整流鳍在LNG船上的应用

袁红良，楼丹平，王衡元

整流鳍在LNG船上的应用

袁红良，楼丹平，王衡元

为了解整流鳍对LNG船艉部伴流场的改善效果，通过CFD计算及模型试验对LNG船艉部冷却水出口处的整流鳍的不同布置方案进行分析，发现整流鳍与冷却水排舷外出口的相对位置是影响艉部不均匀流场的主要因素。实船测试结果显示应用优化后的整流鳍LNG船艉部伴流场更加均匀，振动问题得到有效的改善，同时快速性能也得到了提高。

LNG船；整流鳍；不均匀伴流场；冷却水排舷外

从20世纪60年代初第一艘专门运输LNG的船舶出现至今，LNG船已经从2万m3左右发展到如今的26万m3。而且随着科学技术水平的进步，LNG船型与推进方式也出现了多样化。蒸汽轮机、低柴油速机与双燃料中速柴油机都被作为推进动力应用到了LNG船上。近几年来，尽管双燃料发电机因为效率高被越来越多的新造LNG船所采用，但蒸汽轮机由于其性能稳定、系统可靠，在营运船中占据了近60%的份额。蒸汽轮机推进系统的冷却海水管尺寸较大，排出舷外的冷却水对艉部流场有一定的扰动，造成艉部流场不均匀，是蒸汽轮机LNG船的共性问题。艉部伴流场的不均匀降低了LNG船的快速性；同时导致了螺旋桨进流的不均匀，造成LNG船局部振动加剧的问题。为改善蒸汽轮机LNG船艉部伴流场不均匀的问题，以某大型LNG船为载体，通过CFD计算、模型试验及实船测试等方法对整流鳍不同布置方案进行了研究，确定最有效的整流鳍优化方案。

1 船舶振动问题

2002—2009年，沪东中华造船(基因)有限公司设计、建造了国内首批147 210m3LNG船， 在LNG船实船试航的过程中，在主机转速较低的时候，船舶运行一直比较平稳，但当主机转速到达75～78 r/min及以上时，船体特别是艉部系泊甲板与艉部直升机平台出现了明显的振动[1-6], 机舱也发生了比较严重的局部振动(见图1～3)[7]。在试航的过程中，试图通过调整船舶状态，增加艉部吃水来改善船舶振动，但效果甚微。

2 船舶振动分析

针对试航时出现的振动问题,从以下几个方面分析可能引起上述振动的原因。

2.1 共振

在该项目的详细设计阶段,曾经针对螺旋桨叶数的选择进行了一系列的研究与计算,从下列计算(见表1、2)结果可以看出:

1)由于在上层建筑/机舱烟囱区域的固有频率与6叶桨的桨频比较接近,认为更容易引起共振,所以无法选择6叶桨。

表1 压载吃水状态4，5，6桨的振动评估

表2 设计吃水状态4、5、6桨的振动评估

2)5叶桨与4叶桨相比，无论是上层建筑还是机舱棚/烟囱区域的振动评估数值都要高出许多，所以从振动的角度来说，4叶桨最适合本项目。

在出现上述振动问题后，也曾试图通过修改螺旋桨的设计来降低脉动压力数值，但2003年为该项目设计的螺旋桨在瑞典水池SSPA 进行了推进试验与空泡筒试验。从试验的结果来看，无论是推进性能还是螺旋桨的空泡性能都比较优秀，特别是螺旋桨的脉动压力数值处于比较低的水平，可以认为螺旋桨的设计完全满足要求。而且螺旋桨的改变也会引起轴系设计与安装的改变，会对实船造成比较大的改动与影响。同时，在日本船厂的LNG船上也发生了同样的振动问题，通过修改螺旋桨的设计与桨叶数并没有解决该类问题。

2.2 螺旋桨叶面的水流对船体外板的拍击

在进行螺旋桨的空泡试验时，曾经拍摄到螺旋桨叶梢的水流被甩到船体表面的现象(PHV)。怀疑是否可能是叶梢的涡流的爆炸引起了螺旋桨脉动压力的增加。通过试验证明，在螺旋桨上方的船体外板上加装鳍能有效地消除该现象的发生(见图3)，并且对螺旋桨的空泡性能并没有影响。被试验证明有效的方案在实船上进行了实施，并再次试航进行实船振动水平的测量，测量结果表明，问题并没有改观。

2.3 不均匀艉部伴流场引起船舶振动

在为解决船舶振动寻求有效的解决方案的同时，在另外一家国外船厂建造的与本项目采用了同样线型与螺旋桨的LNG船试航后并没有发生如此严重的振动问题，而该船型惟一的不同是采用了与蒸汽轮机不一样的电力推进系统。这表明，由于船体左侧主机冷却水的舷外排放孔相对于其他船型来说特别大，而且排放速度快。冷却水的舷外排放对艉部伴流场产生了严重的干扰。而在水池试验的过程中并没有将冷却水排放的模拟包括在试验之中。针对上述分析，从理论与试验2方面证实分析的准确性。

1)CFD对艉部流线的计算与模拟。为了确定CFD计算的手段能很好地应用于类似的工程项目分析中，通过CFD计算与水池试验的船体艉部流线结果进行比较，发现 CFD的计算结果与试验结果完全符合，可以进一步进行冷却水排放的模拟。

