冰桨干扰下的螺旋桨空泡脉动压力试验

2022-11-17陈伟奇吴大转

上海船舶运输科学研究所学报 2022年4期

伍锐，陈伟奇，丁举，吴大转

(1.浙江大学化工机械研究所，杭州 310027;2.上海船舶运输科学研究所有限公司 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； 3.中国船舶及海洋工程设计研究院喷水推进技术国防科技重点实验室, 上海 200011)

0 引言

极地地区蕴藏着丰富的矿产资源和生物资源，据调查，北极地区可开采的石油储量达2 000亿桶，南极地区蕴藏着丰富的低温微生物资源，具有独特的分子生物学机制和生理生化特性，在基础研究和生物工程应用方面具有很大的价值。除了具有很大的资源利用价值以外，极地地区还具有重要的科考价值，研究极地地区近年来的气候变化情况，有助于找到引发海啸、飓风等极端自然灾害的更深层次的原因。

随着国际社会对极地地区的关注度逐渐提升，冰区船舶研究越来越受重视，推进器作为极地船舶的重要组成部分，保证其具有优良的性能是保证船舶安全高效航行的重要条件之一。破冰船在破冰工况下航行时，桨叶载荷较大，螺旋桨空泡相比正常航行工况严重。此外，螺旋桨来流中夹带着不同大小的冰块，使得其伴流阻塞增加，特别是螺旋桨在高伴流区域和有冰阻塞位置处有极端的桨叶剖面压力分布出现，导致桨叶空泡加剧，并伴有瞬态特征，产生严重的艉部振动和噪声问题。因此，对伴流条件下的冰桨相互作用进行深入研究，特别是对破冰工况下的螺旋桨空泡振动问题进行研究，对于我国极地破冰船的研制和高质量发展而言具有重要意义。

20世纪80年代，LINDROOS等[1]对冰桨相互作用下螺旋桨空化和水动力性能的影响进行了研究，在空泡水筒内采用平板对导管桨来流情况下的冰阻塞进行了模拟，发现螺旋桨载荷明显变大。SAMPSON等[2-3]和ATLAR等[4]在爱默生空泡实验室进行了冰阻塞、撞击和切削工况下的螺旋桨空泡试验，进一步证实了冰桨相互作用会使螺旋桨的水动力载荷增大，并可能引发严重的振动和噪声问题。

近年来，我国学者也对极地船舶螺旋桨的水动力、空化和振动问题开展了诸多研究。张东江[5]评估了3种典型船型在冰区航行时的阻力特性，讨论了冰区航行船舶的船桨匹配问题。郭春雨等[6]对破冰桨的水动力性能研究进展情况进行了总结。王超等[7]开展了冰阻塞工况下的水动力载荷研究，讨论了空泡受流速的影响情况。孙盛夏[8]对冰阻塞和切削工况下的螺旋桨激振力进行了数值仿真计算，结果发现：冰阻塞区域的桨叶空泡面积明显增大，水动力性能下降，激振力脉动幅值增大；切削冰时螺旋桨轴承力脉动增大，并产生明显的高阶分量，压力脉动的周期性变弱。该研究未对计算结果的准确性开展试验验证。

鉴于上述情况，本文以某破冰船的螺旋桨为研究对象，采用模型试验方法，在空泡水筒内开展伴流场中冰阻塞工况下的螺旋桨空泡脉动压力试验，研究冰阻塞和冰桨轴向间距对螺旋桨空泡脉动压力的影响，并对试验结果进行系统分析，初步探究冰桨干扰下螺旋桨的空泡脉动压力特性。

1 研究对象

试验采用的螺旋桨模型材料为铝合金，对其表面作阳极化处理，桨模的几何要素见表1，其中R为螺旋桨半径。图1为螺旋桨模型示意图[9]。

表1 桨模的几何要素

a) A-叶背

2 试验研究过程

2.1 试验设备和脉动压力测量采集处理系统

试验在上海船舶运输科学研究所有限公司的K15型中型空泡水筒内进行[10]。该水筒的相关设备由德国KEMPE&REMERS公司制造，工作段长2.6 m，横截面呈方形带圆角，尺寸(长×宽)为0.6 m×0.6 m，最高水速为12 m/s。采用J25动力仪测量螺旋桨的水动力，该仪器能测量的最大推力为3 000 N，最大扭矩为150 N·m，最高转速为4 000 r/min。空泡水筒配有调压箱和除气装置，具有良好的气密性和可控性，工作段的压力调节范围为10～200 kPa，可调相对空气含量范围为0.2～1.0。

脉动压力传感器采用上海半导体研究所生产的BY-924压电型差压传感器，其量程为-70～70 kPa，非线性度为0.1%，频响大于4 096 Hz。采用NI(National Instruments)系统对脉动压力信号进行放大、采集和存储，并作快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)处理，获得各阶叶频的脉动压力幅值和系数。空气含量由空气含量仪(凡司莱克原理)测得，试验期间水筒内水的相对空气含量α/αs=0.55，其中：α为当地大气压下水筒内试验水的含气量；αs为当地大气压下饱和水的含气量。

2.2 试验研究方法

采用网格伴流发生器模拟船尾轴向伴流场。经过多次修改之后，将模拟的伴流场的峰值与目标伴流的相对误差控制在5%以内。伴流测量的角度定义见图2。2个相对半径处的伴流模拟结果见图3,其中r为测量半径。

