舶，形成一種螺旋槳差異化理論設(shè)計方法，包含了螺旋槳的初始化設(shè)計和差異化設(shè)計兩個階段。需要強調(diào)的是文中的設(shè)計方法與一般的設(shè)計方法有所不同，主要考慮預(yù)報內(nèi)外槳推力減額難度較大或者說工作量比較大，本文提出的設(shè)計方法避免了求解內(nèi)外槳的推力減額，通過初始化設(shè)計一個螺旋槳，并結(jié)合CFD技術(shù)預(yù)報了帶自由液面的船槳一體時的船體阻力。然后，再差異化設(shè)計內(nèi)外槳，只要內(nèi)外總推力和船槳一體的阻力達到平衡時，即可達到相應(yīng)的航速。另外，為了使得在相同轉(zhuǎn)速下，內(nèi)外槳消耗的主機功率相同，需要對螺旋槳的升力線和升力面設(shè)計程序進行調(diào)整。該螺旋槳差異化理論設(shè)計方法的內(nèi)涵是：結(jié)合CFD船舶實尺度數(shù)值仿真預(yù)報方法，考慮四槳船舶內(nèi)外槳工作環(huán)境的不同，借助螺旋槳升力線和升力面設(shè)計方法，以減小內(nèi)外槳負荷差為目的，分別為內(nèi)外槳設(shè)計螺旋槳。

本文螺旋槳差異化設(shè)計方法在編程的過程中借鑒了優(yōu)化設(shè)計的一些思想。以減小內(nèi)外槳負荷差以及減小內(nèi)外槳總推力與船體阻力差為目的，對升力線中的輸入?yún)?shù)，如推力、空泡裕度等參數(shù)隨機調(diào)整，直到得到目標螺旋槳槳。螺旋槳差異化設(shè)計流程圖如圖1所示。螺旋槳的差異化設(shè)計的具體步驟如下：

1)由CFD方法計算出裸船體阻力，根據(jù)相關(guān)資料和以往的設(shè)計經(jīng)驗引入伴流分數(shù)和總推力減額分數(shù)，基于螺旋槳升力線和升力面方法開展螺旋槳初始化設(shè)計。

2)將初始化設(shè)計槳安裝于船后，由CFD方法計算出船槳一體的內(nèi)外槳水動力性能及船體阻力，根據(jù)等推力法預(yù)報內(nèi)外槳的伴流分數(shù)，確立船槳一體的總推力減額。

3)根據(jù)艦艇的船型特點和設(shè)計要求，以及螺旋槳的側(cè)斜、縱傾的選擇原則，初步選擇設(shè)計槳的側(cè)斜和縱傾分布。

4)將螺旋槳初始化設(shè)計階段得到的內(nèi)外槳的伴流分數(shù)和船槳一體的總阻力引入到螺旋槳差異化設(shè)計中，分別設(shè)定內(nèi)外設(shè)計槳的升力線輸入?yún)?shù)，包括螺旋槳轉(zhuǎn)速、直徑，推力、螺旋槳收到的馬力、伴流分數(shù)等，用升力線設(shè)計程序確定內(nèi)外槳的弦長、厚度以及徑向的環(huán)量分布。以升力線設(shè)計螺旋槳相關(guān)結(jié)果作為升力面的初始設(shè)計參數(shù)，基于升力面方法分別確定設(shè)計螺旋槳的螺距和拱度分布、以及拱弧面，分別開展內(nèi)槳和外槳的升力面設(shè)計。

5)采用定常面元法分別預(yù)報內(nèi)外設(shè)計槳的水動力性能，判斷內(nèi)外設(shè)計槳的總推力和負荷差是否滿足要求。若滿足要求，結(jié)束設(shè)計，否則修改設(shè)計參數(shù)，重復(fù)步驟4)、5)。

6)基于CFD方法，對螺旋槳差異化設(shè)計效果進一步驗證。

圖1 螺旋槳差異化設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart of the differential propeller design

2 設(shè)計過程實例

2.1 船體模型及裸船體阻力預(yù)報

參照美國核動力航母公開的資料[9-10]，課題組從減小船體阻力出發(fā)設(shè)計了一艘四槳高速船舶方案。通過Fortran編程生成船體外形數(shù)據(jù)點，并將其導(dǎo)入ICEM中進行船體幾何模型建立，其主參數(shù)和外形如表1所示。該船采用4軸推進，假定總功率為161 809.9 kW，每個軸對應(yīng)的主機額定功率為40 452.5 kW，取功率儲備10%，軸系效率為0.97。

