主要设计参数对混合式CRP推进器敞水性能的影响

王展智，熊鹰，王睿

(海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033)



主要设计参数对混合式CRP推进器敞水性能的影响

王展智，熊鹰，王睿

(海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033)

摘要:为了获取主要设计参数对混合式CRP推进器敞水性能的影响，采用RANS方法详细研究了前桨、后桨和吊舱之间的相互干扰作用，进一步详细分析了前后桨间距和转速比对其水动力性能的影响规律。结果表明，处于后方的吊舱推进器对前桨的干扰较小，而前桨尾流对吊舱推进器水动力性能产生较大的影响;混合式CRP推进器总的推力系数随间距的增大而减小，扭矩系数变化不大，敞水效率随间距的增大而减小;混合式CRP推进器总的推力系数和扭矩系数随转速比的增大而增大，但敞水效率随转速比的增大而减小;相同进速系数下，混合式CRP推进器的敞水性能与转速比呈线性关系。

关键词:混合式CRP推进器;干扰;敞水性能;间距;转速比

混合式CRP推进器是一种组合传统轴系螺旋桨和吊舱推进器实现的新型对转桨推进方式，具有推进效率高、操纵性能好、激振力和废气排放低等优点，在绿色船舶的背景下具有广阔的应用前景。

2001年，韩国三星船模试验池［1］对超大型集装箱船的单桨、双尾鳍双桨和混合式CRP推进器3种推进系统进行了对比试验。结果表明，混合式CRP推进器总效率比双尾鳍双桨高9％，比常规单桨高5％。Sasaki N等［2］对采用混合式CRP推进器的船舶模型试验规程进行了探索性研究。他们认为采用该型推进器的船模试验需要涉及不带吊舱推进器的阻力试验、带混合式CRP推进器的自航试验、混合式CRP推进器敞水试验等。Sasaki N等［3］进一步研究了混合式CRP推进器的设计，并改进了敞水试验方法。认为混合式CRP敞水试验需包括前桨敞水试验，前桨带吊舱舱体的敞水试验、吊舱推进器敞水试验以及混合式CRP推进器敞水试验等。Black S等［4］在英国纽卡斯尔大学水洞进行了混合式CRP推进器的敞水试验。试验并未考虑前后桨之间的间隙，但在数值计算时计入了桨毂的影响。他们还进一步进行了空泡试验。Shimamoto H等［5］评估了混合式CRP推进器的整体性能。研究发现与传统的单桨推进相比，采用混合式CRP推进器的集装箱船舶不但可以节省功率而且可以提高船舶的操纵性能。Bong J C等［6］采用试验方法研究了采用混合式CRP推进器的集装箱船的实船推进性能。研究发现:在某航速下，前后桨的转速比与前后桨的功率比是唯一相关的;在设计工况下，后桨对前桨的影响是可以忽略不计的。Schez A等［7］介绍了欧盟TRIPOD计划，并从水动力节能考虑，指出混合式CRP推进器的前桨可以考虑采用CLT型桨，进一步介绍了如何将混合式CRP推进器水动力性能模型试验数据外推至实尺度推进器，并给出了如何采用CFD方法准确预报其自航性能。在国内，盛立［8］、张可［9］率先采用RANS方法结合SST k－ω湍流模型研究了混合式CRP推进器的敞水性能，通过与试验数据的比较验证了数值计算方法的准确性。汪小翔［10］采用RANS方法计算了混合式CRP推进器的定常水动力性能和非定常水动力性能。第26届ITTC推进委员会［11］认为，关于混合式CRP推进器的试验还比较少，相关研究还处于发展阶段，建议下届ITTC推进委员会起草关于混合式CRP推进器的试验规程。

由于混合式CRP推进器的吊舱推进器同时肩负舵的作用，在船舶操纵时必须进行左右回转，因此前后桨必须保持一定的距离才能正常工作。另一方面，混合式CRP推进器采用相互独立的功率输入，前后桨的转速比可以任意调节。鉴于此，本文重点研究前后桨的间距和转速比对混合式CRP推进器水动力性能的影响。

