武 珅 ， 曾志波 ， 張國平

（中國船舶科學研究中心a.船舶振動噪聲重點實驗室；b.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

近年來，隨著全球氣候變暖和北極航道開通，冰區(qū)船舶的設計和建造快速發(fā)展。對于冰區(qū)航行船舶的推進系統(tǒng)而言，需要產(chǎn)生強大推力以克服船舶冰阻和操縱多自由度運動，具體到螺旋槳除了滿足結(jié)構(gòu)強度要求保證冰區(qū)環(huán)境運行安全外，還需要適應冰水混合工作環(huán)境以滿足水動力、空泡和振動等性能要求。極地船舶在冰區(qū)航行時，螺旋槳多工作于低進速的重載負荷工況，而且在螺旋槳進流場中還存在碎冰塊的阻塞作用，造成螺旋槳的水動力和空泡性能惡化，進而影響到整個船舶的冰區(qū)航行性能。因此，開展冰水混合環(huán)境下的螺旋槳水動力性能研究，對正確認識冰槳作用機理和冰區(qū)環(huán)境下的螺旋槳性能預報具有重要意義。

由于冰槳相互作用經(jīng)歷堵塞、碰撞和銑削的復雜過程，在早期多是從螺旋槳冰區(qū)運行的安全角度出發(fā)開展槳葉結(jié)構(gòu)強度的設計研究工作，形成了諸如“芬蘭—瑞典冰級規(guī)則”[1]等冰級螺旋槳的強度校核方法和規(guī)范，而對冰區(qū)環(huán)境下的螺旋槳水動力性能研究相對較少。冰介質(zhì)的引入增加了冰級螺旋槳水動力性能的分析難度，在國際上多采用冰槳模型試驗的手段開展。加拿大海洋技術(shù)研究所采用人工冷凍技術(shù)制備了試驗模型冰并應用于冰水池模型試驗中，選用加拿大海岸警衛(wèi)隊R-Class號破冰船吊艙推進器的縮比模型，在冰水池中進行了拉式和推式不同工況下的吊艙推進器螺旋槳推力和扭矩特性測試，研究了冰槳作用載荷隨螺旋槳運轉(zhuǎn)條件的變化[2-4]。荷蘭MARIN水池在室溫條件下采用“熱冰”模型進行了冰槳作用模型試驗，測量了冰槳作用過程中吊艙推進器單葉片六分力隨時間的變化情況[5]。

雖然在冰水池可進行典型的冰區(qū)船模阻力試驗和螺旋槳性能試驗，但是冰水池通常處于常壓大氣環(huán)境，很難達到推進器的工作環(huán)境壓力即難以模擬冰水混合下的螺旋槳空化環(huán)境，無法得到在減壓環(huán)境受冰槳作用影響的螺旋槳水動力性能。于是，以英國紐卡斯爾大學的愛默生空泡水筒（ECT）實驗室為代表，采用非凍結(jié)模型冰開展了一系列不同空泡數(shù)下的冰槳靠近、碰撞和銑削試驗，以某雙向破冰船吊艙推進器的螺旋槳縮比模型為試驗槳模，研究了空化現(xiàn)象對吊艙推進器在冰阻塞和銑削條件下的水動力影響，并給出了螺旋槳水動力在不同進速和空泡數(shù)下的變化曲線，驗證了槳葉空化效應是研究冰槳作用機理的重要因素[6-8]。Doucet等也在空泡水筒用R-Class破冰船縮比模型槳進行了冰水混合環(huán)境的螺旋槳水動力性能試驗，測量并觀測了螺旋槳在重載工況下出現(xiàn)的推力突降和嚴重的云狀空化現(xiàn)象[9-10]。但由于在不同冰水混合環(huán)境下的冰槳作用程度存在明顯差異，螺旋槳的空化效應更增加了冰槳作用的非均勻性和非定常性，因而尚未能清楚揭示冰槳堵塞逼近的空化效應機理和預估冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳水動力性能。

