陳婷婷 竇增明

（蘇州船用動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司 蘇州215126）

可調(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器推力測(cè)量方法

陳婷婷 竇增明

（蘇州船用動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司 蘇州215126）

通過(guò)工程常用的兩種經(jīng)驗(yàn)方法估算某型船用可調(diào)螺距側(cè)推的系泊最大推力，同時(shí)建立側(cè)向推進(jìn)器敞水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)試驗(yàn)方法獲得系泊狀態(tài)不同螺距下的水動(dòng)力敞水性能，對(duì)實(shí)尺度不同螺距情況下的側(cè)向推進(jìn)器推力和收到功率進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而得出系泊狀態(tài)的最大推力。文章定義了船用側(cè)推裝置的“標(biāo)準(zhǔn)槽道”和側(cè)推裝置的“名義推力”，并對(duì)上述三種推力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與說(shuō)明。

側(cè)向推進(jìn)器；可調(diào)螺距；試驗(yàn)?zāi)Ｐ停粯?biāo)準(zhǔn)槽道；名義推力；系泊最大推力

引 言

隨著船舶大型化、高速化發(fā)展，側(cè)向推進(jìn)器日益廣泛使用，對(duì)其要求也越來(lái)越多。不但推力要求越來(lái)越大，還對(duì)動(dòng)力定位能力、減振降噪等綜合性能要求提出更高要求。

船用側(cè)向推進(jìn)器主要安裝在船體（船首或船尾）的橫向槽道中，可視為是一個(gè)高流量、低壓頭的軸流泵［1］，一般以系泊最大推力為基本考核指標(biāo)?？烧{(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器可以在不改變主機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，通過(guò)改變槳葉的螺距大小來(lái)改變推力，從而適應(yīng)船舶的航行狀態(tài)。在現(xiàn)代化船舶中，特別是動(dòng)力定位的船舶中可調(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

本文利用經(jīng)驗(yàn)估算，從工程角度得到某型船用可調(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器的系泊最大推力，建立側(cè)向推進(jìn)器試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟm用于固定螺距側(cè)推和可調(diào)螺距側(cè)推等）；通過(guò)系泊狀態(tài)不同螺距比的敞水性能試驗(yàn)，對(duì)實(shí)尺度側(cè)推在不同螺距下的系泊最大推力和收到功率進(jìn)行預(yù)報(bào)，確定其在對(duì)應(yīng)工況下“標(biāo)準(zhǔn)槽道”時(shí)的系泊最大推力，定義了船用側(cè)推的“名義推力”，并對(duì)工程估算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 項(xiàng)目概述

該型船舶采用可調(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器。因螺旋槳總是一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而左右舷的推力要求基本保持一致，故槳葉設(shè)計(jì)需采用零初始螺距和對(duì)稱(chēng)葉形。并且，為盡量減少空化的發(fā)生，改善側(cè)推工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲，故在槳葉設(shè)計(jì)時(shí)采用平衡式側(cè)斜槳葉。

項(xiàng)目主要參數(shù)如下：

主機(jī)額定功率 2000 kW

螺旋槳轉(zhuǎn)速 243 r/min

螺旋槳直徑 2800mm

螺旋槳葉數(shù) 4葉

側(cè)斜角 ～32°

螺旋槳葉梢距離槽道內(nèi)壁距離 18mm

2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算側(cè)推推力

在側(cè)向推進(jìn)器選型之初，需要確定推進(jìn)器的系泊最大推力參數(shù)。針對(duì)不同的使用要求，總體設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)船型、船舶主尺度和所需承受的最大風(fēng)速及海況等因素、利用水線以上船的側(cè)面積及水線以下船的側(cè)面積來(lái)計(jì)算所需的側(cè)推系泊最大推力［2］，設(shè)備廠商則根據(jù)這個(gè)推力要求進(jìn)行具體的參數(shù)設(shè)計(jì)。

目前在國(guó)際上對(duì)側(cè)推裝置的系泊最大推力，均習(xí)慣通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算或者由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。

行業(yè)內(nèi)工程估算所用側(cè)推的系泊最大推力約為0.13～0.16 kN/kW，具體取值因船體槽道長(zhǎng)度以及開(kāi)口形狀等會(huì)有不同。取中間值0.145 kN /kW，則該型側(cè)推在2000 kW功率下，系泊最大推力約為290 kN。

工程計(jì)算用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式［3］如下：

式中：T為系泊狀態(tài)推力，kN； k為計(jì)算系數(shù)，軸轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速，側(cè)推運(yùn)行接近全功率時(shí)，k≥0.97；D為螺旋槳直徑，m； PD為螺旋槳收到功率，kW。

