苗飛，黃國富，黃樹權(quán)

(中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011)

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前置預旋定子的剖面設計

苗飛，黃國富，黃樹權(quán)

(中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011)

分析前置預旋定子葉剖面阻力特性，提出一種新型的葉剖面設計方法，基于CFD數(shù)值計算，給出葉剖面翼型的水動力性能圖譜，以一艘常規(guī)散貨船為目標開展基于新型葉剖面的前置預旋定子方案設計。船模試驗證實設計方案的可行性。

前置預旋定子；剖面設計；船舶尾流場；CFD；節(jié)能裝置

隨著船舶能效指數(shù)(EEDI)的實施，對降低船舶油耗和碳排放的要求越來越高。在船上加裝水動力節(jié)能裝置成為重要的技術(shù)解決方案之一。前置預旋定子[1-2](pre-swirl stator)是一型由若干個周向布置的葉片組成的槳前節(jié)能裝置。相關試驗研究表明，其節(jié)能效果可達3%～6%[3-4]。對前置預旋定子而言，葉剖面形狀是重要的設計參數(shù)，從工程上易于加工角度考慮，常規(guī)的定子壓力面的剖面形狀多采用平的，但其預旋效果略差。為此，考慮定子葉片阻力特性，提出一種新型的定子葉剖面設計方法，以一艘常規(guī)散貨船為例開展了前置預旋定子的方案設計，最后進行了模型試驗驗證。

1 阻力特性分析

從能量平衡的角度來看，采用前置預旋定子的目的是為了減少槳后流場的旋轉(zhuǎn)動能，由前置預旋定子誘導的旋轉(zhuǎn)尾流削弱了由螺旋槳誘導產(chǎn)生的更大強度的反向旋轉(zhuǎn)水流，因而降低了尾流場的旋轉(zhuǎn)能量損失。

為使前置預旋定子葉片產(chǎn)生預旋，須給予葉片一定的進流角度。前置預旋定子葉剖面的速度三角形如圖1所示，這里指定軸向方向以沿著前置預旋定子的來流方向指向下游為正，切向方向以逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正。

Va,Vt-軸向進流速度和切向進流速度；W-合成速度；βi-水動力進角，α-進流攻角；L，D-葉剖面的升力和阻力；Ft-葉剖面所受切向力；Fx-葉剖面所受軸向力，也即合成阻力圖1 前置預旋定子葉剖面速度三角形

Fx在左右弦有所差異。

左舷

(1)

右舷

(2)

由式(1)、式(2)可見，對左舷的定子葉片來說，葉剖面的升力L對合成阻力Fx起著削弱的作用，而阻力D的增加則會增大Fx。當前置預旋定子葉剖面的升力在軸向的分量足夠大時，葉剖面甚至可以產(chǎn)生推力。而對右舷的定子葉片而言，剖面的升力L和阻力D都起著增大Fx的作用。通常情況下，在左舷會布置較多的定子葉片。因此，就前置預旋定子整體而言，選擇升阻比較大的葉剖面形式將有利于減小前置預旋定子葉片上的阻力。本文設計的前置預旋定子即基于這一原則來選取葉剖面形狀。

2 葉剖面翼型的水動力性能圖譜

由升力線理論設計計算結(jié)果可得出葉剖面的升力系數(shù)，但升力系數(shù)一定且具有最大升阻比的葉剖面形式仍多種多樣，因此有必要根據(jù)二維翼型的水動力性能圖譜最終確定葉剖面形狀。由于缺乏試驗資料，采用數(shù)值方法建立前置預旋定子葉剖面翼型的水動力性能圖譜，以此來確定具有最大升阻比的葉剖面的形狀參數(shù)。

葉剖面選用NACA66 moda=0.8翼型，翼型厚度比取為0.13。為驗證計算網(wǎng)格的合理性及數(shù)值計算方法的準確性，選擇與前置預旋定子剖面翼型相接近的且有試驗結(jié)果的NACA661-212翼型為對象進行計算，以便與試驗數(shù)據(jù)比較。

計算域如圖2所示，整個計算域采用C形貼體網(wǎng)格，為保證對近壁面處復雜流動的計算精度，近壁面的第一層網(wǎng)格距離翼型表面的距離取為弦長的10-5量級[5]，并對翼型的前緣和尾緣處進行局部加密，經(jīng)網(wǎng)格收斂性檢查后，選取的計算網(wǎng)格數(shù)約為5萬。入口給定速度進口；出口設定自由出流；翼型表面設為無滑移固壁邊界條件。計算的雷諾數(shù)為Re=9×106。

圖2 計算域示意

圖3給出了CFD計算的翼型升力系數(shù)與模型試驗結(jié)果的比較。由圖3可見，在來流攻角較小時，CFD計算所得的升力系數(shù)和試驗值吻合較好。升力系數(shù)與試驗值的偏差隨著來流攻角的增加逐漸增大，這可能是由于翼型壁面粘性效應所導致的?？偟膩碚f，數(shù)值計算結(jié)果具有可信度。

圖3 升力系數(shù)比較

通過改變拱度比計算不同來流攻角下翼型的水動力性能，可得到升力系數(shù)曲線和升阻比曲線，插值可得不同升力系數(shù)對應的最大升阻比及相應的攻角和拱度比，結(jié)果見圖4。從圖4c)可以看出，在升力系數(shù)CL<1.2的范圍內(nèi)，具有最大升阻比的葉剖面拱度比可取0.030～0.035。根據(jù)此圖譜，可配置前置預旋定子各葉片的剖面。

