馬衛(wèi)澤,唐小光
(武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司,湖北 武漢 430083)
小型高速船的推進(jìn)裝置主要選擇為舷內(nèi)外機(jī)、表面槳和常規(guī)定距槳,這三種推進(jìn)方式在高速船上的應(yīng)用各有利弊;舷內(nèi)外機(jī)適用于小功率柴油機(jī),高負(fù)荷工況和長時間的使用條件下很容易產(chǎn)生各種問題,后期的維護(hù)也不方便;表面槳在空載和滿載工況下的推進(jìn)效率無法兼顧,且低速和倒車的效率在使用體驗(yàn)上不佳,常規(guī)定距槳雖然能夠兼顧空載和滿載的使用工況,但其常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式無法在同等柴油機(jī)功率的條件下獲取最大的航速。作為大型遠(yuǎn)洋貨輪的主要推進(jìn)方式,可調(diào)距槳的設(shè)計(jì)考慮到了不同工況的使用環(huán)境,通過改變螺距來獲取最佳的推進(jìn)效率,但因其相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式和系統(tǒng)配置的限制,很少有小型船舶使用可調(diào)槳作為主要的推進(jìn)方式。針對此問題,本文通過對13.8m 高速收鮮船設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)型式更簡單,使用更方便的可調(diào)螺槳,并對相同直徑,不同螺距的槳葉進(jìn)行水動力數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了可調(diào)距槳葉能夠應(yīng)用于小型高速貨船。
為了更直觀的看到各類型高速推進(jìn)器的工作效率和應(yīng)用范圍,通過查閱各種資料對噴泵、大側(cè)斜槳、表面槳、常規(guī)槳以及可調(diào)距槳五種高速推進(jìn)裝置的應(yīng)用速度范圍和推進(jìn)效率集中制作了一個對比曲線(圖1),通過此對比曲線可了解到各裝置的特性及應(yīng)用范圍。
圖1 各類型推進(jìn)裝置效率對比曲線
表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
表2 實(shí)船阻力值
高速艇在設(shè)計(jì)初期都需對其最高航速進(jìn)行預(yù)估,通常利用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式對其進(jìn)行預(yù)估,如下:
式中,Vs為航速,kn;Ne為主機(jī)總功率,kW;為艇的設(shè)計(jì)排水量,t。
計(jì)算所得,其最高航速Vs=39.8kn。
通過上述航速預(yù)報,結(jié)合相關(guān)螺旋槳的設(shè)計(jì)公式,計(jì)算所得該高速收鮮船應(yīng)用常規(guī)螺旋槳推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)數(shù)值為:直徑545mm,螺距635mm,盤面比0.85,4 葉槳,并利用相關(guān)軟件對此槳葉進(jìn)行了基礎(chǔ)的水動力數(shù)據(jù)分析,所得結(jié)果如下(圖2)所示:
圖2 常規(guī)槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖
通過上述計(jì)算曲線可知,該船在進(jìn)速系數(shù)J=0.97時,常規(guī)固定槳葉的推進(jìn)效率η 最大為0.69,換算可得該船的實(shí)際最航速為V=27.4kn,與經(jīng)驗(yàn)公式估算的最高V=39.8kn 有著很大的差距,后續(xù)根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)制作了一對槳葉,安裝于實(shí)船后進(jìn)行試航試驗(yàn),最終所得滿載最高航速為28kn,空載航速為30kn,試驗(yàn)結(jié)果與理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果差距較大,但與軟件分析的最大航速誤差范圍較小。
關(guān)于該船表面槳槳葉的設(shè)計(jì)現(xiàn)階段主要采用圖譜設(shè)計(jì)法。首先設(shè)定一個航速VS,用不同直徑系列的槳葉直徑Di,計(jì)算槳葉的進(jìn)速系數(shù)J 和系,利用Rose 圖譜(圖3)計(jì)算得出相應(yīng)的螺距比和效率η,利用公式得出,進(jìn)而求得槳葉發(fā)出的推力,通過計(jì)算所得的推力與實(shí)船的阻力曲線進(jìn)行對比,進(jìn)而選出合適的槳葉尺寸。通過上述公式計(jì)算所得該船在滿載工況下表面槳槳葉最佳直徑D=610mm,螺距P=813mm,盤面比0.86。
