不同桨轴沉深螺旋桨敞水性能试验

2020-11-11谢凤伟马雪泉

上海船舶运输科学研究所学报 2020年3期

谢凤伟，伍锐，马雪泉，孙硕

(上海船舶运输科学研究所 a. 航运技术与安全国家重点实验室; b. 航运技术交通行业重点实验室，上海 200135)

0 引言

船舶在浅吃水工况下航行时，受外界环境和自身运动的影响，其螺旋桨轴与水面的距离较小，甚至会出现桨叶出水的现象。特别是大型商船在压载工况下航行时，其螺旋桨距离水面很近，出水现象更为常见。在此情况下，自由液面以上的空气会吸入螺旋桨盘面，使螺旋桨产生的推力和扭矩急剧下降，并引起激励力，严重影响船舶的航行性能和主机的正常运行。因此，近年来不同桨轴沉深螺旋桨的水动力性能研究受到广泛关注。

螺旋桨运转时的水动力性能与螺旋桨入水深度有关。研究表明，当螺旋桨轴的沉深足够大时，自由液面的影响可忽略不计[1]。因此，螺旋桨敞水试验要求在桨轴沉深足够大的条件下进行。然而，以往在进行不同吃水条件下的自航试验数据分析时，通常采用静水中桨轴沉深足够大情况下的螺旋桨敞水特性曲线，由于在进行浅吃水自航试验数据分析时桨轴沉深一般较浅或部分出水，这样的处理不尽合理。

关于不同桨轴沉深对螺旋桨敞水性能的影响，已有不少学者对此进行研究。曹梅亮[2]研究了变沉深和波浪中的螺旋桨的敞水性能，指出当桨轴沉深比Hs/D>0.75时，螺旋桨的敞水性能不再受自由液面的影响，桨轴沉深较浅，螺旋桨的推进性能变差的主要原因是螺旋桨吸气。贾大山等[3]研究了螺旋桨吸气及其水动力性能，将近自由液面螺旋桨吸气分为初始吸气、局部吸气和全吸气等3个阶段，发现局部吸气阶段螺旋桨的推力和扭矩波动较大，并指出近自由液面螺旋桨敞水试验需满足进速系数、沉深比和弗劳德数相等，且雷诺数大于临界值。黄红波等[4]研究了不同沉深比的半浸式螺旋桨的动态力，指出半浸桨的侧向力和弯矩的量级与推力和扭矩相同，且推力脉动较大，不可忽略。姚志崇等[5]采用数值模拟方法研究了螺旋桨在吸气状态下的水动力性能，分析了螺旋桨抽吸对自由液面的影响，以及自由液面变形吸气时螺旋桨水动力性能的变化，同时研究了推力和扭矩的脉动现象。董国祥等[6]、郭春雨等[7]和陶尧森等[8]分别采用试验和数值计算方法研究了波浪中螺旋桨的水动力性能。

本文通过对不同沉深螺旋桨的敞水性能进行试验研究，求取桨轴沉深变化时螺旋桨敞水性能的变化规律，为进一步研究船舶在浅吃水工况下的推进性能提供参考。

1 研究对象和试验工况

本文所述螺旋桨敞水性能试验在上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室进行。该实验室的船模拖曳水池的主尺度为192.0 m×10.0 m×4.2 m；拖车车速范围为0.2～ 9.0 m/s。螺旋桨模型为某集装箱船的设计桨模；盘面比AE/A0=0.76；螺距比P/D(0.75R)=0.952(R为螺旋桨半径)；桨模直径Dm=242.22 mm；桨模0.75R弦长b0.75R=83.22 mm；实桨直径Ds=6 700 mm。敞水试验按定螺旋桨转速(nm=12.4 r/s)、变拖车速度的方法获得不同进速系数下的螺旋桨推力系数KT、螺旋桨扭矩系数KQ和螺旋桨敞水效率η0。当进速系数J的变化范围为0～0.966时，按ITTC(International Towing Tank Conference) 1978公式计算得到试验雷诺数Re的变化范围为(5.34～5.83)×105，大于临界雷诺数3.00×105。

