王超，韓康，汪春輝，李興

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

隨著對(duì)北極地區(qū)各種資源的開(kāi)發(fā)利用以及北極航線的通航，冰區(qū)航行船舶開(kāi)始扮演著愈來(lái)愈重要的角色，也成為許多國(guó)家重要的研究對(duì)象。就冰區(qū)航行船舶的工作環(huán)境而言，常常伴隨著數(shù)量眾多、形狀各異、體積不一的海冰，這些海冰會(huì)與船舶推進(jìn)器發(fā)生相互作用，而推進(jìn)器作為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，是船舶航行的動(dòng)力來(lái)源，其在與海冰相互作用的過(guò)程中極易造成破壞，從而威脅船舶航行安全。因此，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器的設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)關(guān)注的要點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外主要開(kāi)展了冰、槳耦合相關(guān)研究，對(duì)海冰作用下的螺旋槳水動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究較為深入，而針對(duì)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器設(shè)計(jì)方面的研究則較少。Pustoshny等［1］比較了NACA 66翼型（常規(guī)槳翼型）和IK-82翼型（冰級(jí)槳翼型）對(duì)空泡的影響；葉禮裕等［2］針對(duì)冰、槳接觸的動(dòng)態(tài)特性及槳強(qiáng)度的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究；Walker等［3］和武珅等［4］分別針對(duì)阻塞狀態(tài)下的螺旋槳性能開(kāi)展了試驗(yàn)；Huisman［5］進(jìn)行了冰級(jí)槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)。從以上研究和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，海冰影響下的螺旋槳在水動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面與常規(guī)槳有著很大的不同。

冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)是進(jìn)行冰、槳相互作用研究的最終目標(biāo)，由于工作環(huán)境不同，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器與常規(guī)船舶推進(jìn)器相比在載荷和幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)上有著明顯差異。本文將針對(duì)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器的特殊性進(jìn)行分析，以為冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

1 冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器載荷的特殊性

1.1 海冰的影響

冰區(qū)航行船舶所在水域存在著大量的海冰，海冰會(huì)靠近、阻塞推進(jìn)器以及誘導(dǎo)推進(jìn)器產(chǎn)生空泡，同時(shí)，海冰也可能會(huì)與推進(jìn)器發(fā)生接觸，可見(jiàn)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器受到的載荷與普通敞水水域航行船舶推進(jìn)器相比具有特殊性。由于海冰的影響，通常認(rèn)為推進(jìn)器受到的額外載荷由2部分組成：一部分是由于海冰與推進(jìn)器（通常指螺旋槳）相互接觸而造成海冰破裂和破壞所產(chǎn)生的載荷，稱之為冰載荷；另一部分是由于海冰的靠近效應(yīng)、阻塞效應(yīng)以及海冰導(dǎo)致的空泡效應(yīng)而造成的額外水動(dòng)力載荷，稱之為不可分離水動(dòng)力載荷［6］。而普通的敞水水域航行船舶推進(jìn)器所受到的載荷則可以稱之為可分離水動(dòng)力載荷。這樣，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器受到的載荷就可以分為3個(gè)部分：冰槳接觸載荷、不可分離水動(dòng)力載荷以及可分離水動(dòng)力載荷。

研究海冰影響下的推進(jìn)器載荷時(shí)，有著很大的不確定性，這與冰的特性，以及冰與推進(jìn)器的相互作用條件密切相關(guān)。通常，假定因海冰影響而產(chǎn)生的載荷與可分離水動(dòng)力載荷是相互獨(dú)立的，推進(jìn)器的總載荷一般通過(guò)冰池試驗(yàn)獲得，而可分離水動(dòng)力載荷則由敞水試驗(yàn)得到［7］。各種冰、槳相互作用的形式如圖1所示。為便于分析研究，將相互作用形式分為了接觸和非接觸2種工況，前者包含碰撞和銑削2種形式，后者包括接近、阻塞和排擠3種形式。在接近和排擠形式下，由于海冰對(duì)推進(jìn)器載荷的影響較小，因此在研究海冰的影響時(shí)，通常將作用過(guò)程簡(jiǎn)化為阻塞、碰撞和銑削3種形式。

