不同螺旋桨配置对重型破冰船推力的影响分析

2022-02-16朱成华齐江辉郭健陈艳霞高良田

哈尔滨工程大学学报 2022年1期

朱成华，齐江辉，郭健，陈艳霞，高良田

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430060； 2.华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430070； 3.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

对于常规破冰船船型而言，可选择单桨、双桨和三桨的螺旋桨配置方案。单桨的优点是螺旋桨可受到船体很好的保护，但当有效轴功率超过20 MW时，采用单轴推进将导致螺旋桨直径过大；使用双桨推进可以使螺旋桨直径更小且更容易做到螺旋桨端部浸没，但保护条件可能不如单桨布置的情况好[1]。目前已建或计划建造的破冰船中，美国“极地海”和“极地星”、加拿大“John G.Diefenbaker”号、欧洲“Aurora Slim”号[2]、俄罗斯LK-25柴电破冰船以及核动力破冰船均采用三桨推进[3]，总轴功率约25～60 MW，三桨功率分配分为1∶1∶1或1∶2∶1。使用三桨推进可以使中心螺旋桨得到充分保护，转向和可靠性相对更优，但两侧螺旋桨要比同等功率双桨推进的螺旋桨暴露程度稍高[1]。

国内针对常规船舶多桨推进问题的研究已经较为成熟，如王新平等[4]针对三桨推进船舶的功率分配和螺旋桨设计工况选取问题进行了研究；覃新川等[5]对四桨推进系统的水动力性能进行仿真研究；毕俊颖等[6]通过四桨船舶的螺旋桨分布进行了研究；王展智等[7]分析了三桨推进系统中心桨和舷侧桨位置变化对螺旋桨性能的影响；袭鹏等[8]分析了螺旋桨的转速对四桨推进系统的影响；叶礼裕等[9]和孙帅等[10]分别针对不均衡载荷对中心桨和舷侧桨的性能影响进行了数值分析。但目前国内针对破冰船的多桨推进问题研究非常少，仅有的相关研究如吴刚等[11]对重型破冰船多桨推进系统特点及发展趋势进行了研究，更多关注的则是单个螺旋桨在冰区航行中的性能。

本文以常规螺旋桨为基础，利用系柱状态模拟破冰工况，针对重型破冰船的双桨和三桨(分为1∶1∶1和1∶2∶1 这2种功率分配方案)电力轴桨推进系统正车推进性能和空泡性能进行影响分析。

1 破冰船多桨布置方案

1.1 破冰船总体参数

为研究重型破冰船的双桨和三桨推进系统正车系柱推力和空泡性能，选择3艘破冰船进行对比分析，其主尺度和推进轴功率如表1所示，其中方案1、2、3主尺度和推进功率参数分别参考俄罗斯核动力破冰船LK-60、欧盟“北极光”号以及加拿大“John G.Diefenbaker”号破冰船。

表1 对比方案的总体参数

1.2 螺旋桨布置

螺旋桨的布置主要受船舶吃水深度、船宽以及船体尾部线型和螺旋桨之间所需间隙的空间限制。

如图1和图2分别显示了现有或预计建造破冰船的双桨和三桨布置方案。

图1 破冰船双螺旋桨布置

图2 破冰船三螺旋桨布置

从水动力性能、空泡和振动等方面考虑，最有利的螺旋桨布置是，螺旋桨盘面的来流是均匀的，同时尽可能多地获取粘性尾流中的能量，因此对于不能回收尾流能量的舷侧螺旋桨而言，提供足够的轴向间隙显得非常重要。但增大螺旋桨轴向间隙又将会导致螺旋桨与冰接触的风险；相反，任何使冰远离螺旋桨的保护形式也会恶化螺旋桨的水动力和振动性能。

对于常规船舶而言，一般将桨尖浸入水中以免螺旋桨吸入空气引起激烈振动，但对于破冰船而言，通常是确保平均尺寸的浮冰不被吸进螺旋桨，因此，破冰船的螺旋桨沉浸深度与破碎冰块尺度有关。

1.3 有效盘面积对比

通常，盘面积对于破冰船重载螺旋桨设计性能是非常重要的，因此有必要在考虑如下情况时选取双桨和三桨推进系统最大螺旋桨直径和盘面积：

1)桨叶叶端最小浸没深度至少为2.5 m(重型破冰船对应的破冰厚度)；

2)推进系统的横向延伸通常受到有效船宽的限制，特别是螺旋桨轴系必须具有可接受的长度和倾斜度；

3)推进电机必须方便地布置在船体内部，该要求限制了轴心距中纵剖面的距离。

表2和表3中总结了已建或计划建造的两桨和三桨破冰船螺旋桨直径之和(b)占船宽(B)的比例，其中两桨情况下b/B平均值和最大值分别为0.445、0.487；三桨情况下b/B平均值和最大值分别为0.557、0.590。