试验水温为19 °C，运动黏性系数v=1.029×10-6m2/s。试验数据采用敞水动力仪测量得到。针对该集装箱船不同吃水状态拟定的不同桨轴沉深敞水性能试验工况见表1。不同吃水状态螺旋桨轴沉深示意见图1。由图1可知：在浅吃水工况下，静止状态螺旋桨的叶梢已出水；在设计吃水和压载吃水工况下，静止状态螺旋桨的叶梢仍浸没在水中。

图1 不同吃水状态螺旋桨轴沉深示意

部分参数的计算式为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～式(5)中：u为拖车车速；D为螺旋桨直径；ρ为水的密度；R为螺旋桨半径；n为螺旋桨转速；T为螺旋桨推力；Q为螺旋桨扭矩。

2 不同沉深对螺旋桨敞水性能的影响

根据表1所示工况，通过电动升降丝杆调节桨轴沉深，按Hs/D=0.440、0.619、0.739和1.500的顺序对4个桨轴沉深的螺旋桨进行敞水性能试验，得到不同桨轴沉深螺旋桨敞水性能特征曲线见图2。

图2 不同沉深螺旋桨敞水性能特征曲线

该集装箱船的螺旋桨在设计工况下的进速系数J≈0.660。由图2可知：在设计吃水和压载吃水工况下，桨轴沉深足够，螺旋桨的敞水性能不受自由液面的影响；在浅吃水、设计航速工况下，螺旋桨的敞水性能有所下降。但是，对于螺旋桨的推进性能而言，其除了受螺旋桨敞水性能的影响以外，还与船后伴流场、波系、船尾运动下沉和艉部形状有关。因此，浅吃水状态下螺旋桨的推进性能是否下降，还需通过模拟海况下的自航试验进一步判断。

3 浅吃水工况下螺旋桨的敞水性能

在浅吃水工况下，桨轴沉深较小，螺旋桨轴处静压下降，易受自由液面的扰动，当进速系数较小时，螺旋桨负荷较大，螺旋桨叶剖面处在大攻角情况下，吸力面形成低压区，螺旋桨出现吸气现象。螺旋桨桨叶吸力面充气之后的压力为大气压力，而叶剖面升力大部分来自于吸力面的负压与压力面的正压之差。因此，螺旋桨吸气之后其推力和扭矩减小。螺旋桨吸气过程可分为4个阶段。

1) 初始吸气阶段：螺旋桨叶梢微量吸气，此时螺旋桨的性能无明显变化。

2) 局部吸气阶段：螺旋桨部分桨叶吸力面吸气，推力和扭矩明显减小。

图3 不同进速系数J下螺旋桨推进性能参数随桨轴沉深比的变化曲线

3) 过渡阶段：该阶段不稳定，螺旋桨有时处于全吸气状态，有时处于部分吸气状态。

4) 全吸气阶段：螺旋桨大部分桨叶吸力面吸气，推力和扭矩进一步减小并趋于稳定。

上述4个阶段的吸气状态敞水试验场景见图4，可比较清楚地观察到不同吸气阶段自由液面和螺旋桨叶梢出水的变化情况。在初始吸气阶段，螺旋桨叶梢接近自由液面，但未露出水面，微量吸气，此时螺旋桨的敞水性能与理想沉深时基本相同；在局部吸气阶段，螺旋桨叶梢接近自由液面，一小部分露出水面，已部分吸气，此时螺旋桨的敞水性能与理想沉深时相比明显下降；在过渡阶段，螺旋桨叶梢进一步露出水面，吸气进一步增加，螺旋桨的敞水性能继续下降到一临界值；在全吸气阶段，螺旋桨已大面积出水，大部分桨叶吸力面吸气，螺旋桨的敞水性能下降至一临界值之后趋于稳定。