1　数值计算模型

本文采用RANS方法结合SST湍流模型和滑移网格技术计算混合式CRP推进器的敞水性能，该方法在混合式CRP推进器水动力性能预报方面具有较高的精度，具体可参考文献［8－9］。以海军工程大学设计的4000TEU集装箱船混合式CRP推进器为研究对象，吊舱和前后桨的主要参数如表1和2所示，混合式CRP推进器的外形轮廓如图1所示。

图1　混合式CRP推进器外形轮廓Fig.1 Geometry of the hybrid CRP pod propulsion system

计算域的划分综合考虑对转桨和吊舱推进器的特点。流域为长方体，入口离前桨盘面中心3Lpod，出口离后桨盘面中心10Lpod，左、右、上、下远场离盘面中心各5Lpod(Lpod为舱体的长度)。整个流域分为4个部分，前方的来流域、前桨旋转域、后桨旋转域和后方的吊舱域。前、后桨旋转域采用圆柱体形状，划分周期性结构化网格，其直径为1.2DF(DF为前桨的直径)。来流域与吊舱域均为静止域，采用纯六面体单元离散，4个流域通过交界面传递通量。螺旋桨和吊舱壁面生成边界层网格，第一层网格的y+为80左右，边界层的增长率为1.05。整个计算域共400万左右的单元。考虑真实的桨毂形状，前后桨的桨叶、吊舱的表面网格分布如图2所示。

表1　吊舱的主要参数Table 1 Pod parameters mm

表2　桨模的特征参数Table 2 Parameters of propellers

入口设为速度入口，给定均匀来流的速度值;出口设为压力出口;外域边界设为对称面;前桨子域按照滑移网格的要求设为绕x轴以角速度20 r/s旋转;后桨子域速度按照前后桨的转速比进行设置，方向与前桨子域相反;桨叶和桨毂相对子域的旋转速度为0，定义无滑移、不可穿透的壁面边界条件，吊舱亦定义为无滑移、不可穿透的壁面边界条件。进速系数的改变通过来流速度的改变实现。采用有限体积法离散控制方程和湍流模型，对流项和扩散项均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合迭代采用SIMPLEC方法。先采用定常方法计算，待收敛后再开启非定常模式，计算时间步为前桨旋转1°所对应的时间。

图2　混合式CRP推进器的表面网格划分Fig.2 Grid of the hybrid CRP pod propulsion system

2　结果与分析

采用前、后桨各自的直径和转速对前、后桨的推力和扭矩系数进行无量纲化。进速系数J、前桨的推力系数、前桨的扭矩系数、后桨的推力系数、后桨的扭矩系数、吊舱单元的推力系数、混合式CRP推进器的推力系数、混合式CRP推进器的扭矩系数、混合式CRP推进器敞水效率的定义如下:

式中:ρ、VA、nF、nA、DF、DA、QF、QA、TF、TA、Rpod分别为流体的密度、来流速度、前桨的转速、后桨的转速、前桨的直径、后桨的直径、前桨的扭矩、后桨的扭矩、前桨的推力、后桨的推力和吊舱的阻力。

2.1前后桨与吊舱的相互干扰分析

为了研究前桨、后桨和吊舱之间的相互干扰影响，同时计算了单独前桨和单独吊舱推进器的敞水性能。螺旋桨的转速和来流速度与混合式CRP推进器完全一致。单独前桨和混合式CRP推进器的前桨敞水性能的对比如图3所示，单独吊舱推进器和混合式CRP推进器的吊舱推进器敞水性能的对比如图4所示。

从图3可以看出:单独前桨与混合式CRP推进器的前桨敞水性能基本一致，在工作点附近，推力系数的差别不超过3％，而扭矩系数的差别不超过2％。其原因是前桨处于吊舱推进器的上游，后桨对前桨的抽吸作用和吊舱对流体的阻塞作用相互抵消。