表1 船體幾何模型參數(shù)

螺旋槳設(shè)計時其推力需滿足船體最大航速需要，所以對30 kn最大航速下實尺度船體阻力的準確預(yù)報是非常重要的。以37為縮尺比，在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池對該船進行了系列的靜水阻力實驗。其中，測得2.537 m/s(對應(yīng)實船30 kn)下的船模阻力為134.96 N，換算成實船總阻力為4.899×106N。

基于CFD計算對船舶水動力性能進行預(yù)報時，由于船體左右對稱，所以取其一半進行計算，可以節(jié)省大量計算機資源和計算時間。為了換算出實尺度船體興波阻力值，必須計算得到船模尺度下的興波阻力。而船模興波阻力值可以分別計算出考慮自由液面時的船體阻力和僅考慮水線以下船體部分時的船體阻力，然后相減獲得。最后計算得2.537 m/s(對應(yīng)實船30 kn)下的船模粘性阻力為109.286 N，興波阻力為27.269 N。根據(jù)休斯觀點，船體興波阻力僅和傅汝德數(shù)有關(guān)，故實船興波阻力可由模型換算得到，而尺度效應(yīng)主要是與雷諾數(shù)有關(guān)，影響粘性阻力的計算準確度，所以實船計算時忽略自由液面的計算方法是可行，能大大簡化計算難度，節(jié)省計算時間。為了獲得最大航速時的船體阻力，可先進行實船水線以下部分粘性阻力計算，然后加上由模型換算得到的興波阻力即可。計算公式如下[11]

Ris=Rus+α3Rwm

(1)

式中：Ris為實船總阻力，Rus為實船粘性阻力，α為縮尺比等于37，Rwm為船模興波阻力。其計算結(jié)果見表2，由表中數(shù)據(jù)可知30kn航速時實船總阻力計算值比試驗換算值要大4.18%，雖然存在一定的差異，但誤差在5%以內(nèi)可以接受，這說明了本文CFD方法預(yù)報船體阻力是準確可行的。

表2 實尺度裸船體阻力數(shù)值計算結(jié)果(30 kn航速)

Table 2 Numerical calculation of the resistance of bare hull in real scale (30 kn)

參數(shù)計算值實船粘性阻力/N3.778×106船模興波阻力/N26.36實船興波阻力/N1.326×106實船總阻力/N5.08×106阻力試驗換算值/N4.899×106誤差/%4.18%

2.2 螺旋槳初始化設(shè)計及船槳干擾因子預(yù)報

內(nèi)外槳初始化設(shè)計采用的是同一設(shè)計參數(shù)，因此設(shè)計得到的內(nèi)外槳的幾何外形是相同的，設(shè)計參數(shù)的確定過程如下：

1)根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)定設(shè)計槳的直徑為5.3 m。在設(shè)計轉(zhuǎn)速200 r/min下，4只螺旋槳需產(chǎn)生足夠推力使船舶的航速能夠達到30 kn，并且在該條件下內(nèi)外槳的負荷差要盡量小，設(shè)計槳需符合高效、低空泡和低噪聲的要求；

2)從減小螺旋槳引起的振動噪聲來看，將初始化設(shè)計槳的側(cè)斜角度設(shè)定為30°。從減小螺旋槳引起的脈動壓力角度看，為增加內(nèi)外槳葉梢與船艉的間隙，將其縱傾角設(shè)定為10°；

3)由2.1節(jié)可知，由CFD預(yù)報的實尺度裸船體在航速30節(jié)的條件下總阻力為5.104×106N，根據(jù)相關(guān)資料和文獻[6-12]，引入總推力減額分數(shù)為0.07，由下式確立該船舶的4只螺旋槳在轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下產(chǎn)生的總推力為5.104×106N，也就是說內(nèi)外槳產(chǎn)生的總推力(半船總推力)為2.552×106N，最終將單只初始化設(shè)計槳所要產(chǎn)生的推力確立為1.276×106N。

(2)

