西江干线船用螺旋桨性能分析与对比研究*

余　卫　朱汉华　黄灵勇　范世东　杨　文

(武汉理工大学能源与动力工程学院1)　武汉　430063)　(广西壮族自治区港航管理局2)　南宁　530012)

西江干线船用螺旋桨性能分析与对比研究*

余卫1)朱汉华1)黄灵勇2)范世东1)杨文1)

(武汉理工大学能源与动力工程学院1)武汉430063)(广西壮族自治区港航管理局2)南宁530012)

摘要：针对西江干线船舶螺旋桨匹配与效率的问题，利用Pro/E和CATIA分别建立了西江干线船舶螺旋桨和船体的几何模型，应用Fluent计算软件和Workbench平台，在考虑有船体干扰的情况下，对西江主流船型螺旋桨的水动力性能和结构性能进行了对比研究.通过对比分析3叶螺旋桨和4叶螺旋桨的水动力性能和结构性能，预报了2种螺旋桨在实际营运环境中的优劣.

关键词：西江干线；螺旋桨；性能分析；对比研究

余卫(1988- ):男，硕士生，主要研究领域为船舶动力装置性能与系统分析

0引言

在西江航运干线发展中，船型标准化和船舶动力系统节能减排是核心技术问题.西江干线上航行的主流船舶经过船型标准化设计，船舶主尺度基本实现了系列化，便于通航管理和船舶检验，但船舶动力系统的机桨匹配、航行节能与减排问题依然没有满意的解决方案.由于西江航道水深的限制，西江干线船舶的特点主要表现为船舶体积小，多为平底双机双桨船，船体型宽吃水比和方形系数较大，湿面积和吃水面形状与海船的特点不同，所以船舶的阻力很难用理论公式来进行精确估算；而航道和船型的独特性使得西江船舶主要使用了以下2类螺旋桨；3叶螺旋桨；4叶螺旋桨.螺旋桨的材料主要是锰黄铜和铸铁.其中3叶桨具有易变形、易锈蚀和更换周期短的特点，4叶桨结构性能较好，更换周期长，且在营运过程中较平稳.所用的螺旋桨在船-机-桨动力匹配中没有经过严格的理论设计与实验验证，大多都是凭经验设计和选用.本文针对以上2种西江干线船舶螺旋桨在实际营运中的差异和特点，在考虑有船体干扰的情况下，通过模拟仿真的方法来对比分析这2种螺旋桨的水动力性能、结构性能，从而为西江主流船型螺旋桨的设计和选用提供理论依据和参考.

1螺旋桨和船体建模

选用西江干线的某主流船型和与之匹配的螺旋桨作为分析模型.船舶主尺度为：总长Loa=56.8m，型宽B=12.5m，型深D=4.3m；螺旋桨主要参数为：直径D=1.5m，纵倾角θ=10°，螺距比P/D=0.792，盘面比Ae/Ao=0.4.

1.1螺旋桨建模

在螺旋桨建模过程中，需要根据已知的螺旋桨二维型值点坐标，计算出螺旋的三维型值点[1]，然后通过Matlab软件编程计算出螺旋桨各个截面的三维型值点坐标并生成txt，将其转化成pts格式导入Pro/E建模软件中；通过Pro/E中的建模工具使得点生成光滑的曲线，曲线生成封闭的曲面，见图1，再通过阵列命令即可产生所需个数的桨叶，最后进行布尔运算，实体化后将桨叶和桨毂合成一体[2]，见图2.

1.2船体建模

船体模型的建立与船体结构型线密切相关，因此首先应依据现有的船体型线，读出各站号处图1单个桨叶的型线图图2阵列实体化形成螺旋桨以及球鼻首等的横剖面的数据点，写成data.dat文件.考虑到船体表面的曲面较多，本文将数据点直接导入CATIA软件中，用样条曲线进行连接后得到船体的三维型线图.通过(插入—曲面—填充)命令，以及(插入—曲面—多截面曲面)，依次选取构成面的边界，重复操作完成整个船体曲面建模.在曲面操作中由于型线绘制问题而未封闭，需在过程中稍作修改.随后通过(插入—操作—结合)命令进行曲面之间的结合，最后通过(插入—包络体—封闭曲面)实现封闭曲面的实体化[3].