鑒于此，本文通過模型試驗手段，在空泡水筒設計搭建了冰阻塞模擬環(huán)境、測試系統(tǒng)和試驗槳模，開展了均流和冰阻塞條件下的螺旋槳模型水動力性能對比試驗，重點研究冰槳軸向、垂向間距等冰阻塞參數(shù)對不同運行工況的螺旋槳水動力性能影響，為冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳性能預報提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗模型和試驗設備

1.1 試驗模型

試驗槳模選用文獻[11]中冰區(qū)船舶螺旋槳方案的縮比模型，縮尺比為1:20.56，材料為鋁合金，螺旋槳模型的主參數(shù)如表1所示，圖1給出了試驗槳模照片。

表1 試驗螺旋槳模型主參數(shù)Tab.1 Main parameters of the test propeller model

1.2 前置冰阻塞裝置

圖1 TM1674A螺旋槳模型照片F(xiàn)ig.1 Picture of model propeller TM1674A

為了在空泡水筒中模擬冰阻塞環(huán)境，設計并加工了螺旋槳模型來流前方的冰塊阻塞物模擬模型，如圖2所示。阻塞物模型采用不溶于水的長方體固體物塊模擬，物塊橫截面的寬和高分別為250 mm和125 mm，阻塞物塊殼體的軸向長度為430 mm，在殼體的入流端導圓角進行導流處理，固定支架平分阻塞物寬度，高度約為160 mm。殼體內(nèi)部的滑移物塊可實現(xiàn)0～200 mm的軸向行程，并加工了阻塞物塊相應的軸向驅(qū)動和位移測量系統(tǒng)。

阻塞物塊和槳模在空泡水筒中的安裝照片如圖3所示，固定支架與槳軸中心線在水筒自上向下看成同一直線，固定后的阻塞物塊下端面位于空泡水筒中心上方約60 mm。

圖2 冰塊阻塞物模型照片F(xiàn)ig.2 Picture of ice blockage model

1.3 試驗設備

螺旋槳模型在均流和冰阻塞環(huán)境下的水動力性能試驗在中國船舶科學研究中心空泡水筒中進行。水筒工作段直徑0.8 m，工作段長度3.2 m，水速范圍3～20 m/s，壓力調(diào)整范圍8～400 kPa，最低空泡數(shù)（無模型）0.15。

2 試驗方法

2.1 試驗相似準則

從模型試驗的角度模擬冰阻塞環(huán)境必須滿足相似準則，本次模型試驗從幾何、運動、粘性、空泡和冰阻塞環(huán)境等方面考慮相似關(guān)系，具體如下：

（a） 幾何

按縮尺比1:20.56制造的螺旋槳模型保證了實體和模型的幾何相似。

（b） 運動

通過螺旋槳無量綱的進速系數(shù)J保證運動相似。螺旋槳進速系數(shù)J、推力系數(shù)KT和扭矩系數(shù)KQ的定義如下：

式中：V為試驗水速，T和Q分別為螺旋槳推力和扭矩，ρ為水的密度；n和D分別為螺旋槳轉(zhuǎn)速和直徑。

（c） 粘性

由于在模型試驗中無法滿足雷諾數(shù)相等的條件，要求在0.75R處槳葉切面弦長的雷諾數(shù)Rn（0.75R）超過臨界雷諾數(shù)，即

式中：L0.75R為0.75R處槳葉切面弦長，ν為水的運動粘性系數(shù)。

（d） 空泡數(shù)

通過空泡數(shù)來滿足模型試驗的壓力環(huán)境相似，水速空泡數(shù)σv和轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn分別定義如下：

式中：P為槳軸中心壓力，Pv為飽和蒸汽壓。

（e）冰阻塞環(huán)境

由于本試驗重點在于冰阻塞環(huán)境模擬，對冰塊的模擬采用上述幾何的前置阻塞機構(gòu)，構(gòu)建非接觸的冰塊螺旋槳阻塞環(huán)境，而對于冰槳切削需滿足的冰塊楊氏模量和壓縮失效強度模擬在本試驗中不作要求。

