半圆形导流罩设计应用分析

(南通中远川崎船舶工程有限公司,江苏 南通 226005)

由于原油价格的大幅上升，同时考虑到环保对二氧化碳减排的需求，减少船舶的燃油消耗率越来越受到相关各方的重视。而大型油船和散货船都趋向于不断增加丰满度，通过改进船体线型来改善船舶推进性能，几乎达到了极限状态。半圆形导流罩可以降低主机马力，是比改变船体线型更加经济、更加有效的理想节能设备。

与传统的圆形导流罩不同，半圆形导流罩去除了圆形导流罩下半部。该装置节能效果比圆形导流罩好。

1 节能基本原理

导流罩基本上安装在螺旋桨的正前方，形状为圆形或类似圆形。节能基本原理见图1。

图1 导流罩节能基本原理

1)平直尾部水流减小船体阻力。某船螺旋桨平面完整的尾部伴流见图2。

图2 船体艉部扰流

在船艉附近，通常有一个复杂的流场并伴随漩涡(船体艉部扰流)(见图1、图2)。导流罩能控制并理顺尾部附近扰流，使之形成轴向水流，从而有助于减小船体阻力。

2)导流罩的推力效应。如图1所示，船艉流场是一个由舭部漩涡水流和沿船体的水流组成的共轭流。可以通过正确调整导流罩叶片的形状和攻角来产生推力。

3)增加伴流增量。通过减小、减缓流向螺旋桨平面的舭部扰流来获得伴流增量。

4)提高螺旋桨推进效率。通过导流罩，艉部水流的径向分量被转化为轴向分量，使螺旋桨平面的轴向水流速度统一起来。从而产生一个良好的流场，以改善螺旋桨空泡性能。这意味着改善了螺旋桨设计，比如减小螺旋桨盘面面积。

2 导流罩的设计构思

基于上述节能的基本原理，导流罩的形状以及安装位置的设计构思如下。

1)把导流罩放置于船艉舭部漩涡较强的位置以加强其矫直效果。

2)通过把导流罩放置在对角线流量较大的角度使其向前的推力增加。

3)设置导流罩直径约为0.7倍螺旋桨直径，从而使产生的低速艉流能流向使螺旋桨产生最大推力的区域。

4)由于舭部旋涡在螺旋桨轴上侧比较强烈，所以通过除去圆形导流罩的下半部分而得到一个半圆形导流罩。

在设计之前，测量导流罩安装位置的尾部流场以收集导流罩设计所需信息。通过在螺旋桨推进试验状态下放置一个L形皮托管来进行测量。图3显示了流速的周向分布和船体尾流流入导流罩的角度，测量范围为0.7倍的螺旋桨半径。

图3 导流罩的流速和攻角

从图3可以发现，流入的角度和速度均在螺旋桨轴上方比较大(θ= 0～50°)。所以，正确地设计导流罩的上半部分从而保证其有效地产生推力和矫正水流是十分重要的。

基于这个流场数据，设计一个圆形导流罩和半圆形导流罩来进行对比，见图4[1]。

图4 导流罩的布置位置

3 试验验证节能效果

为了验证所设计的半圆形导流罩的节能效果，在拖曳水池内进行试验。

3.1 推进性能试验

推进性能试验包括阻力试验和自推进试验。阻力试验在没有安装螺旋桨的状态下进行，自推进试验在螺旋桨工作状态下测量自推进因素(螺旋桨、船体、舵的干扰因素)。推进性能试验分别为安装和未安装导流罩状态。试验结果用来计算需要的功率，两种情况进行对比来判断其节能效果。

3.2 导流罩的节能效果

图5显示在导流罩安装和不安装两种情况下有效功率和制动功率之间的改善比率。

图5 导流罩装置节能对比

由图5可以看出，有效功率pe和制动功率pb在导流罩安装的情况下均得到了提高。通过对船体阻力的减小和对自推进因素的改善，使节能效果达到了近3%。图5表明，半圆导流罩的节能效果比圆形导流罩的节能效果要好。

图6为圆形导流罩和半圆形导流罩的自推进因素的对比。对比两种自推进因素，跟导流罩产生的推力相关的l-t(t为推力减额分数)改善是显著的。从结果可以发现，导流罩的上半部分在改善节能效果(产生推力)时扮演了一个非常重要的角色。

图6 圆形和半圆形导流罩装置的自推进系数对比

2.3 半圆形导流罩的形式改进

为了建立设计半圆导流罩的方法，对影响到节能效果的参数(与导流罩的形状和位置相关的)通过水池试验进行导流罩安装位置、导流罩孔径角、导流罩长度验证，来积累设计数据。

通过参数化研究表明，导流罩加长会增加节能效果，尤其是增加导流罩上半部分的长度。基于这个结果，便设计出一个上半部分弦长更长的改进型导流罩，通过水池试验来验证其节能效果，见图7。

图7 导流罩装置的改善

图8为在上述导流罩安装和不安装情况下的有效功率pe和制动功率pb之间的改善比率。可以看出，改进的半圆形导流罩的有效马力和制动马力的改善比率比原来的半圆形导流罩的要大，可以获得接近5%的节能效果。

图8 改进后的导游罩节能情况

对比圆形导流罩和改进型半圆形导流罩，可以发现l-t的改善是非常明显的，制动功率的改善见图9。

图9 圆形和改进型半圆形导流罩自推进因数对比

4 结构强度的研究

结构强度的研究对于半圆形导流罩的商业化是十分重要的。图10为用限元方法得到的半圆导流罩的强度计算结果。

图10 有限元分析

通过研究发现，其结构有足够强度承受船舶纵摇和转向时所受的冲击载荷。此外，也确认了其在使用中不会产生共振。