圖3 30%浸沒面積下J 和η-圖譜曲線
根據(jù)以上數(shù)據(jù)加工一對表面槳葉進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn),滿載工況下該船的最高航速為28-30kn,空載工況下最高航速為38kn。
通過上述常規(guī)槳葉與表面槳的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,常規(guī)槳在滿載工況和空載工況下主機(jī)都能夠承受相應(yīng)的負(fù)荷,但實(shí)際航速和預(yù)估航速有著很大的誤差,使用表面槳的空載最高航速和理論預(yù)報航速的誤差較小,但在滿載低速航行工況下的效率很低。
不論是常規(guī)定距槳還是表面槳,槳葉的設(shè)計(jì)都只是針對其一個航速工況條件來進(jìn)行設(shè)計(jì),無法兼顧滿載和空載狀態(tài)下最大的效率。而對收鮮船這種裝載負(fù)荷變化較大的船型,因考慮其大部分時間所處在的負(fù)荷工況來進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì),現(xiàn)就根據(jù)收鮮船兩種負(fù)荷工況,設(shè)計(jì)兩只不同尺寸的槳葉,對這兩只槳葉進(jìn)行水動力數(shù)據(jù)分析。
槳葉周圍的流體循環(huán)通常是一個難以觀察到的物理性質(zhì)聯(lián)系起來的概念。對于螺旋槳分析的目的,可以看作是一個數(shù)學(xué)系統(tǒng),使用渦流作為一個簡單的數(shù)值模型,以適當(dāng)?shù)亟鉀Q槳葉在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的力量和速度。根據(jù)相關(guān)資料,適應(yīng)尾流的槳葉最佳環(huán)量徑向分布由下式所得:
收鮮船在進(jìn)行收集新鮮漁獲時,從港口出發(fā)需要以最快的航速到達(dá)目的地,此時船沒有載貨,排水量輕,主機(jī)和螺旋槳所承受的載荷較小,這種工況下,槳葉直徑相對較小,螺距較大,以此來最大化吸收主機(jī)輸出的功率載荷,發(fā)出更大的推力,使船達(dá)到最高航速。
根據(jù)相關(guān)計(jì)算文件對此工況下的最佳螺旋槳葉數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算所得為:以空載重量為設(shè)計(jì)點(diǎn)的槳葉尺寸為:直徑D=545mm,螺距P=775mm,盤面比0.85。
通過對KT,KQ和η 的數(shù)值分析,各項(xiàng)數(shù)值在相應(yīng)進(jìn)速下的趨勢如下所示:
圖4 D=545,P=775 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖
圖5 D=545,P=630 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖
收鮮船在收集完新鮮漁獲后,整船排水量增加,以滿載重量為設(shè)計(jì)點(diǎn)的槳葉尺寸為直徑D=565mm,螺距P=630mm,盤面比0.79。通過對KT,KQ和η 的數(shù)值分析,各項(xiàng)數(shù)值在相應(yīng)進(jìn)速下的趨勢如下所示:
圖6 D=565,P=775 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖
圖7 D=565,P=630 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖
表3 槳葉數(shù)值對比表
根據(jù)上述計(jì)算曲線及數(shù)值對比顯示了槳葉在直徑變動不大的情況下,通過調(diào)整其螺距可實(shí)現(xiàn)槳葉效率的提升。
根據(jù)對常規(guī)固定螺距、表面槳和可調(diào)距槳的數(shù)據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)分析,可調(diào)螺距的槳葉設(shè)計(jì)在漁業(yè)高速船舶的應(yīng)用有著廣泛的前景,可調(diào)螺距的槳葉能夠很好的兼顧空載和滿載兩種負(fù)荷工況下的推進(jìn)效率,根據(jù)載荷工況條件的不同,航行過程中調(diào)整螺距來適應(yīng)主機(jī)的輸出功率,以此達(dá)到效率的最大化。
可調(diào)距槳葉的設(shè)計(jì)需根據(jù)船舶的具體使用工況分布,有針對性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。