冰区航行船舶推进器特殊性分析

2019-04-20王超韩康汪春辉李兴

中国舰船研究 2019年2期

王超，韩康，汪春辉，李兴

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001

0 引言

随着对北极地区各种资源的开发利用以及北极航线的通航，冰区航行船舶开始扮演着愈来愈重要的角色，也成为许多国家重要的研究对象。就冰区航行船舶的工作环境而言，常常伴随着数量众多、形状各异、体积不一的海冰，这些海冰会与船舶推进器发生相互作用，而推进器作为船舶推进系统的重要组成部分，是船舶航行的动力来源，其在与海冰相互作用的过程中极易造成破坏，从而威胁船舶航行安全。因此，冰区航行船舶推进器的设计一直以来都是冰区船舶设计关注的要点。

目前，国内外主要开展了冰、桨耦合相关研究，对海冰作用下的螺旋桨水动力性能和结构强度研究较为深入，而针对冰区航行船舶推进器设计方面的研究则较少。Pustoshny等［1］比较了NACA 66翼型（常规桨翼型）和IK-82翼型（冰级桨翼型）对空泡的影响；叶礼裕等［2］针对冰、桨接触的动态特性及桨强度的预报方法进行了研究；Walker等［3］和武珅等［4］分别针对阻塞状态下的螺旋桨性能开展了试验；Huisman［5］进行了冰级桨的优化设计。从以上研究和试验结果来看，海冰影响下的螺旋桨在水动力性能和结构强度方面与常规桨有着很大的不同。

冰级桨的设计是进行冰、桨相互作用研究的最终目标，由于工作环境不同，冰区航行船舶推进器与常规船舶推进器相比在载荷和几何参数的设计上有着明显差异。本文将针对冰区航行船舶推进器的特殊性进行分析，以为冰区航行船舶推进器的设计奠定基础，进而为船舶的设计提供参考。

1 冰区航行船舶推进器载荷的特殊性

1.1 海冰的影响

冰区航行船舶所在水域存在着大量的海冰，海冰会靠近、阻塞推进器以及诱导推进器产生空泡，同时，海冰也可能会与推进器发生接触，可见冰区航行船舶推进器受到的载荷与普通敞水水域航行船舶推进器相比具有特殊性。由于海冰的影响，通常认为推进器受到的额外载荷由2部分组成：一部分是由于海冰与推进器（通常指螺旋桨）相互接触而造成海冰破裂和破坏所产生的载荷，称之为冰载荷；另一部分是由于海冰的靠近效应、阻塞效应以及海冰导致的空泡效应而造成的额外水动力载荷，称之为不可分离水动力载荷［6］。而普通的敞水水域航行船舶推进器所受到的载荷则可以称之为可分离水动力载荷。这样，冰区航行船舶推进器受到的载荷就可以分为3个部分：冰桨接触载荷、不可分离水动力载荷以及可分离水动力载荷。

研究海冰影响下的推进器载荷时，有着很大的不确定性，这与冰的特性，以及冰与推进器的相互作用条件密切相关。通常，假定因海冰影响而产生的载荷与可分离水动力载荷是相互独立的，推进器的总载荷一般通过冰池试验获得，而可分离水动力载荷则由敞水试验得到［7］。各种冰、桨相互作用的形式如图1所示。为便于分析研究，将相互作用形式分为了接触和非接触2种工况，前者包含碰撞和铣削2种形式，后者包括接近、阻塞和排挤3种形式。在接近和排挤形式下，由于海冰对推进器载荷的影响较小，因此在研究海冰的影响时，通常将作用过程简化为阻塞、碰撞和铣削3种形式。

图1 冰、桨作用形式Fig.1 Ice-propeller interaction patterns

在阻塞工况下，海冰会使螺旋桨的进流速度减小，从而使得水动力螺距角减小，桨叶攻角增大，进而导致推力和转矩得到大幅度的增加［8］。Luznik等［9-10］进行了冰、桨相互作用模型试验，在特定的试验条件下，显示阻塞状态下的非接触水动力载荷比敞水条件下的载荷最多高出65%～75%。文献［3］进行了更为详尽的试验分析，其分别对3种桨模（JRPA敞水桨、JRPA导管桨和R-Class桨）在阻塞条件下的水动力性能予以研究，得出了推力和扭矩大幅度增大的结论，特别是R-Class桨，在试验时，其在阻塞情况下的推力和扭矩分别是敞水条件下的3倍和2倍。图2所示为文献［3］给出的R-Class桨在阻塞工况下的性能，其中KT为螺旋桨推力系数，KQ为螺旋桨扭矩系数，J为螺旋桨进速系数。