2螺旋桨性能数值仿真结果与对比研究

2.1船-桨仿真模型网格划分

建好船桨实体模型后，对船桨按尺寸进行组装并选择合适的计算域.由于船模建立的是一半，这样计算区域也变为整船的一半，计算所需的网格数减少了一半，缩减了计算时间[4]，同时计算船-桨水动力时采用的控制域为一长方体，计算中控制域的长、宽、高分别为5倍船长、2.5倍船宽和5倍船高，船首距离来流入口1倍船长，船尾距离流体出口3倍船长，船侧距横向流体控制域边界2倍船宽.考虑到在减少网格数量的同时又能够保证计算的精度，将整个流域分为前中后3块，中间包含船桨体的部分采用尺寸较小的四面体非结构化网格，同时对船体的船首、船尾和静水面附近的网格进行了加密，前后2块则采用尺寸较大的六面体结构化网格；为了捕捉到螺旋桨重要的流场信息，对螺旋桨表面的网格选用了三角形类型，对螺旋桨导边、随边和叶根等进行网格加密，并对螺旋桨旋转域使用非结构化网格.通过文献研究发现在划分船体和螺旋桨壁面附近网格时，需要在船体和螺旋桨的表面加添边界层[5]，通过大量研究与试验计算发现，本文的螺旋桨和船体的边界层分别为3层和5层，得到的计算结果较符合实际结果.

2.2边界条件设置

船-桨仿真模型控制域的边界条件的具体设置大体如下：进口的边界条件采用速度进口(velocity-inlet)，出口参数在未知情况下采用自由出口(outflow)，船体各面以及控制域各外围边界都设置为壁面(wall)，内部旋转流域与外部圆柱流域间重合的圆柱体表面设为interface面，在导入Fluent后将这两个各重合表面连接起来，形成一对交接面，实现外部静止流场与内部旋转流场的数据交换，螺旋桨表面设置为壁面，在导入Fluent后成为与邻近的旋转流场同轴旋转的旋转壁面(rotationalwall)，在船体的对称面及其同侧的控制域边界设置为(symmetry).图中还可以看到有不少内边界，不过由于在建模的时候在设置上选择了2个体积是连接在一起的，在Fluent中这个内边界可以自动转化为内部连接面(interior)，所以这些面不用设定[6].

2.3仿真计算设置和后处理计算

在计算域中同时存在动网格区和静网格区时，针对存在转子与定子相互干扰的情况，可根据不同的情况和要求选择相应的计算模型，本文选择多重参考系MRF模型对西江干线船舶螺旋桨进行仿真计算[7].根据调研数据知道螺旋桨的工作速度n为327.273r/min时，船舶航速V通常为10～20km/h，则进速系数J的取值范围为0.246～0.5；在Fluent中设置求解条件完成后，从进口边界条件初始化计算，稳态计算迭代窗口显示计算已收敛后便可得到仿真结果[8-9].

通过Fluent后处理仿真计算，可提取出J时的螺旋桨推力和力矩，然后通过式(1)可计算出螺旋桨的推力系数kt、转矩系数kq和敞水效率η[10].

(1)

式中：ρ为水的密度，kg/m3；T为推力,N；Q为转矩,N·m；v为来流速度，m/s.

2.4螺旋桨水动力性能对比分析

2.4.1仿真模型数值计算结果验证分析

本文在Fluent中选择RNGk-ω湍流模型对船-桨模型进行满载阻力仿真计算[11]，并将船-桨模型仿真计算结果(不带螺旋桨)与裸船体船模实验结果进行比较，裸船体阻力实验数据来自于武汉理工大学船模试验水池，其缩尺比为14，见表1和图3.

表1　56.8 m船满载阻力仿真计算结果验证

图3　数值仿真计算值与实验值对比

由表1和图3可见，运用Fluent进行的船体阻力数值模拟的计算结果和实验结果得到的数据趋势一致，仿真总阻力误差在10.89%以内，所以选取的RNGk-ω湍流模型在计算此船舶阻力仿真模型时，有较好的准确性，说明所建立的船-桨水动力仿真模型可以满足实际要求.

2.4.23叶桨与4叶桨水动力性能数值对比分析

通过以上的计算验证了选取的RNGk-ω湍流模型在计算船体阻力有较好的准确性，所以在保证其他所有仿真环境完全不变的条件下，改变螺旋桨的叶数，建立3叶桨和4叶桨的水动力计算仿真模型，完成3叶与4叶螺旋桨在船体干扰下的水动力性能数值对比分析，同时对比的结果也能减少仿真中出现的误差.

为了预报螺旋桨的水动力性能，设置螺旋桨始终处于旋转状态，同时设置相应的来流速度，依次将进速系数从J=0.3～0.7研究螺旋桨所受的推力与转矩，逐步求出敞水效率，仿真计算结果见表2和表3.

表2　不同进速系数下3叶桨水动力性能

表3　不同进速系数下4叶桨水动力性能

下面利用表2和表3的数据同时画出3叶桨和4叶桨的推力系数、转矩系数和敞水效率的数量关系图，见图4.

图4　3叶桨与4叶桨水动力性能对比

由图4可以得到在船体干扰下，运用Fluent进行的数值模拟的3叶桨计算结果和4叶桨计算结果的趋势一致.3叶桨的kt和kq都比4叶桨小，4叶桨的kt和kq可分别超过3叶桨的17.9%和23.44%，而且随J的增加，这种差距逐步减小；在相同条件下3叶桨的η敞水效率比4叶桨的都大，3叶桨可超过4叶桨η的5.44%，且随着J的增大，这种差距有逐步增大的趋势.