图2 伴流测量的角度定义

图3 2个相对半径处的伴流模拟结果

将5台脉动压力传感器安装在一块位于桨模正上方的模拟船底板上，与桨轴中心线之间的距离为196.7 mm，间隙比与实船相符。模拟的冰阻塞块和脉动压力传感器布置示意图见图4，其中Dis为冰阻塞块与桨叶参考线之间的距离;冰阻塞脉动压力试验设备安装照片见图5。试验中螺旋桨的转速恒定不变(20 r/s)，调节压力和水流速度，使模型试验工况下的推力系数和转速空泡数与实船工况相同[10]，数学表达式为

(1)

(2)

图4 模拟的冰阻塞块和脉动压力传感器布置示意图

图5 冰阻塞脉动压力试验设备安装照片

PL=KPLn2D2

(3)

式(1)～式(3)中：D为螺旋桨直径；n为螺旋桨转速；T螺旋桨模型推力；P0为水筒中心线压力；Pe汽化压力；ρ为水的密度；KT为螺旋桨推力系数；σn,0.8R为转速空泡数(取实桨桨叶在12：00位置时，参考半径0.8R处的转速空泡数作为水筒轴线处的转速空泡数)；PL为第L阶叶频脉动压力幅值；KPL为第L阶叶频脉动压力幅值系数。空泡脉动压力试验工况见表2，其中ns为实桨转速。

表2 空泡脉动压力试验工况

3 试验结果及分析

3.1 无冰阻塞工况下的试验结果

无冰阻塞A桨在2 kn和3 kn航速、10°相位角下的空泡试验照片和手描图见图6，其实尺度1～5阶叶频脉动压力幅值见图7。从图6中可看出，在2 kn和3 kn航速下，出现了桨-船体涡空泡(Propeller-Hull Vortex Cavitation，PHVC)，其一端与桨叶产生的空泡相连，另一端与船底板相连。试验中随着螺旋桨相位角的变换，PHVC在叶背空泡与梢涡空泡之间游离。图8为无冰阻塞A桨在2 kn航速、10°相位角和3 kn航速、0°相位角下不同时刻的空泡照片，可看出不同时刻的PHVC并不稳定，时隐时现。图9为无冰阻塞A桨在2 kn和3 kn航速下的实尺度P3测点脉动压力时历曲线。

图6 无冰阻塞A桨在2 kn和3 kn航速、10°相位角下的空泡试验照片和手描图

图7 无冰阻塞A桨在2 kn和3 kn航速下的实尺度1～5阶叶频脉动压力幅值

a) 2 kn航速,时刻1，无PHVC

a) 2 kn航速下的P3测点脉动压力时历曲线 b) 3 kn航速下的P3测点脉动压力时历曲线

3.2 有冰阻塞工况下的试验结果

图10为有冰阻塞A桨在10°转角、2 kn和3 kn航速下的空泡试验照片及手描图。有冰阻塞A桨在2 kn和3 kn航速下的实尺度1～5阶叶频脉动压力幅值和实尺度P2测点脉动压力时历曲线分别见图11和图12。有冰阻塞B桨在2 kn航速、不同冰桨间距下的实尺度1～5阶叶频脉动压力幅值和空泡试验照片分别见图13和图14。

图10 有冰阻塞A桨在10°转角、2 kn和3 kn航速下的空泡试验照片和手描图

a) 2 kn航速下的实尺度1～5阶叶频脉动压力幅值

a) 2 kn航速下的实尺度脉动压力时历曲线

a) Dis=40 mm时的实尺度1～5阶叶频脉动压力幅值

a) Dis=40 mm时的空泡试验照片

3.3 试验结果讨论

由图6和图7可知，无冰阻塞、3 kn航速工况下的叶背空泡面积明显大于2 kn航速工况下的叶背空泡面积，相应的3 kn航速工况下螺旋桨诱导的1阶叶频脉动压力高于2 kn航速工况。由图10和图11可知，有冰阻塞、3 kn航速工况下的叶背空泡面积大于2 kn航速工况下的叶背空泡面积，相应的3 kn航速工况下螺旋桨诱导的1阶叶频脉动压力高于2 kn航速工况。这均是由于3 kn航速工况相比2 kn航速工况更恶劣。

对比分析图6与图10、图9与图12和图7与图11可知，由于冰阻塞使叶背片空泡面积变大，PHVC出现的频率增加，强度增大，导致螺旋桨诱导的1阶和2阶叶频脉动压力幅值增大。

由图13和图14可知，随着冰桨间距减小，模拟冰的伴流阻塞效应增强，螺旋桨叶背空泡面积增大，PHVC变强，导致1阶叶频脉动压力幅值增大。

由图8和图9可知，在无冰阻塞工况下，PHVC不稳定。当PHVC出现时，叶背空泡面积变小，梢涡空化减弱。在无冰阻塞工况下，PHVC时隐时现，且位置不停地发生变化，脉动压力传感器偶尔能捉到其诱导的压力脉动。对于无冰阻塞A桨而言，2 kn航速工况下PHVC诱导的最大脉动压力幅值为-38.625 kPa，3 kn航速工况下PHVC诱导的最大脉动压力幅值为-68.786 kPa。由图12可知，在有冰阻塞工况下，PHVC出现的频率增加且更加剧烈，脉动压力传感器捕捉到的负压峰较多。对于有冰阻塞A桨而言，2 kn航速工况下PHVC诱导的最大脉动压力幅值约为-72.758 kPa，3 kn航速工况下PHVC诱导的最大脉动压力幅值为-98.382 kPa。PHVC使螺旋桨脉动压力不再具有平稳的周期性，经典的FFT谱不能呈现频谱随时间的变化特征。