4)根據(jù)文獻[6-12]，引入該船舶的伴流分數(shù)分數(shù)為0.069。根據(jù)下式確立初始化設(shè)計槳的設(shè)計進速為0.813。

(3)

總結(jié)以上螺旋槳初始化設(shè)計要求，給出了螺旋槳初始化設(shè)計槳的設(shè)計輸入?yún)?shù)，如表3所示。

表3 初始化設(shè)計槳的設(shè)計參數(shù)

將表3作為內(nèi)外槳的升力線的設(shè)計條件。在設(shè)計過程中，對設(shè)計槳的梢部進行卸載，使其對減小梢渦有利。通過螺旋槳的理論設(shè)計方法，得到初始化設(shè)計槳的主要參數(shù)如表4所示。初始化設(shè)計槳的輪廓圖如圖2所示。面元法計算初始化設(shè)計槳的敞水性能如圖3所示。

表4 初始化設(shè)計槳的主要參數(shù)

圖2 初始化設(shè)計槳的輪廓圖Fig.2 Profile of initialized design propeller

將初始化設(shè)計槳和船體進行匹配，開展船槳一體水動力性能計算，對內(nèi)外槳負荷差進行計算，為下一步內(nèi)外槳差異化設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。船槳一體尾部網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格總數(shù)為1 650萬。表5所示為最大航速30 kn時船體阻力和船后螺旋槳性能計算結(jié)果，從表中數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)外槳的總推力與半船總阻力相差較小，初始化設(shè)計槳的推力滿足要求。內(nèi)外槳負荷差的負荷差按下式進行計算，計算可知內(nèi)外槳負荷差異明顯，內(nèi)槳負荷要比外槳負荷重11.2%。

(4)

式中：ε為內(nèi)外槳負荷差，Qn為內(nèi)槳轉(zhuǎn)矩，Qw為外槳轉(zhuǎn)矩。

圖3 初始化設(shè)計槳的敞水性能曲線Fig.3 Open water performance curve of initialized design propeller

圖4 船體和螺旋槳網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh of hull and propeller

表5 船體阻力和船后螺旋槳性能數(shù)值計算結(jié)果(30 kn，初始化設(shè)計槳)

Table 5 Numerical calculation of hull resistance and propeller performance (30 kn，initial design propeller)

參數(shù)計算值半船粘性阻力/N2.081×106半船興波阻力/N0.663×106實船興波阻力/N2.746×106內(nèi)后槳推力/N1.511×106內(nèi)后槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.345×106外前槳推力/N1.182×106外前槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.194×106內(nèi)外槳總推力/N2.69×106內(nèi)外槳負荷差/%11.9

由上述計算得到，在航速為30 kn工況下，基于CFD技術(shù)預(yù)報船槳一體的總阻力RZ為5.492×106N。由下式計算出，船槳一體的總推力減額分數(shù)為0.070 2。

(6)

在初始化設(shè)計槳的敞水性能曲線上，分別由內(nèi)外槳的推力系數(shù)插值得到對應(yīng)的進速系數(shù)，分別為0.790 9和0.872 2；由式(3)計算得預(yù)報出內(nèi)外槳的伴流分數(shù)分別為0.099和0.006。

由以上可知，從量級上來看本文預(yù)報得到四槳船舶內(nèi)外槳的伴流分數(shù)以及推力減額與文獻[12]給出的結(jié)果還是比較接近的，驗證了本文開展CFD實船數(shù)值預(yù)報方法的準確性。

2.3 螺旋槳差異化設(shè)計

內(nèi)外槳設(shè)計總要求：內(nèi)外槳直徑都為5.3 m。在設(shè)計轉(zhuǎn)速200 r/min下，船的航速要達到30 kn。由上述計算可知，CFD預(yù)報實尺度船槳一體在30節(jié)航速下的半船總阻力為2.746×106N。根據(jù)作者在CFD預(yù)報方面的經(jīng)驗，螺旋槳的幾何參數(shù)在一定范圍內(nèi)變動時，對船槳一體的船體阻力值不會有較大的影響，因此要達到30 kn的航速，內(nèi)外槳在200 r/min時產(chǎn)生總推力應(yīng)略大于2.746×106N。且在該條件下，內(nèi)外槳的負荷差要盡量小，設(shè)計槳要符合高效、低空泡和低噪聲的要求。

