某伴流补偿导管对螺旋桨空泡及空泡剥蚀性能影响研究

黄红波，薛庆雨，黄少锋，吴颖昕

（1．中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡214082；2．江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡 214082）

某伴流补偿导管对螺旋桨空泡及空泡剥蚀性能影响研究

黄红波1，2，薛庆雨1，黄少锋1，2，吴颖昕1

（1．中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡214082；2．江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡 214082）

文章介绍了中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展的某散货船有、无伴流补偿导管下螺旋桨空泡、空泡剥蚀性能对比试验研究，并深入分析某伴流补偿导管对空泡形态、空泡剥蚀性能影响及导管设计过程中需注意的问题。试验结果表明：前置伴流补偿导管会增加螺旋桨表面空泡面积及空泡诱导的船体脉动压力一阶叶频分量，且不合适的伴流补偿导管安装方式会增加桨叶空泡剥蚀风险。

伴流补偿导管；空泡；脉动压力；空泡剥蚀

0 引 言

近些年来，在国际贸易及世界经济快速发展的推动下，世界航运的船舶吨位屡创新高，伴随而来的是对能源巨大的需求与污染气体的大量排放，为应对日益增长的能源消耗及不断恶化的现实环境，国际海事组织对船舶节能减排提出了明确目标，并即将强制实施船舶能效设计指数（EEDI）及减少温室气体排放的九条框架原则，为应对即将强制实施的各项节能减排指标，各种形式节能装置层出不穷，并得到广泛应用，如后置节能装置消涡鳍、自由转轮、舵球、舵鳍、扭曲舵等，前置节能装置有鳍板、伴流补偿导管、定子、导轮等等。

伴流补偿导管由于其优异节能效果（可达3%-7%），且结构简单，便于实船的加工与安装，近几年来备受推崇，据不完全统计，近30年来节能用伴流补偿导管在近千艘海船上使用[1-2]。伴流补偿导管又称Schneekluth’s导管，是由德国艾根（Aachen）工业大学施尼克罗兹（Schneekluth）教授提出，并于1984年成功安装于一艘7万吨散货船。伴流补偿导管是一个前端直径大、后端直径小的喇叭型的半圆导管，一般安装螺旋桨前方船艉左右两侧，通常情况下，左右两侧安装方式并不对称[3-5]。

由于前置伴流补偿导管在船尾安装位置与角度，与船舶节能效果密切相关，如果导管与船尾匹配不佳，不便充分发挥其节能效果，还会因其对尾部螺旋桨的流场影响，有可能在螺旋桨内半径产生沿弦长脱落的片、云状空泡，增加螺旋桨桨叶表面空泡剥蚀的风险，本文针对某散货船，在装配伴流补偿导管前后，研究其对螺旋桨桨叶表面空泡及空泡剥蚀性能影响。

1 试验模型

试验船模为某散货船模型，此船舶模型、螺旋桨模型和导管模型均按1：45.65缩比进行加工，其中船舶模型为玻璃钢材质，螺旋桨模型为铝合金材质，表面阳极化处理显亮红色，且在桨叶上标记了0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R的半径剖面线及桨叶参考线，伴流补偿导管为铝合金材质，表面喷涂黑漆处理。有无安装伴流补偿导管全附体模型照片如图1、图2所示。实船及实桨主要参数如表1所示。

图1 有伴流补偿导管模型安装照片Fig.1 The setup of model ship with wake equalizing duct

图2 无伴流补偿导管模型安装照片Fig.2 The setup of model ship without wake equalizing duct

表1 船体及螺旋桨主参数Tab.1 The main specifications of full scale ship and propeller

2 试验设备

2.1 大型循环水槽

试验在CSSRC的大型循环水槽内进行。水槽试验段长度10.5m，宽度2.2m，高度为2.0m。水速调节范围为1.0～15.0m/s。试验段中心线压力调节范围为30～350kPa，图3为试验段照片。

2.2 脉动压力测试设备和分析方法

脉动压力用14个KYOWA PGMC-A-200kPa压力传感器测量，传感器的最大量程为0.2MPa，频率响应达到20 kHz。这些传感器镶嵌在船模螺旋桨上方船底板上，传感器测量表面与船底板下表面齐平；传感器的布置见图4。相邻传感器之间的距离为0.12Dm，Dm为桨模直径。

图3 循环水槽试验段照片Fig.3 The photo of test section

图4 脉动压力传感器布置Fig.4 Arrangement of pressure transducers

压力信号由14个具有宽频响应特征的DH-3840放大器放大；采用NI4472A/D采样卡采集信号；通过FFT分析，可以得到具有叶片倍频的压力脉动幅值△Pim（i=1，2，3，……），根据下面公式可以换算为无量纲的脉动压力系数KPi：