對(duì)于該項(xiàng)目的可調(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器系數(shù)取最低（k = 0.97），在2000 kW額定功率下，考慮電機(jī)效率、齒輪傳動(dòng)等，取總效率為96%，根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，該可調(diào)螺距側(cè)推系泊最大計(jì)算推力可達(dá)298 kN。

3 試驗(yàn)方法測(cè)量側(cè)推推力

作為分析螺旋槳性能較為簡(jiǎn)便的方法，船舶螺旋槳模型試驗(yàn)對(duì)于研究螺旋槳的水動(dòng)力性能十分重要。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

由于側(cè)向推進(jìn)器槽道直徑不變，螺旋槳前后水流速度沒(méi)有增加，而槽道入口的形狀引起流速增加，使入口處周?chē)鷫毫p小，從而增加螺旋槳推力。因此槽道入口的形狀直接影響螺旋槳推力的大小。隨著槽道長(zhǎng)度的增加，摩擦損耗增加，一般建議槽道長(zhǎng)度以螺旋槳直徑長(zhǎng)度的2～3倍為最佳。與此同時(shí)，為避免空氣吸入，一般建議槽道開(kāi)口上邊緣到水面距離不小于1/2螺旋槳直徑，且為避免環(huán)流，槽道下邊緣到龍骨距離不能太?。?］。

綜合考慮上述因素，我們將槽道入口處開(kāi)口設(shè)計(jì)成形狀倒圓角，建議取用倒圓半徑0.1倍螺旋槳直徑，同時(shí)為避開(kāi)船體線型的影響，我們選取槽道長(zhǎng)度，外形高度及外形寬度均為2倍螺旋槳直徑的正方形腔體，建立“標(biāo)準(zhǔn)槽道”內(nèi)可調(diào)螺距側(cè)推的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停J(rèn)為該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)下測(cè)得的系泊最大推力為側(cè)推的“名義推力”［4］，即：船用側(cè)向推進(jìn)器的總推力由螺旋槳裝置推力及“標(biāo)準(zhǔn)槽道”推力組成。

受試驗(yàn)條件限制，螺旋槳槳葉模型取直徑為250mm的可調(diào)螺距螺旋槳，按照同樣的縮尺比加工附體模型，具體包括導(dǎo)流帽、槳轂體、齒輪箱、支柱等在內(nèi)的對(duì)流體型線有影響的整個(gè)側(cè)向推進(jìn)器的整個(gè)水下裝置?？烧{(diào)槳裝置模型見(jiàn)圖1（即槳葉與附體模型）。“標(biāo)準(zhǔn)槽道”按上述要求取長(zhǎng)度、高度、寬度分別為500mm的正方體，并按縮尺比加工槽道內(nèi)腔253.2mm，進(jìn)出口倒圓角R = 25mm（R為倒圓半徑）。為避免試驗(yàn)中流體分離，對(duì)于槽道模型的其他邊沿部分按照R = 25mm光順倒圓（槽道模型見(jiàn)圖2）。

將可調(diào)槳裝置模型的重心與槽道模型長(zhǎng)度方向的幾何中心重合，建立了側(cè)向推進(jìn)器裝置推力測(cè)量的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▍⒁?jiàn)圖3），分別測(cè)量螺旋槳裝置推力及“標(biāo)準(zhǔn)槽道”推力。兩者推力總和即為該側(cè)向推進(jìn)器裝置的“名義推力”。

需要強(qiáng)調(diào)的是該試驗(yàn)方法適合可調(diào)螺距側(cè)推和固定螺距側(cè)推［4］。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)分別選取4個(gè)模型開(kāi)展系泊狀態(tài)下的水動(dòng)力測(cè)量（螺距角θ分別為0°、10°、18°、25°）。試驗(yàn)中固定螺旋槳轉(zhuǎn)速，改變拖車(chē)速度，記錄車(chē)速、螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺旋槳推力、螺旋槳扭矩和槽道推力，所測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)CB/T346-1997“螺旋槳模型敞水試驗(yàn)方法”無(wú)量綱處理并根據(jù)1978年ITTC推薦的修正方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)槳修正，得到各參量無(wú)量綱系數(shù)。

各個(gè)無(wú)量綱系數(shù)可表示如下［5］：

式中：TP為螺旋槳推力，kN；TD為槽道推力，kN；ρ為水的密度，kgf·s2/m4；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；Q為螺旋槳扭矩，kN·m。

各螺距角下的無(wú)量綱水動(dòng)力特征數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1，水動(dòng)力特性曲線見(jiàn)下頁(yè)圖4。

表1 系泊狀態(tài)側(cè)推水動(dòng)力特征數(shù)據(jù)