图2 R-Class桨性能［3］Fig.2 Performance of R-Class propeller［3］

碰撞和铣削属冰、桨接触工况，此工况是固体与固体之间的接触，其接触力会比非接触水动力大得多。因此，这种接触力是此工况下螺旋桨载荷的主要组成部分。目前，与冰、桨相关的接触研究主要集中在铣削工况上，对碰撞的研究较少，其原因主要是采用试验的方法研究碰撞难度较大，在试验过程中由于冰块处于无约束状态，很难对冰、桨碰撞过程进行控制。相比而言，采用数值模拟方法对碰撞问题进行预报和分析则取得了较大进展。Wang等［11-13］基于近场动力学方法，利用Fortran语言编译冰、桨碰撞程序，结合算例分析对程序的可行性进行了验证，并分析了不同螺旋桨转向、冰块速度、冰块尺寸以及冰块形状对冰、桨碰撞特性的影响规律。

相比碰撞工况而言，对铣削工况的研究则较多。在冰、桨铣削工况下，已有众多学者针对不同铣削深度、螺旋桨转速、进速系数和螺旋桨几何参数等对冰载荷以及螺旋桨强度开展了研究［14-15］。冰、桨铣削时，螺旋桨的高速旋转会造成海冰的脆性破坏，这种破坏模式使得桨叶承受着巨大的应力，在数值仿真中，铣削时的最大载荷要比碰撞时的载荷大一个数量级［16］。这说明，冰区航行船舶推进器在与海冰发生铣削时受到的载荷远高于普通敞水航行船舶推进器所承受的载荷。Wang［16］针对铣削问题进行了研究，发现试验时的平均推力和扭矩比敞水条件下的高出数倍，具体数值与冰、桨接触条件（包括进速、转速和铣削深度等）有关，这也说明铣削工况下的载荷远高于敞水工况下的载荷。图3所示为文献［16］中模型试验时推力系数和扭矩系数的数据，其中长直线和正方块分别为敞水条件下及铣削深度为35 mm时的转矩和推力系数。

高量级的载荷会超过螺旋桨的应力极限，致使桨叶发生塑性变形而造成螺旋桨结构破坏，图4所示即为铣削过程中叶梢受损的情况。此外，在铣削过程中，螺旋桨与海冰的周期性相互作用还有可能造成疲劳破坏。

1.2 低温影响

图3 铣削试验水动力性能数据［16］Fig.3 Hydrodynamic performance of milling experiment［16］

图4 铣削引起的叶梢受损Fig.4 Damaged blade tip caused by milling

海冰覆盖的水域较普通水域温度更低。在低温水域的影响下，金属的韧性会降低而脆性增强［17］，在与海冰接触时金属结构更易发生破坏。而冰区航行船舶推进器多由铜合金制作且厚度较薄，在低温水域与海冰发生接触时更易产生裂纹，造成推进系统的破坏，从而严重影响船舶的工作状况，甚至造成船舶推力的丧失。因此，在设计冰区船舶推进器时，材料的选择应该考虑低温环境的影响。

1.3 空化影响

载荷的特殊性导致冰区航行船舶推进器桨叶在空化和噪声特性上与敞水水域航行船舶推进器有着很大的不同。在冰、桨相互作用过程中，空化是一个潜在的威胁，它会引起推进器水动力性能的变化，造成强级别的振动和噪声，并且会对整个推进系统造成疲劳破坏。

Sampson等［18］在空泡水筒中进行模型试验，研究了铣削工况下螺旋桨的空化特性。在研究了不同铣削深度下当进速系数和空泡数变化时桨叶的空化特性后，发现两者对螺旋桨的空化性能有着同样显著的影响；同时还发现在铣削工况下，桨叶会产生不稳定的片状和云雾状空泡，并且梢涡会因为冰块的存在而发生紊乱。图5所示为冰、桨铣削试验时的空泡模式图谱。

图5 冰、桨铣削空泡图谱［18］Fig.5 Ice-propeller milling cavitation patterns［18］

Walker［3］在空泡水筒中模拟了冰阻塞螺旋桨工况，研究分析了螺旋桨的水动力特性和空化特性，发现在阻塞流中螺旋桨会产生云雾状空泡和梢涡，并且在低空泡数下空化更为严重，甚至是在大气压下也会发生空化。这也就是说，可以确定在实尺度桨上会发生空化，其将造成严重的桨叶剥蚀。