2)CFD对冷却水排放的模拟计算以及船模试验的验证。为了证实冷却水的排放对艉部伴流场的影响，以及螺旋桨工作在不均匀伴流场中引起的振动问题，通过CFD计算对冷却水排放后的艉部流线进行了模拟，计算后发现冷却水的排放严重干扰了艉部流线(见图4)。这一点也被船模试验的伴流场测量结果(见图5)及螺旋桨的脉动压力的测量结果所证实。艉部不均匀的伴流场使得螺旋桨运行在非常不均匀的艉部伴流场中，产生的脉动压力相对于没有冷却水排放的螺旋桨产生的脉动压力要大很多[8]。

3 整流鳍应用

为了改善艉部伴流场的不均匀问题，试图通过加装整流鳍来改善艉部流线和艉部伴流场。加装整流鳍的方案通过船模试验进行了阻力的测量、伴流场的测量，以及脉动压力的测量，并进行了实船安装测试。

通过图6的CFD计算的艉部流线与图4相比，可以看出，整流鳍对艉部流线的改善有明显的效果。这一点也可以通过艉部伴流场的对比图(见图7、5)可以得到结论。

通过拖曳试验后发现，整流鳍的加装对伴流场的改善起到了积极的作用，但却在阻力性能方面产生了负面的作用。考虑了冷却水的排放后的阻力与推进性能相对于没有冷却水排放的试验结果来说，需求功率增加了1.5%～2.0%， 加装了整流鳍后，发现阻力与推进性能更差,需求功率额外增加了4%[9]。

加装了整流鳍后的实船振动测量结果与没有加装整流鳍前相比，系泊甲板的振动测量值有了明显的降低，但与其他部位相比，数值明显偏高。所以从阻力与推进性能的改善，以及希望进一步改善艉部伴流场以降低系泊甲板的振动数值，必须进一步对整流鳍进行优化。

4 整流鳍的优化

在优化的过程中，希望通过与水池等合作，进行整流鳍的进一步优化工作。结合原先的整流鳍在水池试验的效果，从艉部伴流场及流线的改善进行多方案对比。

通过在排水口位置上下加装导流板来改善艉部流线。导流板相对于整流鳍来说，形状简单而且便于施工定位。但通过比较发现通过加装整流鳍(见图9)比在排水孔的上面与下面加装导流板(见图8)的效果更好[8]31。

为了进一步优化整流鳍的效果, 对整流鳍的安装位置及形状进行了优化，总共设计了9个方案(见图10)进行了充分的比较，发现9号方案无论在阻力方面还是对螺旋桨的空泡性能的改善，以及脉动压力的改善方面相对于原先的整流鳍有明显的改善。该方案被选定为最后的试验方案。

水池实验结果证明，试验结果与CFD计算的结果完全吻合，无论是加装整流鳍后的所需推进功率还是脉动压力与空泡性能方面都得到了预期的效果，也有了明显的改善。

1)艉部伴流场得到进一步改善[9]133,见图11。

2)方案9优化后的整流鳍比原先的整流鳍在合同航速点所需功率降低了2%，见图12。

3)空泡试验测量得到的螺旋桨诱导脉动压力值比原整流鳍方案有所降低，比原不加装整流鳍的方案有大幅的降低，见图13。

经过对安装了原方案整流鳍与优化后整流鳍的实船试验与测量，通过前后数值对比发现：优化后的整流鳍不仅在快速性能、油耗方面有了改善，振动测量的数据对比结果更加明显。说明流场的改善对振动方面改善效果明显。进一步证明了CFD 计算与船模试验结果的可靠性。

5 结论

通过计算与试验手段证实蒸汽透平冷却水的排放影响了艉部伴流场，造成了螺旋桨在不均匀的伴流场中运转产生的脉动压力的增加，产生了船体的振动。整流鳍的应用对艉部伴流场的改善效果明显，而且不同位置的整流鳍有着不同的效果。

[1] GAN Xi-lin, WANG Suo-quan, LIU Peng. Report on local vibration test on board the lng carrier “Dapeng

Sun”[R].Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2007.

[2] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier“Dapeng Moon”[R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2008.

[3] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier “Min Rong”[R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2008.

[4] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier“Min Lu” [R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2009.

[5] GAN Xi-lin. Report on local vibration test on board the lng carrier“Dapeng Star”[R]. Wuxi: China Ship Scientific Research Center, 2009.

[6] 王辉辉，王秀兰，江克进.大型液化气船振动计算分析[J].船舶与海洋工程，2014(4)：1-7.

[7] 郭列,甘锡林,朱胜昌.LNG船振动计算分析[C].第七届舶力学学术委员会全体会议论文集，船舶力学学术委员会，2010.

[8] MICHAEL Leer, RANS simulations of cooling water outlet and improvement of wake[R].SSPA,2009.

[9] PER Lindell. Hydrodynamic model tests with a new vortex generator configuration[R].SSPA,2010.

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

Application of Vortex Generator in the LNG Carrier

YUAN Hong-liang, LOU Dan-ping, WANG Heng-yuan

(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group)Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

To analyze the improvement of the vortex generator on the after flow wake distribution of LNG carrier, the CFD calculation method together with the model test was used to investigate the impact of the vortex generator with different arrangements. It is found that the relative location between the cooling water outlet and vortex generator is the main influence factor of the wake distribution. The full scale ship test showed that the flow wake distribution of the new vortex generator is more uniformed than the original one, and the vibration response and the speed performance are both improved.

LNG carrier; vortex generator; asymmetry wake distribution; cooling water outboard

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.005

2016-10-17

袁红良(1971—)，男，学士，研究员级高工研究方向:船型研发

U674.13

A

1671-7953(2017)01-0018-05

修回日期：2016-11-10