內(nèi)外槳差異化設(shè)計分析：由于內(nèi)槳的伴流分數(shù)要高于外槳，從減小螺旋槳引起的振動噪聲來看，內(nèi)槳的側(cè)斜角度應(yīng)比外槳大，內(nèi)槳的盤面比也應(yīng)比外槳大；從船的三維模型中量得內(nèi)槳槳軸與船體的間隙要小于外槳，從減小螺旋槳引起的脈動壓力角度看，內(nèi)槳的縱傾應(yīng)比外槳大，以增大內(nèi)槳葉梢與船艉的間隙；由于內(nèi)外槳的運轉(zhuǎn)條件不同，為達到減小負荷差的目的，內(nèi)外槳的螺距、拱度、厚度以及翼型剖面也應(yīng)不同?？紤]到強度條件，由于內(nèi)槳的盤面比、側(cè)斜和縱傾要設(shè)計得高于外槳，在轉(zhuǎn)速相同的情況下內(nèi)槳的應(yīng)力水平要明顯高于外槳。那么，為保證內(nèi)槳槳葉與外槳有相同的強度特性，內(nèi)槳的槳葉厚度應(yīng)設(shè)計得高于外槳。內(nèi)外槳的盤面比、螺距、拱度、厚度以及翼型剖面的不同可以通過在升力線和升力面設(shè)計程序輸入不同的設(shè)計參數(shù)來控制。由于目前螺旋槳理論設(shè)計方法還無法設(shè)計螺旋槳的側(cè)斜和縱傾進行設(shè)計，因此側(cè)斜和縱傾需要通過定性分析得到，比如對伴流場和船槳間隙分析。

總結(jié)以上內(nèi)外槳的設(shè)計要求，采用本文所開發(fā)的螺旋槳差異化理論設(shè)計系統(tǒng)，開展內(nèi)外槳的差異化設(shè)計。對設(shè)計槳的梢部進行卸載，使其對減小梢渦有利。在設(shè)計過程中，為滿足內(nèi)外槳設(shè)計的總要求，螺旋槳差異化理論設(shè)計系統(tǒng)自動進行設(shè)計參數(shù)的調(diào)整，直至設(shè)計結(jié)果滿足迭代結(jié)束。當然，為了避免出現(xiàn)槳的形狀定性的分析結(jié)果，也對幾何參數(shù)范圍進行了限定。最終確定內(nèi)外槳的設(shè)計參數(shù)如表6所示。

表6 內(nèi)外槳幾何參數(shù)

最終設(shè)計得到內(nèi)外槳的主要參數(shù)如表7所示，內(nèi)外槳的外形輪廓圖如圖5所示。由表7可知，內(nèi)外槳設(shè)計盤面比較大，對減小空泡、噪聲有利。 而且內(nèi)外槳的葉根和葉梢處的螺距比較小、弦長比較大，這對減小梢渦和轂渦有利。

表7 內(nèi)外槳的幾何參數(shù)

圖5 內(nèi)外槳設(shè)計的外輪廓圖Fig.5 Profile of inner and outside design propeller

基于定常面元法計算內(nèi)外槳的敞水性能如圖6所示。由圖6可知，內(nèi)槳在設(shè)計點的的效率可達到0.672，最大效率達到0.68。在轉(zhuǎn)速為200 r/min工況下，可產(chǎn)生1 470 612.0 N的推力，轉(zhuǎn)矩為1 360 308 N·m，所需功率為38 781.05 kW。假設(shè)主機傳送效率為0.95且主機有10%的功率儲備，得到主機發(fā)出的功率不得低于45 357.95 kW，未超過主機的額定功率5.5萬kW。外槳在設(shè)計點的的效率可達到0.676，最大效率達到0.68。在轉(zhuǎn)速為200 r/min工況下，可產(chǎn)生1 340.409 N的推力，轉(zhuǎn)矩為1.368×106kW，所需功率為28 523.45 kW。假設(shè)主機傳送效率為0.95且主機有10%的功率儲備，得到主機發(fā)出的功率不得低于33 487.04 kW，未超過主機的額定功率40 452.5 kW。