2.2 試驗方法和試驗工況

為了測試冰阻塞環(huán)境對螺旋槳水動力性能影響，首先利用斜流動力儀進行了均流環(huán)境、不同空泡數(shù)下的螺旋槳模型水動力性能測試，試驗工況分為無空泡狀態(tài)和指定空泡數(shù)狀態(tài)。試驗以定水速變轉(zhuǎn)速方式進行，水速定為 4.0 m/s，測試水速空泡數(shù) σv分別為 2.5、3.9、5.0、5.9、7.3和 18.4，進速系數(shù) J從0.35～0.80，ΔJ=0.05。

對于冰阻塞環(huán)境螺旋槳模型水動力性能試驗，在螺旋槳來流前方安裝冰阻塞物驅(qū)動機構(gòu)，采用槳軸中心線和槳盤面作為垂向和軸向的基準位置，分別將阻塞物下端面到槳軸中心距離和阻塞物近槳端面到槳盤面距離定義為冰槳垂向和軸向間距。試驗測試中調(diào)整斜流動力儀垂向位置，使得阻塞物下端面到槳軸中心距離H分別為5/8D、1/2D、3/8D、1/4D、1/8D和0。在每個垂向位置，調(diào)控前置驅(qū)動機構(gòu)，使得阻塞物與槳盤面軸向距離L從0.63～0.11D，ΔL=0.04D。

完成冰阻塞物與螺旋槳模型的相對位置標定后，測試試驗采用定轉(zhuǎn)速變水速的方法調(diào)整進速系數(shù)，調(diào)節(jié)水筒壓力至指定空泡數(shù)，測量不同進速系數(shù)、空泡數(shù)下的螺旋槳模型推力和扭矩系數(shù)隨冰槳相對位置變化。根據(jù)冰區(qū)船舶螺旋槳的實船運行工況特點，重點關(guān)注冰阻塞環(huán)境對螺旋槳在低進速系數(shù)時的水動力性能影響，因此測試工況共有4個進速系數(shù)，分別為0.35、0.40、0.45和0.55；4個轉(zhuǎn)速空泡數(shù)，分別為 1.5、2、3 和 4。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 均流環(huán)境的螺旋槳水動力性能

圖4給出了均流環(huán)境螺旋槳模型在不同空泡數(shù)下的推力和扭矩系數(shù)隨進速變化曲線。

圖4 均流環(huán)境螺旋槳模型在不同空泡數(shù)下的推力和扭矩系數(shù)對比Fig.4 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different cavitation number in uniform flow environment

從圖4可以看出，均流環(huán)境螺旋槳模型在無空泡狀態(tài)（σv=18.4），推力和扭矩系數(shù)均隨著進速的減小而增大。隨著空泡數(shù)減小和螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，槳葉空泡面積增加，導致螺旋槳在低進速系數(shù)下出現(xiàn)了推力和扭矩下降，而且空泡數(shù)越低，越容易出現(xiàn)推力和扭矩突降。

3.2 冰阻塞環(huán)境冰槳垂向間距影響

與均流條件相比，由于在螺旋槳模型的來流前方增加了阻塞機構(gòu)，影響了螺旋槳的入流環(huán)境，冰槳垂向和軸向的相對位置關(guān)系直接影響到冰槳阻塞的作用程度，首先固定冰槳軸向位置，研究冰槳的垂向位置變化對螺旋槳水動力性能的影響。為了比較冰阻塞與均流條件的螺旋槳水動力性能變化，選取空泡數(shù)較高，槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中不易產(chǎn)生空泡的試驗工況進行對比。圖5給出了轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn=4，冰槳軸向間距L=0.19D時，螺旋槳模型在不同冰槳垂向間距的推力和扭矩系數(shù)對比，圖6給出了圖5冰阻塞環(huán)境的螺旋槳模型試驗現(xiàn)場照片。