圖4 前置預旋定子葉剖面翼型的水動力性能圖譜

3 設計流程和試驗驗證

選用一艘常規(guī)散貨船進行前置預旋定子設計。該散貨船船體及螺旋槳的主參數(shù)見表1。

表1 船體與螺旋槳的主參數(shù)

船體和螺旋槳的三維模型見圖5。前置預旋定子方案采用自編的升力線設計程序理論設計優(yōu)選所得，剖面形狀根據(jù)上述圖譜配置，前置預旋定子的方案設計過程可見圖6。

圖5 船體和螺旋槳的三維幾何模型

圖6 前置預旋定子設計流程

1)螺旋槳尾流中各半徑處的切向速度平均值可用該半徑下沿周向的環(huán)量值來表示，因此，根據(jù)螺旋槳尾流場的環(huán)量來確定前置預旋定子的設計環(huán)量。

根據(jù)不帶前置預旋定子的船體CFD自航計算結(jié)果可得螺旋槳進、出口截面處的環(huán)量分布，則2者差值G2(r)-G1(r)可視為前置預旋定子總的參考設計環(huán)量分布G(r)，其中G1(r)為螺旋槳進口截面處的環(huán)量分布，G2(r)為螺旋槳出口處的環(huán)量分布。

2)由于伴流場的非均勻性，前置預旋定子各葉片所處的伴流情況不同，付出的阻力代價與得到的預旋收益之比也不相同。因此，每個葉片需采用的設計環(huán)量也不相同，有利位置上的葉片應多承擔負荷，不利位置上的葉片應少承擔負荷。采用環(huán)量加權(quán)因子的方法給定各葉片的環(huán)量分布。

設第i(i=1,2,3,4)號葉片的環(huán)量分布為Gsi(r)，則

(3)

式中：ki為i號葉片的環(huán)量加權(quán)因子。

3)由升力線設計程序得到的前置預旋定子葉剖面的升力系數(shù)按照圖4的“圖譜”內(nèi)插得到各剖面的攻角α和拱度比c/b。由攻角α和剖面的水動力進角βi可得前置預旋定子各剖面的安裝角θ；對于左舷的前置預旋定子葉剖面，安裝角θ=(π/2-βi)-α；對于右舷的前置預旋定子葉剖面，安裝角θ=(π/2-βi)+α。

4)由葉剖面的拱度比和已知的厚度比、弦長分布等參數(shù)可得前置預旋定子各剖面的型值，根據(jù)不同半徑處的剖面型值在UG軟件中生成前置預旋定子的三維幾何模型。

5)采用CFD方法數(shù)值評估船體+前置預旋定子方案的水動力性能和定子的節(jié)能效果[6-8]。

表2和圖7分別給出了最終設計方案的定子葉片設計環(huán)量分配和定子葉剖面的流線圖。

表2 前置預旋定子最終方案的設計環(huán)量分配

圖7 定子最終方案葉片各半徑剖面的流線圖(CFD計算結(jié)果，R為螺旋槳半徑)

定子最終設計方案由布置在船體左舷的3個葉片組成。葉片的展長略大于螺旋槳的半徑。前置預旋定子葉片的弦長沿其展長方向呈線性變化，在葉根處，弦長與螺旋槳直徑的比值為0.2，葉梢處為0.1。模型試驗在中國船舶科學研究中心拖曳水池中進行，模型縮尺比為1∶30，見圖8。

圖8 前置預旋定子模型和試驗安裝

表3給出了船模自航試驗結(jié)果，其中PD1和PD0分別為帶與不帶前置預旋定子下的船后螺旋槳收到功率。由表3可見，加裝前置預旋定子后，從自航結(jié)果來看，船后螺旋槳的收到功率有了一定程度的下降。在設計航速(Vm=1.362 m/s)下，收到功率下降了4.54%，即前置預旋定子的節(jié)能效果為4.54%，節(jié)能效果較好，說明了前置預旋定子設計方案的可行性。

表3 模型自航試驗預報的前置預旋定子的節(jié)能效果

4 結(jié)論

1)提出了一種新型的定子剖面設計方法：定子葉剖面應選擇升阻比較大的剖面形式，有利于提高其預旋效果；

2)采用CFD數(shù)值方法建立了定子葉剖面翼型的水動力性能圖譜，可供設計之用；

3)以一艘常規(guī)散貨船為對象，基于新型葉剖面形狀開展了前置預旋定子的方案設計并進行了模型試驗驗證，試驗結(jié)果顯示設計方案在設計點處具有4.54%的節(jié)能效果，表明了該剖面設計方法的可行性。

該剖面設計方法對前置預旋定子的工程設計具有一定的參考意義。

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Studies on the Profile Design of Pre-swirl Stator

MIAO Fei, HUANG Guo-fu, HUANG Shu-quan

(China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China)

A new design method of the profile of pre-swirl stator was put forward based on the analysis on resistance characteristics of the profile. By CFD simulation, a set of hydrodynamic performance charts were developed, which can be applied to the design of pre-swirl stator for bulk carriers. The model tests were carried out to validate the performance of pre-swirl stator design, showing that the energy saving effect of the pre-swirl design for the bulk carrier is 4.54%.

pre-swirl stator; profile design; ship stern flow; CFD calculation; energy-saving device

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.029

2016-10-11

苗飛(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶推進理論及設計技術(shù)

U662

A

1671-7953(2017)04-0130-04

修回日期：2016-10-28