圖6 外槳敞水性能曲線Fig.6 Open water performance curves of outside propeller

3 設(shè)計效果分析

3.1 基于勢流理論的差異化設(shè)計槳效果分析

基于勢流理論計算了差異化設(shè)計內(nèi)外槳在轉(zhuǎn)速200 r/min且伴流分數(shù)下的推力與轉(zhuǎn)矩值，如表8所示。由表8可知，內(nèi)外槳產(chǎn)生的總推力為2.811×106N，大于設(shè)計條件要求的2.745×106N，推力滿足要求。內(nèi)外槳的負荷差為0.58%，可見通過螺旋槳差異化設(shè)計達到了減小負荷差的目的。在考慮到主機功率儲備和軸系效率條件下，內(nèi)槳要求主機發(fā)出的功率不得低于33 360.76 kW，外槳要求主機發(fā)出的功率不得低于33 487.04 kW，內(nèi)外槳所需的主機發(fā)出功率均未超過主機的額定功率44 452.5 kW。

表8 差異化設(shè)計效果

3.2 基于CFD計算的差異化設(shè)計槳的效果分析

3.2.1 最大航速下差異化效果

將差異化內(nèi)外設(shè)計槳和船體進行匹配，采用CFD方法開展船槳一體水動力性能計算。表9所示為最大航速30 kn、轉(zhuǎn)速為200 r/min時，船體阻力和船后螺旋槳的性能計算結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，內(nèi)外槳總推力略大于船體阻力，推力滿足航速要求。2.2節(jié)計算得到初始化設(shè)計槳的內(nèi)外槳的負荷差為11.9%。與初始化設(shè)計槳相比，差異化設(shè)計內(nèi)外槳負荷差減小到了0.61%?？梢姡ㄟ^螺旋槳差異化設(shè)計，在內(nèi)外槳總推力滿足要求的條件下，達到了減小內(nèi)外槳的負荷差的效果。

表9 船體阻力和船后螺旋槳性能數(shù)值計算結(jié)果(30 kn，差異化設(shè)計槳)

Table 9 Numerical calculation of hull resistance and propeller performance (30 kn， differential design propeller)

參數(shù)計算值半船粘性阻力/N2.139×106半船興波阻力/N0.663×106實船興波阻力/N2.803×106內(nèi)后槳推力/N1.47×106內(nèi)后槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.36×106外前槳推力/N1.341×106外前槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.368×106內(nèi)外槳總推力/N2.808×106內(nèi)外槳負荷差/%0.61

圖7和8分別是初始化設(shè)計槳和差異化設(shè)計的內(nèi)后槳和外前槳緊前方無量綱軸向速度云圖，二者速度分布基本一致，無明顯區(qū)別。由此可知，內(nèi)外槳差異化設(shè)計后，并沒有改變槳前伴流環(huán)境，內(nèi)外槳負荷差縮小主要是因為內(nèi)外槳差異化得到結(jié)果。

3.2.2 其他航速下負荷分配情況分析

應(yīng)用上述差異化設(shè)計槳，開展船舶方案在18 kn、24 kn航速下內(nèi)外槳負荷分配情況分析。本文通過面元法初步判定得到船舶在18 kn航速下對應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速為125 r/min；船舶在24 kn航速下對應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速為164 r/min。

圖7 無量綱軸向速度(30 kn，初始化設(shè)計槳)Fig.7 Non-dimensional axial velocity (30 kn， initiall design propeller)

圖8 無量綱軸向速度(30 kn，差異化設(shè)計槳)Fig.8 Non-dimensional axial velocity (30 kn， differential design propeller)

表10為航速18 kn、內(nèi)外槳125 r/min時以及航速24 kn、內(nèi)外槳164 r/min初始化設(shè)計槳和差異化設(shè)計槳的船體阻力和船后螺旋槳性能計算結(jié)果。

表10 船體阻力和船后螺旋槳性能數(shù)值計算結(jié)果

Table 10 Numerical calculation of hull resistance and propeller performance

初始化設(shè)計槳差異化設(shè)計槳18kn24kn18kn24kn半船粘性阻力/N1.197×1061.818×1061.228×1061.849×106半船興波阻力/N0.105×1060.105×1060.207×1060.200×106半船總阻力/N1.302×1061.333×1062.025×1062.055×106內(nèi)后槳推力/N0.725×1060.701×1061.219×1061.16×106內(nèi)后槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.69×1060.653×1061.168×1061.148×106外前槳推力/N0.583×1060.665×1060.957×1061.136×106外前槳轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.601×1060.691×1061.022×1061.191×106內(nèi)外槳總推力/N1.309×1061.365×1062.175×1062.296×106內(nèi)外槳負荷差/%13.85.6513.33.68