圖5 螺旋槳模型在不同冰槳垂向間距的推力和扭矩系數(shù)對比（σn=4，L=0.19D）Fig.5 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller vertical distance(σn=4，L=0.19D)

圖6 不同冰槳垂向間距時的螺旋槳模型試驗照片（σn=4，L=0.19D，J=0.4）Fig.6 Test photos of model propeller under different ice-propeller vertical distance(σn=4,L=0.19D,J=0.4)

從圖5可以看出，受冰阻塞作用影響的螺旋槳模型水動力曲線與均流環(huán)境基本平行，推力和扭矩系數(shù)隨進速的減小線性增大，但在不同垂向間距和進速的水動力變化結(jié)果與均流環(huán)境存在差異。在圖6（a）所示的H=5/8D冰槳垂向間距，螺旋槳模型推力與均流相比略有下降，這主要是由于冰阻塞模型的下端面已經(jīng)高出槳葉梢部，對螺旋槳來流的垂向阻塞相對較小，在接近螺旋槳模型上方時產(chǎn)生了類似于加速導管壁面的效應，導致螺旋槳模型推力下降。而在H=3/8D和1/8D工況，冰阻塞模型的逼近效應使得槳盤面入流速度減小，造成螺旋槳模型推力和扭矩系數(shù)產(chǎn)生不同程度的增加，其中垂向阻塞程度較嚴重的H=1/8D工況水動力上升幅度接近40%。從模型試驗中槳葉的空泡特性來看，在進速J=0.55工況，槳葉僅在旋轉(zhuǎn)至水筒上方的阻塞伴流內(nèi)出現(xiàn)小面積背片空泡；而隨著進速系數(shù)下降，如圖6（b）和（c）所示J=0.4工況，槳葉除了在阻塞區(qū)域空泡面積增大外，在整個旋轉(zhuǎn)周期都出現(xiàn)不同面積的片狀和梢渦空泡，多片槳葉的空化導致螺旋槳模型水動力相比均流增大的幅度變緩。

結(jié)合冰區(qū)船舶螺旋槳的實船運行工況，試驗中還進行了螺旋槳模型在低空泡數(shù)下的水動力性能測試。圖7給出了在σn=2，L=0.43D時，螺旋槳模型在不同冰槳垂向間距的推力和扭矩系數(shù)對比。

圖7 螺旋槳模型在不同冰槳垂向間距的推力和扭矩系數(shù)對比（σn=2，L=0.43D）Fig.7 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller vertical distance(σn=2,L=0.43D)

圖7相比于圖5，隨著空泡數(shù)的降低，在低進速系數(shù)時位于H=1/8D、3/8D和5/8D垂向位置的螺旋槳模型推力和扭矩系數(shù)隨進速減小而增大的幅度更小。圖7中H=3/8D狀態(tài)在進速系數(shù)J=0.35時螺旋槳模型推力已下降至與均流環(huán)境基本相同，由于槳葉空化效應造成的螺旋槳推力損失量與流場阻塞效應產(chǎn)生的推力上升量基本抵消，此時的螺旋槳水動力性能是由冰阻塞逼近和槳葉的空化效應共同作用決定。

3.3 冰阻塞環(huán)境冰槳軸向間距影響

下面進行冰槳軸向間距對螺旋槳水動力性能的影響分析。圖8給出了在H=1/4D冰槳垂向位置，轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn=4時，螺旋槳模型在不同冰槳軸向間距L/D的推力和扭矩系數(shù)對比。

圖8 螺旋槳模型在不同冰槳軸向間距的推力和扭矩系數(shù)對比（σn=4，H=1/4D）Fig.8 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=4,H=1/4D)

從圖8中可以看出，在空泡數(shù)較高槳葉空化相對較弱時，隨著冰槳軸向間距的減小，不同進速運行工況的螺旋槳模型推力和扭矩系數(shù)呈現(xiàn)不同程度的增大，尤其在L/D＜0.4時的冰槳阻塞逼近效應導致水動力上升顯著。對比圖8中三個進速系數(shù)下冰槳逼近過程的螺旋槳水動力變化結(jié)果，進速系數(shù)較高的運行工況推力和扭矩系數(shù)增大幅度最大，約為20%。