迄今，有关空化的机理性问题仍未得到充分研究。发生空化的条件与众多因素有关，但可以肯定的是，与普通敞水航行船舶推进器相比，冰区航行船舶推进器更容易发生空化现象。由于海冰的存在，冰级桨往往在低进速情况下便会产生空泡，在一定程度上造成推力损失，并导致桨叶表面破坏，影响航行安全。空化还会造成桨叶振动并通过传动机构传递到整个船体，损耗船上机械设备和电子设备并引起强噪声，进而影响船员的生活。此外，冰、桨铣削和碰撞也会产生振动和噪声，从而对船舶和船员造成影响。然而，目前对于冰、桨相互作用产生的噪声还缺乏相应的研究，也没有用于减弱噪声影响的有效手段。

简言之，冰区航行船舶推进器载荷的特殊性主要在于：

1）工况更复杂，推进器不仅存在非接触工况，还存在更为复杂和关键的冰、桨接触工况。

2）载荷的量级更大，无论是何种冰区工况，海冰的存在都使得推进器将承受比敞水情况下高出数倍的载荷。

3）工作水域温度更低，推进器受低温环境的影响结构更易受到破坏。

4）更易发生空化现象，造成推力在一定程度上的损失，并引发剧烈的噪声。

2 冰区航行船舶推进器桨叶设计的特殊性

2.1 推进器桨叶设计的限制条件

通常，在冰区航行船舶推进器桨叶设计过程中，最主要的要求就是能够提供足够大的推力以使船舶在冰区中有一定的航行能力；同时，还要确保桨叶在与冰的相互作用过程中具有足够的强度而不被破坏。满足这两项基本要求主要是基于满足各国船级社相应的规范和相应的计算强度要求，特别是要满足有限元分析计算的强度要求。

对在冰区航行的商用船舶而言，除了航行在冰覆盖的水域外，还有很长距离的无冰水域。因此，考虑这部分船舶推进器的效率问题十分必要。同时，也需要考虑冰区的诸多限制条件：船级社规定的冰级桨桨叶厚度远大于无冰区螺旋桨的设计厚度，有数据显示，当桨叶厚度增加10%时，不可避免地会使其在无冰区螺旋桨的效率降低0.6%～0.8%；冰区航行船舶增加的船舶阻力会导致螺旋桨水动力载荷的增加和效率的下降。

传统上，为提高螺旋桨效率，在设计时采取缩小盘面比的方法，但在设计冰区航行船舶推进器的过程中受到了限制，这是因为最小盘面比是由空化条件决定的，通常需要在空泡水筒中验证。而在某些情况下，可通过增加盘面比来保证桨叶厚度受限下的结构强度。Pustoshny等［1］根据冰区技术专家的建议，提出冰区航行船舶螺旋桨的盘面比在0.6～0.75之间比较适宜，这样既可保证冰块能够通过桨叶之间的间隙，同时也使多个桨叶与冰的相互作用较小。

除了冰区航行商船需要特别考虑效率问题外，航行于冰区的所有船舶都需要特别考虑空化问题，而应用于普通敞水航行船舶螺旋桨的、用于控制空化的措施并不完全适用于冰级桨。通过选择合适的盘面比来降低空化效应是敞水航行船舶常用的方法，而将此方法应用于冰级桨具有局限性，这在前文已论述过。

此外，如图6所示，相比于常规桨的桨叶剖面，冰级桨的桨叶剖面显得更钝一些，所以通过修正剖面翼型来改善空化性能来提升其空间非常有限，因为强度问题是选择剖面翼型时首先要考虑的问题。在常规螺旋桨设计过程中，叶梢卸载也是提升空化性能的一种有效手段，但同样，将该方法应用于冰区航行船舶螺旋桨设计中也非常有限。根据俄罗斯船级社的规定，在冰、桨铣削过程中，叶梢卸载可能会造成叶梢破坏或者弯曲，为了保证桨叶在铣削过程中的有利攻角，需要对桨叶的纵斜角加以控制。根据有限元分析，建议将破冰船和高冰级（Arc 7～Arc 9）商用船舶桨叶的纵斜角控制在5°以内，Arc 4～Arc 6级的控制在10°以内。