依据模型尺度和实船尺度下的KPi相等，按下式预报实船尺度下的压力脉动幅值△Pis：

3 螺旋桨空泡脉动压力试验及结果分析

为研究前置伴流补偿导管对螺旋桨空泡性能的影响，在相同主机功率下分别进行了带导管和不带导管的船后水动力、空泡、脉动压力及剥蚀试验。

3.1试验工况

本次螺旋桨空泡及剥蚀试验工况选择较严重的压载吃水工况（CSR with 15%S.M.即持续服务功率下带15%功率储备海况），试验工况如表2所示。试验工况满足：（1）模型和实船的推力系数相等；（2）在桨叶12点钟位置（0°），满足模型桨与实桨在0.8R处的转速空泡数σn（0.8R）相等。

表2 空泡试验工况Tab.2 Test conditions of cavitation

表2中，0.8R处转速空泡数σn（0.8R）及推力系数KT定义为：

式中：P0.8R为桨叶在12点钟位置时0.8R处的静压，Pa；Pv为饱和蒸气压力，Pa；ρ为水密度，kg/m3，n为螺旋桨转速，r/s；D为螺旋桨直径，m；T为螺旋桨的推力，N。

3.2 空泡形态及脉动压力试验结果与分析

此散货船在伴流补偿导管情况下进行空泡脉动压力试验时，发现在某些特定角度下，在桨叶叶背内半径产生不稳定的背片空泡，且与外半径处背片空泡无法连成一体，独自孤立，并沿螺旋桨弦长方向脱落破裂，存在空泡剥蚀风险。在无伴流补偿导管情况下，螺旋桨叶背片空泡从导边产生、发展，且不同半径处片空泡连成一体，沿外半径及径向泄向桨外，破碎在水中，属正常空泡形态，无空泡剥蚀风险。两种状态下空泡形态如图5所示。螺旋桨在有伴流补偿导管时，由于轴向平均伴流比无导管时有所增加，因此在相同工况及相同相位角度时，有导管时，桨叶叶背背片空泡面积有所增加，且增加的背片空泡主要向内半径偏移。

图5 压载吃水状态有无伴流补偿导管空泡形态照片（上：有导管；下：无导管）Fig.5 Cavitation photos atballast draftcondition(Up：with duct;Down：withoutduct)

图6 压载吃水状态有无导管脉动压力前二阶叶频分量分布（上：有导管；下：无导管）Fig.6 Distribution of pressure amplitudes-harmonic(1st&2nd)at ballast draft condition (Up：with duct;Down：withoutduct)

在压载工况下，安装伴流补偿导管后，桨叶叶片上空泡面积增加，空泡诱导的脉动压力一阶叶频分量相应增加，增加量在10%左右，二阶叶频分量相当，变化不大，如图6所示。

4 螺旋桨空泡剥蚀风险分析及试验结果探讨

4.1 螺旋桨空泡剥蚀风险分析

螺旋桨表面空泡剥蚀多由泡状空泡、云状空泡、雾状空泡、絮状空泡以及复杂的背片空泡[6-7]（在桨叶内半径产生，且沿弦长方向在桨叶表面脱落、溃灭）的存在而产生，本文中螺旋桨上内半径片空泡即为复杂背片空泡，在桨叶导边0.7R附近产生孤立的背片空泡，且沿弦长方向脱落，脱落后类似云状空泡，在桨叶表面溃灭，如图7所示，图中较清晰地再现了螺旋桨叶背上内半径复杂背片空泡产生、发展、溃灭、反弹、重新集结和二次溃灭的演变过程，且空泡首次溃灭时的能量（体积大）远大于二次溃灭，因此可能产生空泡剥蚀的位置应在首次溃灭位置，即在桨叶0.7R与桨叶参考线交汇的前端。

图7 压截工况下螺旋桨叶背脱落片空泡演变过程Fig.7 The process of sheet cavitation shedding at ballast condition with wake equalizing duct

4.2 螺旋桨空泡剥蚀试验风险及结果分析

从上文空泡结果分析表明，此螺旋桨在伴流补偿导管情况下，存在较强的空泡剥蚀风险，有必要采用软面法进行空泡剥蚀试验验证。首先对1#、2#、4#叶片均匀喷涂兰油，进行了带伴流补偿导管情况下螺旋桨空泡剥蚀试验，试验结果如图8所示，在1#、2#、4#叶片0.7R半径线与桨叶参考线的前端有明显的空泡剥蚀麻点，证实上文分析结果。为进一步证实螺旋桨桨叶空泡剥蚀主要由导管伴流影响，随后对桨叶重新均匀喷涂兰油，进行了不带伴流补偿导管情况下螺旋桨空泡剥蚀试验，试验结果如图9所示，四只叶片上均没有空泡剥蚀痕迹，模型试验证实了伴流补偿导管影响了桨叶内半径处流场，使螺旋桨存在较大空泡剥蚀风险。

图8 带伴流补偿导管时空泡剥蚀试验前后对比照片Fig.8 The contrast photos before and after cavitation erosion test with wake equalizing duct