圖1 冰、槳作用形式Fig.1 Ice-propeller interaction patterns

在阻塞工況下，海冰會(huì)使螺旋槳的進(jìn)流速度減小，從而使得水動(dòng)力螺距角減小，槳葉攻角增大，進(jìn)而導(dǎo)致推力和轉(zhuǎn)矩得到大幅度的增加［8］。Luznik等［9-10］進(jìn)行了冰、槳相互作用模型試驗(yàn)，在特定的試驗(yàn)條件下，顯示阻塞狀態(tài)下的非接觸水動(dòng)力載荷比敞水條件下的載荷最多高出65%～75%。文獻(xiàn)［3］進(jìn)行了更為詳盡的試驗(yàn)分析，其分別對(duì)3種槳模（JRPA敞水槳、JRPA導(dǎo)管槳和R-Class槳）在阻塞條件下的水動(dòng)力性能予以研究，得出了推力和扭矩大幅度增大的結(jié)論，特別是R-Class槳，在試驗(yàn)時(shí)，其在阻塞情況下的推力和扭矩分別是敞水條件下的3倍和2倍。圖2所示為文獻(xiàn)［3］給出的R-Class槳在阻塞工況下的性能，其中KT為螺旋槳推力系數(shù)，KQ為螺旋槳扭矩系數(shù)，J為螺旋槳進(jìn)速系數(shù)。

圖2 R-Class槳性能［3］Fig.2 Performance of R-Class propeller［3］

碰撞和銑削屬冰、槳接觸工況，此工況是固體與固體之間的接觸，其接觸力會(huì)比非接觸水動(dòng)力大得多。因此，這種接觸力是此工況下螺旋槳載荷的主要組成部分。目前，與冰、槳相關(guān)的接觸研究主要集中在銑削工況上，對(duì)碰撞的研究較少，其原因主要是采用試驗(yàn)的方法研究碰撞難度較大，在試驗(yàn)過(guò)程中由于冰塊處于無(wú)約束狀態(tài)，很難對(duì)冰、槳碰撞過(guò)程進(jìn)行控制。相比而言，采用數(shù)值模擬方法對(duì)碰撞問(wèn)題進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析則取得了較大進(jìn)展。Wang等［11-13］基于近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法，利用Fortran語(yǔ)言編譯冰、槳碰撞程序，結(jié)合算例分析對(duì)程序的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析了不同螺旋槳轉(zhuǎn)向、冰塊速度、冰塊尺寸以及冰塊形狀對(duì)冰、槳碰撞特性的影響規(guī)律。

相比碰撞工況而言，對(duì)銑削工況的研究則較多。在冰、槳銑削工況下，已有眾多學(xué)者針對(duì)不同銑削深度、螺旋槳轉(zhuǎn)速、進(jìn)速系數(shù)和螺旋槳幾何參數(shù)等對(duì)冰載荷以及螺旋槳強(qiáng)度開(kāi)展了研究［14-15］。冰、槳銑削時(shí)，螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)造成海冰的脆性破壞，這種破壞模式使得槳葉承受著巨大的應(yīng)力，在數(shù)值仿真中，銑削時(shí)的最大載荷要比碰撞時(shí)的載荷大一個(gè)數(shù)量級(jí)［16］。這說(shuō)明，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器在與海冰發(fā)生銑削時(shí)受到的載荷遠(yuǎn)高于普通敞水航行船舶推進(jìn)器所承受的載荷。Wang［16］針對(duì)銑削問(wèn)題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)的平均推力和扭矩比敞水條件下的高出數(shù)倍，具體數(shù)值與冰、槳接觸條件（包括進(jìn)速、轉(zhuǎn)速和銑削深度等）有關(guān)，這也說(shuō)明銑削工況下的載荷遠(yuǎn)高于敞水工況下的載荷。圖3所示為文獻(xiàn)［16］中模型試驗(yàn)時(shí)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的數(shù)據(jù)，其中長(zhǎng)直線和正方塊分別為敞水條件下及銑削深度為35 mm時(shí)的轉(zhuǎn)矩和推力系數(shù)。

