带节能附体螺旋桨空泡脉动压力的试验研究

2012-11-10董国祥陈建挺

上海船舶运输科学研究所学报 2012年2期

季盛，董国祥，陈建挺，伍锐

（航运技术与安全国家重点实验室，上海200135）

0 引言

船舶节能已成为世界各国造船界和航运界的重要课题，船舶推进附加节能装置是实现船舶节能的有效措施之一。水动力方法研制的船舶推进附加节能装置主要有两大类：一类装在螺旋桨桨前，以改善螺旋桨的进流，如前置节能导管和前置节能支架等；另一类装在桨后，以回收螺旋桨艉流的旋转能量，如Gri m导轮、毂帽鳍、舵球等。

为了研究船舶节能装置对螺旋桨诱导的空泡脉动压力的影响，进行了带节能附体螺旋桨空泡脉动压力的试验研究。研究的节能附体为前置节能导管和节能支架。在相同的船舶伴流场、推力系数和空泡数工况下，对桨模、桨模带节能导管和桨模带节能支架时的脉动压力进行测量，计算得到脉动压力系数，并换算成实桨脉动压力值；观察记录相应的螺旋桨空泡形态。分析比较桨模、桨模带节能导管和桨模带节能支架的空泡脉动压力大小，得出其变化规律。

1 研究对象

试验研究使用的桨模为铝合金，表面采用了阳极化处理。螺旋桨模型照片见图1。节能导管模型和节能支架模型见图2。空泡与脉动压力试验工况见表1。螺旋桨主要参数见表2。

图1 桨模（SSR4－0438）叶背、叶面照片

图2 节能导管和节能支架模型照片

表1 螺旋桨空泡脉动压力试验工况

表2 螺旋桨几何要素

2 试验研究基本条件

试验研究在上海船舶运输科学研究所的空泡水筒［2］中进行。螺旋桨脉动压力测量采用上海半导体研究所研制的BY－924压力传感器，其压力量程为±70 k Pa。测量螺旋桨脉动压力的传感器安装在螺旋桨模上方的平板内，平板至螺旋桨桨轴中心线的距离为247.97 mm，相应的间隙比为0.47。脉动压力测量共布置5个测量点，分别为P1、P2、P3、P4和P5（见图5）。脉动压力测量处理系统见图3。实时采集处理系统见图4。

图3 脉动压力测量处理系统

图4 实时采集处理系统

空气含量测量采用凡司莱克（Van Slyke）原理的空气含量仪，试验期间空泡水筒中水的相对空气含量为

式（1）中：α为水筒中水的含气量；αs为标准大气压下饱和水的含气量。

3 伴流场模拟

伴流场的模拟采用网格法，即在桨盘面的前方放置1张根据船后艉流场设计的疏密不一的铜丝网格。采用德国KEMPF ＆REMMERS公司制造的由14根毕托管组成的梳状毕托耙测量对应螺旋桨盘处的各点流速，根据桨模的直径，选择毕托耙上的6个测量半径分别为：r1＝49 mm、r2＝63 mm、r3＝78 mm、r4＝95 mm、r5＝114 mm、r6＝135 mm，相对螺旋桨半径：r1／R＝0.383、r2／R＝0.493、r3／R＝0.610、r4／R＝0.743、r5／R＝0.892、r6／R＝1.056。

伴流模拟网格经过多次测量、比较和修改，最终测量结果见图7～图12，图7～图12中实线为要求模拟的伴流场，虚线为伴流场模拟结果。w为轴向伴流分数，伴流测量的角度定义见图6。

图5 桨模脉动压力传感器布置

图7 r／R＝0.383伴流模拟结果

图8 r／R＝0.493伴流模拟结果

4 试验方法与过程

通过对空泡水筒模拟伴流场中螺旋桨模型诱导脉动压力的测量，预报实船螺旋桨的激振力，必须遵循相似关系［1，3］。

图9 r／R＝0.610伴流模拟结果

图10 r／R＝0.743伴流模拟结果

图11 r／R＝0.892伴流模拟结果

图12 r／R＝1.056伴流模拟结果

试验时水筒水温为24°C，大气压为1.021 71×105Pa。在脉动压力测量中，设定试验工况的转速空化数和推力系数与实船一致。在试验中固定螺旋桨转速n＝21.48 r／s，调节水筒压力和水流速度，直至空化数与推力系数满足试验要求。脉动压力测量的结果以各阶脉动压力系数及与其对应的实船各阶脉动压力的形式给出。各参数的表达式如下：

式（2）中：D为螺旋桨模型或实桨直径／m；n为螺旋桨模型或实桨转速／（r／s）；T为螺旋桨模型或实桨推力／k N；P0为水筒中心线或实桨12点钟位置桨叶0.8R处的静压／k Pa；PV为汽化压力／k Pa；ρ为水筒淡水密度或海水密度／（kg／m3）；KT为螺旋桨模型或实桨推力系数；σn0.8R为转速空化数（取实桨桨叶在12点钟位置时，0.8 R处的转速空化数作为水筒轴线处的转速空化数）；PL为第L阶螺旋桨叶频脉动压力谐调分量的单幅值／k Pa；KPL为第L阶叶频谐调分量脉动压力系数。

5 试验结果与分析

桨模空泡观测结果见表3，桨叶空泡形态同时由手描图和试验照片的形式给出（见图13～图15）。当螺旋桨不带节能附体时，有明显毂涡，叶背空泡发生范围为320°～0°～120°，最大叶背空泡发生在20°；当螺旋桨带前置节能导管时，毂涡明显削弱，叶背空泡发生范围为310°～0°～110°，最大叶背空泡发生在0°；当螺旋桨带前置节能支架时，毂涡完全消除，叶背空泡发生范围为320°～0°～100°，最大叶背空泡发生在30°。

螺旋桨诱导的脉动压力测量结果见表4～表6，表4～表6中列出了试验工况下5个测点的各阶脉动压力系数和换算至实船的各阶脉动压力值。从表4～表6中所列数据可见，最大脉动压力幅值均为一阶协调分量。通过试验换算得到的实船脉动压力情况为：当螺旋桨不带节能附体时，P1点最大一阶脉动压力幅值为1.631 k Pa；当螺旋桨带前置节能导管时，P1点最大一阶脉动压力幅值为1.349 k Pa；当螺旋桨带前置节能支架时，P1点最大一阶脉动压力幅值为1.048 k Pa。换算到实尺度的桨、桨带前置节能导管和桨带前置节能支架的一阶脉动压力幅值比较见图16。