图9 只有螺旋桨空泡剥蚀试验前后对比照片Fig.9 The contrast photos before and after cavitation erosion test only with propeller

4.3 有无伴流补偿导管CFD计算分析

为进一步研究此散货船伴流补偿导管对螺旋桨流场的影响，对此船模进行了全附体带螺旋桨（其中螺旋桨以体积力代替）的三维粘性不可压缩RANS方法计算。

图10为有无导管时，船尾旋涡流动分布情况。当只有螺旋桨存在时，由船体处产生的漩涡，在尾流处开始减弱甚至消失；当存在导管时，漩涡流经导管，得到了加强，同时，在导管外表面处也产生新的漩涡，并最终脱落，与原漩涡交织在一起。

图10 船尾旋涡流动分布（左：有导管；右：无导管）Fig.10 Distribution of vortex at ship stern(Left：with duct;Right：without duct)

图11 不同盘面处轴向速度分布（上：导管及螺旋桨；下：只有螺旋桨）Fig.11 Distribution of axis velocity at different plane(Up：Duct and propeller;Down：propeller)

图11 为不同盘面处轴向速度分布云图，水流经流导管后，其轴向速度分布有一定区别，如图中红色圆圈所示，这有可能是导致桨叶内半径产生脱落空泡，并增加空泡剥蚀风险原因所在。

5 前置伴流补偿导管设计需注意的问题

前置伴流补偿导管在追求较好节能效果的同时，需兼顾桨叶空泡性能，设计时需注意以下几点，首先选择合适的导管直径，其次是导管安装角度及所在位置，这三点决定了螺旋桨的进流场，确定了螺旋桨效率增加量及桨叶表面空泡变化情况，图12为本文中导管，左右对称，且导管下端尾缘离桨盘面的距离约为0.4D，导管下端与船舶交截线与轴线夹角约10.5°，本艘散货船船型与伴流补偿导管组合未达到最佳状态，使桨叶表面存在较大空泡剥蚀风险，其节能效果也受到较大的限制，可从表2试验工况中看出，其航速只增加0.04kns，桨负荷增加3.3%，小于一般船舶航速增加0.2-0.3kns，桨负荷增加5%—10%情形。图13为四种无空泡剥蚀风险的不同散货船、油船伴流补偿导管安装方式，其导管下端尾缘离桨盘面的距离约为0.3D，且多在桨轴中心线或偏下位置，导管下端与船舶交截线与轴线夹角一般3°～7°为宜。伴流补偿导管直径需根据船型合理选择，其直径范围约0.3-0.5D之间。

图12 桨叶内半径存在空泡剥蚀风险伴流补偿导管安装方式Fig.12 The setup of wake equalizing duct with risk of cavitation erosion

图13 桨叶正常空泡形态条件下伴流补偿导管安装方式Fig.13 The setup of wake equalizing duct without risk of cavitation erosion

6 结 论

本文针对某特定伴流补偿导管对螺旋桨空泡及空泡剥蚀性能的影响研究，从空泡形态上判断可能产生空泡剥蚀风险，利用模型实验得到了验证，分析其产生的原因，并给出伴流补偿导管设计需注意的问题。形成的主要结论如下：

（1）本文中所提及的不合适的伴流补偿导管有增加桨叶空泡剥蚀的风险，表明伴流补偿导管设计时需评估导管对桨叶空泡性能的影响，避免空泡剥蚀风险的产生；

（2）伴流补偿导管一般会增加轴向伴流、螺旋桨负荷及桨叶背空泡面积；

（3）伴流补偿导管一般会增加螺旋桨空泡诱导的一阶叶频分量；

（4）在兼顾节能效果与空泡性能时，伴流补偿导管直径根据船型一般在0.3—0.5D之间，且左右两半不对称，导管下端尾缘与桨盘面之间距离约为0.3D，导管下端与船舶交截线与桨轴线夹角一般在3°～7°之间。

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Study on the performance of cavitation and cavitation erosion with and without wake equalizing duct

HUANG Hong-bo1,2,XUE Qing-yu1,HUANG Shao-feng1,2,WU Ying-xin1
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

This paper describes the model test of cavitation observation and cavitation erosion measurement with and without wake equalizing duct in China Ship Scientific Research Center(CSSRC),meanwhile,the differences of propeller cavitation and cavitation erosion performance and some attentions are mentioned. The experiment results indicate that the area of sheet cavitaion and the maximum 1st harmonic pressure fluctuation values increase obviously with wake equalizing duct,what’s more,improper wake equalizing duct will have some hint of blade cavitation erosion.

wake equalizing duct;cavitation;pressure fluctuation;cavitation erosion

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.004

1007-7294（2017）07-0821-11

2017-02-09

黄红波（1979-），男，高级工程师，E-mail：13621516671@163.com；

薛庆雨（1986-），男，工程师。