高量級(jí)的載荷會(huì)超過(guò)螺旋槳的應(yīng)力極限，致使槳葉發(fā)生塑性變形而造成螺旋槳結(jié)構(gòu)破壞，圖4所示即為銑削過(guò)程中葉梢受損的情況。此外，在銑削過(guò)程中，螺旋槳與海冰的周期性相互作用還有可能造成疲勞破壞。

1.2 低溫影響

圖3 銑削試驗(yàn)水動(dòng)力性能數(shù)據(jù)［16］Fig.3 Hydrodynamic performance of milling experiment［16］

圖4 銑削引起的葉梢受損Fig.4 Damaged blade tip caused by milling

海冰覆蓋的水域較普通水域溫度更低。在低溫水域的影響下，金屬的韌性會(huì)降低而脆性增強(qiáng)［17］，在與海冰接觸時(shí)金屬結(jié)構(gòu)更易發(fā)生破壞。而冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器多由銅合金制作且厚度較薄，在低溫水域與海冰發(fā)生接觸時(shí)更易產(chǎn)生裂紋，造成推進(jìn)系統(tǒng)的破壞，從而嚴(yán)重影響船舶的工作狀況，甚至造成船舶推力的喪失。因此，在設(shè)計(jì)冰區(qū)船舶推進(jìn)器時(shí)，材料的選擇應(yīng)該考慮低溫環(huán)境的影響。

1.3 空化影響

載荷的特殊性導(dǎo)致冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器槳葉在空化和噪聲特性上與敞水水域航行船舶推進(jìn)器有著很大的不同。在冰、槳相互作用過(guò)程中，空化是一個(gè)潛在的威脅，它會(huì)引起推進(jìn)器水動(dòng)力性能的變化，造成強(qiáng)級(jí)別的振動(dòng)和噪聲，并且會(huì)對(duì)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)造成疲勞破壞。

Sampson等［18］在空泡水筒中進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究了銑削工況下螺旋槳的空化特性。在研究了不同銑削深度下當(dāng)進(jìn)速系數(shù)和空泡數(shù)變化時(shí)槳葉的空化特性后，發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)螺旋槳的空化性能有著同樣顯著的影響；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在銑削工況下，槳葉會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的片狀和云霧狀空泡，并且梢渦會(huì)因?yàn)楸鶋K的存在而發(fā)生紊亂。圖5所示為冰、槳銑削試驗(yàn)時(shí)的空泡模式圖譜。

圖5 冰、槳銑削空泡圖譜［18］Fig.5 Ice-propeller milling cavitation patterns［18］

Walker［3］在空泡水筒中模擬了冰阻塞螺旋槳工況，研究分析了螺旋槳的水動(dòng)力特性和空化特性，發(fā)現(xiàn)在阻塞流中螺旋槳會(huì)產(chǎn)生云霧狀空泡和梢渦，并且在低空泡數(shù)下空化更為嚴(yán)重，甚至是在大氣壓下也會(huì)發(fā)生空化。這也就是說(shuō)，可以確定在實(shí)尺度槳上會(huì)發(fā)生空化，其將造成嚴(yán)重的槳葉剝蝕。

迄今，有關(guān)空化的機(jī)理性問(wèn)題仍未得到充分研究。發(fā)生空化的條件與眾多因素有關(guān)，但可以肯定的是，與普通敞水航行船舶推進(jìn)器相比，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器更容易發(fā)生空化現(xiàn)象。由于海冰的存在，冰級(jí)槳往往在低進(jìn)速情況下便會(huì)產(chǎn)生空泡，在一定程度上造成推力損失，并導(dǎo)致槳葉表面破壞，影響航行安全。空化還會(huì)造成槳葉振動(dòng)并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到整個(gè)船體，損耗船上機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備并引起強(qiáng)噪聲，進(jìn)而影響船員的生活。此外，冰、槳銑削和碰撞也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，從而對(duì)船舶和船員造成影響。然而，目前對(duì)于冰、槳相互作用產(chǎn)生的噪聲還缺乏相應(yīng)的研究，也沒(méi)有用于減弱噪聲影響的有效手段。