圖9給出了與圖8相同垂向位置，轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn=1.5時的螺旋槳模型在不同冰槳軸向間距的推力和扭矩系數(shù)對比。

圖9 螺旋槳模型在不同冰槳軸向間距的推力和扭矩系數(shù)對比（σn=1.5，H=1/4D）Fig.9 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=1.5,H=1/4D)

有別于圖8工況的測試結(jié)果，在圖9中σn=1.5的空泡環(huán)境，不同進速工況的螺旋槳模型推力和扭矩系數(shù)隨冰槳軸向間距的變化無明顯規(guī)律。由于空泡數(shù)相對較低，槳葉在冰槳軸向間距較遠位置已出現(xiàn)大面積的背片空泡現(xiàn)象，在整個冰槳逼近過程中，槳葉的空泡效應增加了螺旋槳水動力變化的非定常性，降低了螺旋槳水動力性能受到冰槳阻塞間距變化的影響程度。

圖10和圖11分別給出了螺旋槳模型在圖8和圖9兩種空泡環(huán)境下運行的試驗現(xiàn)場照片。

從圖10和圖11可以看出，冰槳的逼近效應除了影響螺旋槳模型旋轉(zhuǎn)至阻塞伴流區(qū)域的空泡形態(tài)，造成槳葉的空泡面積增大外，在圖11（b）中σn=1.5的低空泡數(shù)環(huán)境下，阻塞物在靠近槳盤面時與槳葉之間產(chǎn)生了不穩(wěn)定的連體渦空化現(xiàn)象，連體渦在到達槳葉后與葉背片空泡結(jié)合，以團狀形態(tài)沿槳葉隨邊脫出。

圖10 不同冰槳軸向間距的螺旋槳模型試驗照片（σn=4，H=1/4D，J=0.45）Fig.10 Test photos of model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=4,H=1/4D,J=0.45)

圖11 不同冰槳軸向間距的螺旋槳模型試驗照片（σn=1.5，H=1/4D，J=0.45）Fig.11 Test photos of model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=1.5,H=1/4D,J=0.45)

4 結(jié) 論

通過在空泡水筒開展均流和冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳模型水動力性能試驗，測試了不同冰阻塞環(huán)境參數(shù)對螺旋槳水動力性能的影響變化，試驗結(jié)果表明冰阻塞環(huán)境下的螺旋槳性能是由冰槳垂向和軸向間距、空泡環(huán)境以及螺旋槳運行工況等綜合作用的結(jié)果。得到的主要結(jié)論如下：

（1）在均流環(huán)境下，螺旋槳模型在無空泡狀態(tài)推力和扭矩均隨著進速系數(shù)的減小而增大；隨著空泡數(shù)的降低，在低進速系數(shù)出現(xiàn)螺旋槳推力和扭矩的下降，而且空泡數(shù)越低，螺旋槳推力和扭矩突降的現(xiàn)象發(fā)生越早。

（2）冰槳垂向和軸向間距的參數(shù)變化影響冰槳阻塞作用程度，改變了前方流場環(huán)境和槳盤面入流速度，一方面直接影響了螺旋槳的推力和扭矩，另一方面對螺旋槳的空泡性能產(chǎn)生作用，槳葉不同形態(tài)的空泡特性又對其水動力性能產(chǎn)生重要影響。

（3）在無空化狀態(tài)，隨著冰槳垂向和軸向阻塞程度的加深，在冰阻塞環(huán)境螺旋槳模型推力系數(shù)相比于均流可產(chǎn)生40%和20%的增加；而在槳葉嚴重空泡的重載狀態(tài)，螺旋槳水動力隨冰槳間距的變化不明顯，槳葉的空泡效應減緩了冰阻塞效應的影響程度。

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