對(duì)于非0螺距的模型數(shù)據(jù)，分析導(dǎo)管的推力對(duì)總推力的貢獻(xiàn)。當(dāng)螺距角位于10°時(shí)，導(dǎo)管推力占裝置總推力36.34%；當(dāng)螺距角位于18°和25°時(shí)，該比例分別為41.36% 和40.42%。這與之前對(duì)于側(cè)向推進(jìn)器推力組成的認(rèn)識(shí)基本一致［3］。

引入下列公式：

式中：T為推進(jìn)器總推力，kN；PD為螺旋槳收到功率，kW。

得出無(wú)量綱系數(shù)后，根據(jù)實(shí)尺度側(cè)向推進(jìn)器參數(shù)，當(dāng)槳葉直徑為2.8m，螺旋槳轉(zhuǎn)速為243 r/min時(shí)，在系泊狀態(tài)下該側(cè)向推進(jìn)器不同螺距下的推力和螺旋槳收到功率預(yù)估結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 系泊狀態(tài)實(shí)尺度側(cè)向推進(jìn)器水動(dòng)力評(píng)估結(jié)果

對(duì)上述評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，考慮電機(jī)本身效率、齒輪傳動(dòng)損失等，取總傳遞效率為96%，得出在2000 kW額定功率下，系泊狀態(tài)該側(cè)向推進(jìn)器的總推力可達(dá)309.1 kN。

4 結(jié) 論

經(jīng)驗(yàn)估算中，側(cè)向推進(jìn)器的系泊最大推力受航行海域、船體線型、槽道長(zhǎng)度、開(kāi)口形狀大小等因素影響，估算結(jié)果為區(qū)域值。

經(jīng)驗(yàn)公式中k為計(jì)算系數(shù)，推力計(jì)算中僅考慮螺旋槳直徑和螺旋槳收到功率兩個(gè)因素，未計(jì)及螺旋槳轉(zhuǎn)速等影響，計(jì)算結(jié)果為參考值。

本文建立船用側(cè)向推進(jìn)器的推力測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)相并機(jī)構(gòu)進(jìn)行敞水試驗(yàn)，得出實(shí)尺度該型側(cè)向推進(jìn)器的系泊最大推力值。

對(duì)比三者數(shù)據(jù)可以看出：估算推力比試驗(yàn)推力約少6%；經(jīng)驗(yàn)公式所得推力比試驗(yàn)推力約少4%。三者均能有效得出側(cè)向推進(jìn)器的系泊最大推力。側(cè)向推進(jìn)器裝船后，船體線型、槽道長(zhǎng)度及開(kāi)口形式大小、葉梢間隙、格柵等對(duì)推力影響都很大，且船舶在實(shí)際航行時(shí)還受到海況、風(fēng)力等因素影響，推力也會(huì)不同，即使有動(dòng)力定位要求也還需要通過(guò)實(shí)際使用情況進(jìn)行實(shí)船調(diào)整。因此，作為工程用經(jīng)驗(yàn)公式，估算推力及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算推力可滿(mǎn)足項(xiàng)目總體估算要求，可較好用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。而要獲得某型側(cè)推的具體“名義推力”或者動(dòng)力定位初步數(shù)據(jù)，則需通過(guò)試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行實(shí)尺度換算，最終在實(shí)船中調(diào)整確認(rèn)。

［1］ 蘇興翹，高士奇，黃衍順. 船舶操縱性［M］. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

［2］ 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)［M］. 3版. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［3］ 簡(jiǎn)·托因布拉德. 船用螺旋槳與船舶推進(jìn)［M］.瑞典：［s.n.］. 1993.

［4］ 陳婷婷. 船舶側(cè)向推進(jìn)器推力測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ停跴］. 中國(guó)：ZL 201520872542.8，2015.11.

［5］ 盛振邦，劉應(yīng)中. 船舶原理［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

On thrust measurement of controllable pitch tunnel thruster

CHEN Ting-ting DOU Zeng-ming
(SMMCmarine drivesystem (Suzhou) CO., Ltd.,suzhou 215126, China)

The maximum mooring thrust of the controllable pitch tunnel thruster of aship is estimated by the two empirical methods that are commonly used in engineering. The open water test model of the tunnel thruster is established to obtain the open-water hydrodynamic performance of the tunnel thruster under the different pitch at the mooring condition by conducting the open water model tests. The thrust and delivered power of the full scale tunnel thruster under the different pitch are then predicted to calculate the maximum mooring thrust of the tunnel thruster. It defines the “standard tunnel” and the “theoretical force” of the marine tunnel thruster, and also compares and introduces the three kinds of thrust.

tunnel thruster; controllable pitch; test model;standard tunnel; theoretical force;maximum mooring thrust

U664.2

A

1001-9855（2017）05-0061-04

2017-03-02；

2017-03-22

陳婷婷（1984-），女，碩士，工程師。研究方向：船用螺旋槳設(shè)計(jì)與研究。竇增明（1960-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶動(dòng)力系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.061