簡(jiǎn)言之，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器載荷的特殊性主要在于：

1）工況更復(fù)雜，推進(jìn)器不僅存在非接觸工況，還存在更為復(fù)雜和關(guān)鍵的冰、槳接觸工況。

2）載荷的量級(jí)更大，無(wú)論是何種冰區(qū)工況，海冰的存在都使得推進(jìn)器將承受比敞水情況下高出數(shù)倍的載荷。

3）工作水域溫度更低，推進(jìn)器受低溫環(huán)境的影響結(jié)構(gòu)更易受到破壞。

4）更易發(fā)生空化現(xiàn)象，造成推力在一定程度上的損失，并引發(fā)劇烈的噪聲。

2 冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器槳葉設(shè)計(jì)的特殊性

2.1 推進(jìn)器槳葉設(shè)計(jì)的限制條件

通常，在冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器槳葉設(shè)計(jì)過(guò)程中，最主要的要求就是能夠提供足夠大的推力以使船舶在冰區(qū)中有一定的航行能力；同時(shí)，還要確保槳葉在與冰的相互作用過(guò)程中具有足夠的強(qiáng)度而不被破壞。滿足這兩項(xiàng)基本要求主要是基于滿足各國(guó)船級(jí)社相應(yīng)的規(guī)范和相應(yīng)的計(jì)算強(qiáng)度要求，特別是要滿足有限元分析計(jì)算的強(qiáng)度要求。

對(duì)在冰區(qū)航行的商用船舶而言，除了航行在冰覆蓋的水域外，還有很長(zhǎng)距離的無(wú)冰水域。因此，考慮這部分船舶推進(jìn)器的效率問(wèn)題十分必要。同時(shí)，也需要考慮冰區(qū)的諸多限制條件：船級(jí)社規(guī)定的冰級(jí)槳槳葉厚度遠(yuǎn)大于無(wú)冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計(jì)厚度，有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)槳葉厚度增加10%時(shí)，不可避免地會(huì)使其在無(wú)冰區(qū)螺旋槳的效率降低0.6%～0.8%；冰區(qū)航行船舶增加的船舶阻力會(huì)導(dǎo)致螺旋槳水動(dòng)力載荷的增加和效率的下降。

傳統(tǒng)上，為提高螺旋槳效率，在設(shè)計(jì)時(shí)采取縮小盤(pán)面比的方法，但在設(shè)計(jì)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器的過(guò)程中受到了限制，這是因?yàn)樽钚”P(pán)面比是由空化條件決定的，通常需要在空泡水筒中驗(yàn)證。而在某些情況下，可通過(guò)增加盤(pán)面比來(lái)保證槳葉厚度受限下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。Pustoshny等［1］根據(jù)冰區(qū)技術(shù)專家的建議，提出冰區(qū)航行船舶螺旋槳的盤(pán)面比在0.6～0.75之間比較適宜，這樣既可保證冰塊能夠通過(guò)槳葉之間的間隙，同時(shí)也使多個(gè)槳葉與冰的相互作用較小。

除了冰區(qū)航行商船需要特別考慮效率問(wèn)題外，航行于冰區(qū)的所有船舶都需要特別考慮空化問(wèn)題，而應(yīng)用于普通敞水航行船舶螺旋槳的、用于控制空化的措施并不完全適用于冰級(jí)槳。通過(guò)選擇合適的盤(pán)面比來(lái)降低空化效應(yīng)是敞水航行船舶常用的方法，而將此方法應(yīng)用于冰級(jí)槳具有局限性，這在前文已論述過(guò)。

此外，如圖6所示，相比于常規(guī)槳的槳葉剖面，冰級(jí)槳的槳葉剖面顯得更鈍一些，所以通過(guò)修正剖面翼型來(lái)改善空化性能來(lái)提升其空間非常有限，因?yàn)閺?qiáng)度問(wèn)題是選擇剖面翼型時(shí)首先要考慮的問(wèn)題。在常規(guī)螺旋槳設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉梢卸載也是提升空化性能的一種有效手段，但同樣，將該方法應(yīng)用于冰區(qū)航行船舶螺旋槳設(shè)計(jì)中也非常有限。根據(jù)俄羅斯船級(jí)社的規(guī)定，在冰、槳銑削過(guò)程中，葉梢卸載可能會(huì)造成葉梢破壞或者彎曲，為了保證槳葉在銑削過(guò)程中的有利攻角，需要對(duì)槳葉的縱斜角加以控制。根據(jù)有限元分析，建議將破冰船和高冰級(jí)（Arc 7～Arc 9）商用船舶槳葉的縱斜角控制在5°以內(nèi)，Arc 4～Arc 6級(jí)的控制在10°以內(nèi)。