2.4.3桨叶压力场对比分析

为了研究说明在船体干扰和同一个J下，该船舶3叶桨和4叶桨受力情况的差异，现截取J=0.4时2桨叶面和叶背的压力云图,见图5.

由3叶桨和4叶桨叶面和叶背的压力云图可得，在该西江干线船舶船体干扰下，2个螺旋桨压力面的压力变化趋势一致，都是由导边向随边逐渐减小，在随边处达到最小值，压强从叶根到叶梢不断增加，在0.8 R附近处达到峰值，3叶桨和4叶桨压强最大值分别为0.125MPa和0.123MPa；在吸力面上各桨叶压力变化不同，且都出现负压，3叶桨的负压在导边附近达到最大值0.172MPa，4叶桨的负压在导边附近达到最大值0.111 32MPa.

2.5螺旋桨结构性能对比分析

借助Workbench平台，将以上Fluent的计

图5　3叶桨与4叶桨桨叶压力场对比

算流场数据导入Static-Stuctural求解器中进行西江干线船舶螺旋桨的流固耦合计算[12].通过计算得到了材料为锰黄铜和J= 0.4时有船体干扰下的螺旋桨桨叶等效应力分布云图、桨叶变形云图和桨叶安全系数云图，并对图上的数值计算结果进行对比分析.见图6、图7.

图6　桨叶等效压力云图

图7　桨叶变形云图

螺旋桨的设计必须在最大载荷下满足工程安全需要，由图6可见，在J= 0.4时，3桨叶和4叶桨的最大应力值分别为为57.127MPa和50.935MPa，锰黄铜的抗拉强度极限为700MPa，则安全系数k分别为

由上面分析可以得到：(1)在船体干扰和水动力载荷作用下，3叶桨和4叶桨各桨叶的等效应力分布和变形不同，3叶桨单个桨叶出现最大等效应力和变形，4叶桨相邻2个桨叶出现最大等效应力和变形；3叶桨和4叶桨桨叶最大等效应力均出现在叶根位置靠近导边处，分别为57.127MPa和50.935MPa，而最小等效应力则均出现在叶梢靠近随边处，分别为0.068MPa和0.041MPa；(2) 3叶桨和4叶桨桨叶的最大变形均出现在叶梢处，桨叶最大变形量分别为3.49mm和3.16mm，3叶桨较3叶桨变形大；(3) 3叶桨和4叶桨的最小安全系数分别为12.25和13.74，4叶桨的最小安全系数较3叶桨大.

3结论

1) 在相同条件下，3叶桨和4叶桨桨叶的等效应力分布和变形各不相同，说明船体半流的干扰改变了螺旋桨桨叶压力和流场的分布，同时可以发现4叶桨的最大等效应力和最大变形均小于3叶桨，最小安全系数大于3叶桨，可以说明4叶桨的结构性能优于3叶桨.

2) 在船体干扰下，3叶桨的敞水效率略高于4叶螺旋桨，而推力系数和力矩系数小于4叶桨；3叶桨桨叶所承受的压力和压强都比4叶桨桨叶所承受的大，且在吸力面3叶桨桨叶出现的最小负压比4叶桨大，所以在船舶营运过程中，可以预测3叶桨比4叶桨较易发生空泡气蚀.

3) 在西江干线船舶实际营运时，其航速范围为10～20km/h；设计航速为16km/h左右，即其进速系数范围为0.246～0.5之间，两种螺旋桨都无法达到其最佳进速系数和敞水效率，所以该船舶的船机桨匹配不合理，应对船舶重新进行船机桨匹配优化设计，改进船舶的推进效率.

参 考 文 献

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[4]常煜,张志荣,赵峰.多块结构化网格在含附体水面船模粘性流场数值计算中的应用[J]. 船舶力学, 2004,8(1):19-25.

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AnalysisandComparativeResearchof

中图法分类号：U664.2

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.045

收稿日期：2014-08-15

PerformanceforWestRiverRouteMarinePropellers
YUWei1)ZHUHanhua1)HuangLingyong2)FANShidong1)YANGWen1)
(School of Energy and Power Engineering,

Wuhan University of Technology ，Wuhan 430063,China)1)

(Guangxi Zhuang Autonomous Region Port and Shipping

Administration Bureau，Nanning 530012,China)2)

Abstract：Aiming at the problems of the West River Route ship propeller’s matching and efficiency, using Pro/E and CATIA the West River Route ship’s propeller and hull geometric model is established. Then in the case of considering interference with the hull, making use of the Fluent calculation software and Workbench platform the West River mainstream ship propellers’ hydrodynamic performance and structure performance. By comparing and analyzing the hydrodynamic performance and structure performance between three-blade propeller and four-blade propeller, are forecasted the two kinds of propeller’s advantages and disadvantages used in the actual operation situation.

Key words：west river route; propeller; mainstream ship type; performance analysis

*广西交通厅科技研究项目资助