從表10可知，當船速為18 kn時，初始化和差異化設(shè)計內(nèi)外槳總推力均大于船體阻力，滿足航速要求。但是，初始化設(shè)計槳的內(nèi)外槳的負荷差為13.8%，而差異化設(shè)計內(nèi)外槳負荷差減小為5.65%。當船速為24 kn時，初始化和差異化設(shè)計內(nèi)外槳總推力均大于船體阻力，滿足航速要求。但是，初始化設(shè)計槳的內(nèi)外槳的負荷差為13.3%，而差異化設(shè)計內(nèi)外槳負荷差減小為3.68%。

綜上所述，通過螺旋槳的差異化設(shè)計控制四槳船舶負荷均衡是可行的，在一定的航速范圍內(nèi)內(nèi)外槳的負荷差均得到有效的控制。但是，差異化設(shè)計槳在18節(jié)、24節(jié)航速下螺旋槳負荷均衡的效果要比最大航速30節(jié)有所減小。

4 結(jié)論

1)基于CFD技術(shù)和等推力法，預(yù)報船槳一體的內(nèi)外槳的伴流分數(shù)，得到四槳船舶內(nèi)后槳的伴流分數(shù)比外前槳的大。

2)在螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速一定的條件下，改變螺旋槳的幾何參數(shù)，對內(nèi)后槳和外前槳緊前方的伴流環(huán)境影響較小。

3)本文所建立的螺旋槳差異化理論設(shè)計方法是可行的，在最大設(shè)計航速下，內(nèi)外差異化設(shè)計槳的總推力滿足設(shè)計要求，負荷差由初步設(shè)計時的11.9%減小為0.61%左右，且在一定的航速范圍內(nèi)均達到了較好的負荷均衡效果。

目前，由公開資料可知我國對四槳船舶推進設(shè)計的經(jīng)驗缺乏，本文對其螺旋槳差異化設(shè)計進行探討，可提供有關(guān)部門作為四槳船舶螺旋槳設(shè)計的參考。由于本文只是在最大航速下開展螺旋槳差異化設(shè)計的，其他航速下雖然取得了一定的負荷均衡效果，但負荷差依然較大。因此，有必要對設(shè)計方法進一步改進，開展多工況下的四槳船舶螺旋槳差異化設(shè)計研究。

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本文引用格式：

葉禮裕， 常欣， 孫帥，等. 四槳船舶螺旋槳差異化設(shè)計[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2017， 38(5)： 668-675.

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Differential propeller design for four-propeller ship

YE Liyu， CHANG Xin， SUN Shuai， WANG Chao， ZHANG Hongyu

(College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

To reduce the load difference between the inside and outside propeller of a four-propeller ship， a differentiated theoretical design method on the propeller was developed. First， the initialized design on the inside and outside propeller was performed， the total thrust deduction fraction of the integrated ship and propeller and the wake fraction of the inside and outside propeller were predicted by applying CFD technology and the equal-thrust method; second， by combining the theoretical design method and panel method on the propeller， a differentiated theoretical design system on the propeller was established; and finally， taking a four-propeller ship as an example， the method in this paper was applied to perform a differentiated design on the inside and outside propeller at the maximum speed; in addition， the design effects at different navigation speeds were analyzed. The results show that the total thrust meets the design requirements， the load difference decreases from 11.9% at the preliminary design to 0.61%; moreover， the load difference decreases from 13.8% and 13.3% at the preliminary design to 5.65% and 3.68%， respectively， for navigation speeds of 18kn and 25kn. The method presented in this paper can decrease the load difference between inside and outside propellers, which provides a new idea for the design of four-propeller ships.

four-propeller ship; propeller; preliminary design; differentiated design; load difference; equal-thrust method; ship resistance; interference factor

2015-12-28.

日期：2017-04-26.

國家自然科學(xué)基金項目(51379040、51679052).

葉禮裕(1989-)， 男，博士研究生； 常欣(1978-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師; 張洪雨(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

常欣，E-mail: changxin@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu. 201512089

U661.31

A

1006-7043(2017)05-0668-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1031.008.html