圖6 冰級(jí)槳與傳統(tǒng)槳的槳葉剖面Fig.6 Airfoil of ice-class propeller and conventional propeller

由以上分析可知，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著諸多限制條件，想要通過(guò)修正槳葉的幾何參數(shù)來(lái)提升空化性能非常有限。

2.2 冰級(jí)槳設(shè)計(jì)的特殊性

高量級(jí)的載荷會(huì)威脅到冰區(qū)航行船舶的安全。為了減少因海冰碰撞螺旋槳造成槳葉受損等問(wèn)題引發(fā)的航行事故，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）以及國(guó)際各大船級(jí)社針對(duì)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器制定了有關(guān)特殊材料、設(shè)計(jì)冰載荷、最大應(yīng)力及厚度等方面的規(guī)范，因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)冰級(jí)槳時(shí)，要注意遵循規(guī)范對(duì)冰級(jí)槳的特殊要求。IACS冰級(jí)規(guī)范（下文簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）［19］中指出，除銅合金和奧氏體鋼材料外，其他材料均需經(jīng)過(guò)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，待驗(yàn)證材料需在-10℃的環(huán)境下，在沖擊吸收功達(dá)到20 J后方可作為螺旋槳的制作材料。該試驗(yàn)主要用于測(cè)定材料的沖擊吸收功，衡量材料的抗沖擊性能，滿足該試驗(yàn)要求的目的是為了保證冰級(jí)槳在與海冰碰撞時(shí)槳葉不被破壞。國(guó)際各大船級(jí)社頒布的規(guī)范與IACS冰級(jí)規(guī)范大致相同，只是在細(xì)節(jié)上略有不同，目前廣泛采用的《芬蘭—瑞典冰級(jí)規(guī)范》（Finnish-Swedish Ice Class Rules）便是在此規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行的修訂，其除了刪除有關(guān)槳葉厚度的相關(guān)要求外，其他要求與IACS冰級(jí)規(guī)范基本一致［20-21］。

規(guī)范對(duì)冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)冰載荷和最大應(yīng)力也有著特殊的規(guī)定，其針對(duì)普通槳和導(dǎo)管槳分別考慮了5種和3種危險(xiǎn)工況，因此設(shè)計(jì)人員在校核強(qiáng)度時(shí)，需要考慮表1幾種工況下的載荷情況（導(dǎo)管槳只需考慮工況1、工況3和工況5）。表中：R為螺旋槳半徑；c為螺旋槳弦長(zhǎng)；Fb為船舶生命周期內(nèi)槳葉受到的最大向后彎曲載荷；Ff為船舶生命周期內(nèi)槳葉受到的最大向前彎曲載荷。Fb和Ff的值分別由式（1）和式（2）給出［19］。之后，通過(guò)設(shè)計(jì)載荷與作用工況計(jì)算出最大應(yīng)力，然后根據(jù)式（3）與參考應(yīng)力進(jìn)行比較，以確保冰級(jí)槳的安全性。

式中：Dlimit=0.85(Hice)1.4；Hice為設(shè)計(jì)冰厚（規(guī)范中有詳細(xì)的規(guī)定）；Sice為冰級(jí)系數(shù)（規(guī)范中有詳細(xì)規(guī)定）；D為螺旋槳直徑；d為槳轂直徑；EAR為槳葉盤(pán)面比；Z為槳葉數(shù)；n為主機(jī)最大持續(xù)功率下調(diào)距槳的額定轉(zhuǎn)速或定距槳85%的額定轉(zhuǎn)速；σcalc為計(jì)算的最大應(yīng)力；σref為參考應(yīng)力，其與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)；S為安全系數(shù)，取S=1.5。