图6 冰级桨与传统桨的桨叶剖面Fig.6 Airfoil of ice-class propeller and conventional propeller

由以上分析可知，冰区航行船舶推进器设计过程中存在着诸多限制条件，想要通过修正桨叶的几何参数来提升空化性能非常有限。

2.2 冰级桨设计的特殊性

高量级的载荷会威胁到冰区航行船舶的安全。为了减少因海冰碰撞螺旋桨造成桨叶受损等问题引发的航行事故，国际船级社协会（IACS）以及国际各大船级社针对冰区航行船舶推进器制定了有关特殊材料、设计冰载荷、最大应力及厚度等方面的规范，因此设计人员在设计冰级桨时，要注意遵循规范对冰级桨的特殊要求。IACS冰级规范（下文简称“规范”）［19］中指出，除铜合金和奥氏体钢材料外，其他材料均需经过夏比V型缺口冲击试验，待验证材料需在-10℃的环境下，在冲击吸收功达到20 J后方可作为螺旋桨的制作材料。该试验主要用于测定材料的冲击吸收功，衡量材料的抗冲击性能，满足该试验要求的目的是为了保证冰级桨在与海冰碰撞时桨叶不被破坏。国际各大船级社颁布的规范与IACS冰级规范大致相同，只是在细节上略有不同，目前广泛采用的《芬兰—瑞典冰级规范》（Finnish-Swedish Ice Class Rules）便是在此规范的基础上进行的修订，其除了删除有关桨叶厚度的相关要求外，其他要求与IACS冰级规范基本一致［20-21］。

规范对冰级桨的设计冰载荷和最大应力也有着特殊的规定，其针对普通桨和导管桨分别考虑了5种和3种危险工况，因此设计人员在校核强度时，需要考虑表1几种工况下的载荷情况（导管桨只需考虑工况1、工况3和工况5）。表中：R为螺旋桨半径；c为螺旋桨弦长；Fb为船舶生命周期内桨叶受到的最大向后弯曲载荷；Ff为船舶生命周期内桨叶受到的最大向前弯曲载荷。Fb和Ff的值分别由式（1）和式（2）给出［19］。之后，通过设计载荷与作用工况计算出最大应力，然后根据式（3）与参考应力进行比较，以确保冰级桨的安全性。

式中：Dlimit=0.85(Hice)1.4；Hice为设计冰厚（规范中有详细的规定）；Sice为冰级系数（规范中有详细规定）；D为螺旋桨直径；d为桨毂直径；EAR为桨叶盘面比；Z为桨叶数；n为主机最大持续功率下调距桨的额定转速或定距桨85%的额定转速；σcalc为计算的最大应力；σref为参考应力，其与材料的屈服强度有关；S为安全系数，取S=1.5。

表1 工况数据表［19］Table 1 Working condition information［19］

与普通敞水船舶推进器的强度校核（普通敞水船舶通常只需校核0.25R和0.6R叶剖面处的厚度）不同，IACS规范对冰级桨厚度的要求更加细致，桨叶边缘处需要满足式（4）所要求的最小厚度，以保证冰级桨结构的可靠性。

式中：tedge为桨叶边缘厚度；x为厚度计算点至叶缘的距离；pice为海冰压力，取pice=16 MPa；其他参数的具体取值参见文献［19］。

另外，为了适应冰区航行船舶推进器特殊的载荷工况，除了前文所提到的特殊的推力、强度、空化、噪声、盘面比、纵斜角和冰级规范要求以外，冰级桨的设计还存在着一些其他的特殊性要求。在常规桨设计过程中，需要考虑船、桨的匹配问题，船后的流场可以通过模型试验或者CFD软件模拟得到；而在冰级桨设计过程中，因为存在冰的耦合作用，很难用模型试验和CFD软件真实模拟出船后流场，并且冰、桨耦合问题也是设计过程中的一大难题，因此冰级桨的设计往往存在较大误差，修正过程较繁琐。

此外，还有不少其他参数也影响着冰级桨的某些性能。文献［1］基于NACA 66和IK-82这2种翼型，对冰级桨和常规桨的模型试验进行了对比分析，发现桨叶表面粗糙度对这2种类型螺旋桨空化性能的影响明显不同。图7所示为文献［1］中的空化图谱，其中螺旋桨模型上的人工粗糙度长度u分别为0，3和30 μm，宽度为弦长的2.5%，图中表示空泡数。从试验结果来看（图7），对冰级桨而言，桨叶表面粗糙度对空化类型和空化的起始均有着显著影响，而常规桨的空化类型和空化起始受粗糙度的影响则较小。同时，文献［1］还指出，该结论与现有趋势规律相悖，至于原因，还未见有相关的公开文献，需要开展进一步的研究，不过推测这可能是由于调整盘面比提升冰级桨效率所造成。在参数耦合的作用下，很难正确预测粗糙度的影响。

总之，在冰级桨的设计过程中，许多桨叶参数都有着特殊的限制条件，并且也存在着更多影响推进器性能的参数。因此，在设计冰区船舶推进器时需更全面地考虑各参数的影响，有必要对某些性能做出妥协。