港作拖船全回转推进器防护格栅设计

童南都 冯晓东 操安喜 金永兴

摘要：针对港作拖船在复杂水域作业时推进器极易遭遇杂物碰撞与吸附，损坏推进系统，影响推进效率等问题，设计一套类翼型截面式推进器防护格栅装置。对不同的格栅环肋与来流方向的夹角（攻角）进行分析计算，将格栅对推进器效率的影响等效为推进器在流场中的总阻力变化，确定一组最合理的攻角，在提供最大防护性能的前提下，将格栅对推进效率的影响降到最低。结果表明，当内、外环肋攻角分别取6.5°、10°时，阻力增加率较小，流场变化平稳，符合设计指标要求，并能对推进器进行有效防护。

关键词： 全回转推进器; 防护格栅; 攻角; 阻力计算

中图分类号： U661.43    文献标志码： A

Abstract： The port tug propeller working in complex waters is easy to encounter debris collision or adsorption so as to damage the propulsion system and affect the propulsion efficiency. For the above problem， a propeller protection gird is designed with wing-type section. The angles （attack angles） between different grid ring ribs and the incoming flow direction are analyzed and calculated， and the effect of the gird on the propeller efficiency is equivalent to the total resistance change of the propeller in the flow field. A set of the most reasonable attack angles is determined to minimize the effect of the grid on the propeller efficiency while providing maximum protection. The results show that when attack angles of inner and outer ring ribs take 6.5° and 10°， respectively， the resistance increase rate is small， and the flow field changes smoothly， which meets the requirements of the design index， and can effectively protect the propeller.

Key words： Z-propeller; protection grid; attack angle; resistance calculation

港作拖船的特点是其船身较小，而功率较大，具有较大的推（拖）力、良好的稳性和操作的灵活性。全回转推进器（图1）能很好地满足港作拖船的操纵性能要求，在港作拖船上广泛使用。然而，拖船在作业过程中由于港区作业水域清洁度不高，经常会遇到诸如塑料袋、编织袋等杂物，这些杂物极易被全回转推进器吸入，轻则损坏螺旋桨叶片导流罩等零部件，重则导致推进器无法工作。

国内有关推进器防护装置的相关文献较少，主要还停留在直接对螺旋桨桨叶设计保护措施和航行技术的改善方面[1-2]。然而，针对船身小、功率大、作业环境复杂的港作拖船采用的全回转推进器，不能仅仅直接对螺旋桨桨葉设计保护措施，还要针对复杂作业环境下可能出现的各类碰撞物冲击配置安全防护装置。在此类设计上，一般螺旋桨防护装置都采用大型包络式网格状设备。对于港作拖船的全回转推进器，该设计的增阻效果过于明显从而极大降低了推进效率，不满足拖船作业要求。日本肖特尔公司推出过一套针对全回转推进器的防护装置，但此装置的格栅环肋攻角采用一致性设计，平行于流体运动方向。目前，国内外针对全回转推进器防护装置设计的理论研究较少，本文提出一套类翼型截面式全回转推进器防护格栅，采用组合式环肋攻角，在保证对推进效率影响最低的前提下，挡住杂物吸入，起到保护推进器的作用。

1 类翼型截面式全回转推进器防护格栅设计方案  有关推进器的防护设备已有些许研究[3-5]，本推进器防护格栅的设计主要考虑以下5个要求：对可能引起螺旋桨损坏的大中型漂浮物起到阻挡作用;防护格栅引起的推力尽可能小;在漂浮物的撞击下，防护格栅结构完好无损;易加工制作;安装简单可靠。

综合以上要求，本文设计的防护格栅安装在导流罩外、螺旋桨入流口位置。防护格栅由内环肋、外环肋和辐射板组成，见图2。考虑到各种截面类型对防护格栅水动力性能的影响及其加工安装合理性，选用类翼型截面式环形肋板（简称环肋），如图3所示。环肋分为3段：迎流段为半圆钢，中部为扁钢，尾部去流段选用梯形截面。针对港区海域可能出现的大中型漂浮物，防护格栅以6片辐射板与2组环肋的组合形式分割回转圆面，最小能阻挡包络面积为0.2 m2的固体漂浮物。推进器导流罩进水口直径2.7 m，出水口直径2.24 m，螺旋桨直径2.06 m，环肋间距0.5 m，辐射板最大间距0.3 m，防护格栅质量约450 kg。

2 环肋攻角对推进器推进效率的影响分析  翼型截面具有阻升比小、水动力性能优越的特性。环肋采用类翼型截面一方面沿用了翼型的水动力性能，另一方面也方便制造安装。然而，翼弦与来流方向的夹角α（即攻角）成为影响推进器推进效率必须考虑的因素，最佳环肋攻角α的确定成为关键。推进器内环肋攻角α1、外环肋攻角α2定义见图4。

4 结 论

本文根据港作拖船作业时全回转推进器易受杂物碰撞问题，设计了一套类翼型截面式推进器防护格栅装置。对不同的环肋攻角组合进行分析计算，将防护格栅对推进器效率的影响等效为推进器在流场中总阻力的变化，确定防护格栅内环肋攻角取6.5°、外环肋攻角取10°时为最合理的攻角。此时，流场变化平稳，在能对推进器提供最大的防护性能的前提下，将防护格栅对推进效率的影响降到最低。此外，模拟了防护格栅典型碰撞场景来验证防护格栅结构的合理性。本文采用的设计方案对港作拖船具有广泛的适用性，计算方法可以扩展到各类推进器防护装置设计中。

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（编辑 赵勉）