表1 工況數(shù)據(jù)表［19］Table 1 Working condition information［19］

與普通敞水船舶推進(jìn)器的強(qiáng)度校核（普通敞水船舶通常只需校核0.25R和0.6R葉剖面處的厚度）不同，IACS規(guī)范對(duì)冰級(jí)槳厚度的要求更加細(xì)致，槳葉邊緣處需要滿足式（4）所要求的最小厚度，以保證冰級(jí)槳結(jié)構(gòu)的可靠性。

式中：tedge為槳葉邊緣厚度；x為厚度計(jì)算點(diǎn)至葉緣的距離；pice為海冰壓力，取pice=16 MPa；其他參數(shù)的具體取值參見(jiàn)文獻(xiàn)［19］。

另外，為了適應(yīng)冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器特殊的載荷工況，除了前文所提到的特殊的推力、強(qiáng)度、空化、噪聲、盤(pán)面比、縱斜角和冰級(jí)規(guī)范要求以外，冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)還存在著一些其他的特殊性要求。在常規(guī)槳設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮船、槳的匹配問(wèn)題，船后的流場(chǎng)可以通過(guò)模型試驗(yàn)或者CFD軟件模擬得到；而在冰級(jí)槳設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)榇嬖诒鸟詈献饔?，很難用模型試驗(yàn)和CFD軟件真實(shí)模擬出船后流場(chǎng)，并且冰、槳耦合問(wèn)題也是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一大難題，因此冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)往往存在較大誤差，修正過(guò)程較繁瑣。

此外，還有不少其他參數(shù)也影響著冰級(jí)槳的某些性能。文獻(xiàn)［1］基于NACA 66和IK-82這2種翼型，對(duì)冰級(jí)槳和常規(guī)槳的模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)槳葉表面粗糙度對(duì)這2種類型螺旋槳空化性能的影響明顯不同。圖7所示為文獻(xiàn)［1］中的空化圖譜，其中螺旋槳模型上的人工粗糙度長(zhǎng)度u分別為0，3和30 μm，寬度為弦長(zhǎng)的2.5%，圖中表示空泡數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看（圖7），對(duì)冰級(jí)槳而言，槳葉表面粗糙度對(duì)空化類型和空化的起始均有著顯著影響，而常規(guī)槳的空化類型和空化起始受粗糙度的影響則較小。同時(shí)，文獻(xiàn)［1］還指出，該結(jié)論與現(xiàn)有趨勢(shì)規(guī)律相悖，至于原因，還未見(jiàn)有相關(guān)的公開(kāi)文獻(xiàn)，需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究，不過(guò)推測(cè)這可能是由于調(diào)整盤(pán)面比提升冰級(jí)槳效率所造成。在參數(shù)耦合的作用下，很難正確預(yù)測(cè)粗糙度的影響。

總之，在冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多槳葉參數(shù)都有著特殊的限制條件，并且也存在著更多影響推進(jìn)器性能的參數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)冰區(qū)船舶推進(jìn)器時(shí)需更全面地考慮各參數(shù)的影響，有必要對(duì)某些性能做出妥協(xié)。

圖7 空化圖譜［1］Fig.7 Cavitation map［1］

3 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1）冰區(qū)航行船舶推進(jìn)器會(huì)與海冰發(fā)生阻塞、碰撞和銑削等多種作用形式，因此受到的載荷遠(yuǎn)大于常規(guī)槳，為滿足冰級(jí)槳的強(qiáng)度要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需特別注意滿足船級(jí)社有關(guān)冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)規(guī)范。

2）船舶在冰區(qū)航行時(shí)，推進(jìn)器受到低溫環(huán)境的影響易造成結(jié)構(gòu)上的破壞，因而選擇推進(jìn)器材料時(shí)需考慮低溫的影響。

3）船舶在冰區(qū)航行時(shí)，空化是潛在的威脅。在阻塞和銑削工況下，螺旋槳更容易發(fā)生空化現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，需特別考慮空化效應(yīng)。

4）冰級(jí)槳的設(shè)計(jì)存在諸多的參數(shù)限制，同時(shí)也有更多的因素影響冰級(jí)槳的性能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需綜合考慮有冰工況和敞水工況的航行條件，以滿足復(fù)雜的推進(jìn)要求。