表2 两桨破冰船螺旋桨直径之和占船宽比例

表3 三桨破冰船螺旋桨直径之和占船宽比例

根据两桨和三桨情况下的b/B平均值与最大值，分别估算了3艘不同破冰船的螺旋桨直径D和螺旋桨总盘面积Atotal,如表4和表5所示，其中两桨和三桨的直径均满足桨叶叶端最小浸没深度的要求，三桨中的(1∶1∶1)和(1∶2∶1)表示功率的分配比例。

表4 基于b/B平均值估算螺旋桨直径和总盘面积

表5 基于b/B最大值估算螺旋桨直径和总盘面积

对比表4中两桨和三桨总盘面积可知，基于b/B平均值估算各方案的螺旋桨，1∶2∶1的三桨配置对于所有船舶尺寸均为最有利的，1∶1∶1的三桨配置次之，两桨盘面积最小。

对比表5中两桨和三桨总盘面积可知，基于b/B最大值估算各方案的螺旋桨，1∶2∶1的三桨配置对于所有船舶尺寸均为最有利的，两桨配置次之，1∶1∶1的三桨配置盘面积最小。

对比结果表明，同一方案下不同螺旋桨布置的总盘面积增减不明显，平均直径比最大直径小于5%～10%。

2 正车系柱推力估算及空泡校核

2.1 正车系柱推力估算

破冰船具有2种典型的航行状态：敞水航行和冰区破冰工况。破冰船的主要作业任务是破冰，因此，螺旋桨设计应以破冰工况为主，兼顾敞水航行工况，可将系柱状态或低航速前行状态设定为破冰船螺旋桨系统的实际设计条件。

本文选取常规4叶和5叶不同盘面比的螺旋桨(MAU4-55、MAU4-70、AU5-65、AU5-80)[12]，分别对表1中的3个方案在不同轴功率、不同螺旋桨直径下的系柱推力进行估算。

计算过程为[12]：

1)计算不同轴功率、不同螺旋桨直径的KQ：

(1)

2)读取不同螺旋桨图谱上进速系数J为0时的KQ对应的螺距比P/D和推力系数KT；

3)利用式(2)计算不同轴功率下的系柱推力T：

T=ρn2D4KT

(2)

通过以上计算过程得出不同螺旋桨桨叶、盘面比、直径以及轴功率下的系柱推力如图3所示，并根据螺旋桨的实际螺距比范围，给出了不同轴功率下螺旋桨直径实际可选取的边界范围。分析图3结果可知：

图3 不同直径和螺距比下轴功率对应的系柱推力

1)在不考虑空泡影响的情况下，为获得最大推力，倾向选择小螺距比下的最大直径螺旋桨；

2)直径大于8.0 m时所有轴功率下相应螺距比已超出MAU4-55和MAU4-70螺旋桨的最小螺距比，因此，直径大于8.0 m时不适合选用MAU4-55和MAU4-70螺旋桨；

3)直径大于9.0 m时不适合选用AU5-65螺旋桨。

图4对比了相同直径、不同桨叶和盘面比下轴功率对应的系柱推力，由图4可知：

图4 相同直径、不同桨叶和盘面比下轴功率对应的系柱推力

1)直径大于7.0 m时，同一直径相同轴功率下，4叶桨系柱推力性能优于5叶桨，相同桨叶时小盘面比系柱推力性能更优；

2)直径小于6.0 m时，同一直径相同轴功率下，5叶桨系柱推力性能优于4叶桨，相同桨叶时大盘面比系柱推力性能更优。

选取以上3个对比方案的最大轴功率，根据图3插值得出b/B平均限值和最大限值下各方案获得最大推力下的直径、螺距比和系柱推力，如表6、7所示。

2.2 螺旋桨空泡校核

由于破冰船螺旋桨负荷重、尾部流场因碎冰扰动不均匀，为确定其能否实现预计推力，还需对其进行空泡校核。假设进速VA为3 kn，利用柏利尔限界线[12]对表6和表7中各螺旋桨进行空泡校核，结果如图5和表8所示。分析表8中满足空泡校核的方案2，其可能的主要原因是方案2船宽较大、1∶2∶1的3桨功率配置方案中的中心桨直径大，可以降低螺旋桨单位面积承受的平均推力。