从图4可以看出:前桨诱导速度对吊舱推进器的水动力性能产生了重要的影响。由于前桨尾流的加速作用，混合式CRP推进器的后桨和吊舱单元的推力系数和扭矩系数比单独吊舱推进器小很多，这种差别随着进速系数的减小而增大。

图3　单独前桨与混合式CRP推进器的前桨敞水性能的对比Fig.3 Comparisons of open-water performance between forward propeller only and the hybrid CRP pod propulsion system

图4　单独吊舱推进器与混合式CRP推进器的吊舱推进器敞水性能的对比Fig.4 Comparisons of open-water performance between pod unit only and the hybrid CRP pod propulsion system

J=0.781时，单独前桨、单独吊舱推进器和混合式CRP推进器在y=0剖面处无量纲轴向速度分布的对比如图5所示。

图5　y=0截面无量纲轴向速度分布的对比Fig.5 Comparisons of nondimensional axial velocity distribution at y=0 plane

从图5可以看出:单独前桨和混合式CRP推进器的前桨前方来流速度分布大小及形态基本一致;而单独吊舱推进器与混合式CRP推进器的后桨前方来流速度分布差异较大。相对于单独的吊舱推进器，混合式CRP推进器的后桨前方来流极其不均匀，速度值较大。

单独前桨单独吊舱推进器和混合式CRP推进器桨后方的流线形态如图6所示。

图6　桨后方流线的对比Fig.6 Comparisons of streamlines behind propeller

从图6可以看出:单独前桨时，后方的流体质点具有很强的旋转能量，桨盘面正后方很长距离内，流线呈螺旋状。对于单独吊舱推进器，吊舱的整流作用使桨后方螺旋状流线分布面积减小;进一步观察发现，流线经过吊舱包时，产生一定的爬升。而对于混合式CRP推进器，经过后桨对转吸收前桨尾流旋转能量以及吊舱的整流作用，桨后方基本上不含螺旋状流线。

2.2前后桨间距的影响

设计了4种前后桨盘面中心间距方案，分别为0.394DF、0.455DF、0.53DF和0.61DF。J=0.781时，前桨、吊舱单元和混合式CRP推进器的敞水性能随间距的变化如图7所示。

从图中可以看出:

1)前桨的推力系数和扭矩系数受间距的影响不大。主要是由于前桨处于后桨的上游，一定范围内，后桨的抽吸作用使前桨来流速度的增加变化不大;

2)后桨和吊舱单元的推力系数随着间距的减小而增大，后桨的扭矩系数亦随间距的减小而增大，增大的幅度随着间距的增加有变缓的趋势，同时低进速系数的增大幅度比高进速系数大。这主要是由于间距减小，后桨回收前桨尾流能量增强引起的;

3)混合式CRP推进器总的推力系数和扭矩系数随着间距的减小而略有增加，敞水效率随着间距的减小而增大。从节能的角度上看，应当在保证吊舱推进器正常回转的前提下尽量减小前后桨的间距。

图7　J=0.781时不同间距的混合式CRP推进器的敞水性能Fig.7 Open water performance of the hybrid CRP pod propulsion system in different axial spacing at J=0.781

2.3前后桨转速比的影响

设计了5种转速比方案，分别为nA/nF=1.05、1.075、1.104、1.125和1.15。J=0.781时，前桨、吊舱单元和混合式CRP推进器的敞水性能随转速比的变化如图8所示。后桨占整个混合式CRP推进器的功率百分比随转速比的变化如图9所示。

后桨占整个混合式CRP推进器的功率百分比定义如下:

式中:PF、PA分别为前桨和后桨的功率。

从图9中可以看出:

1)前桨的推力系数和扭矩系数随着转速比的增大而略有减小，其原因是后桨转速增加，对前方流体的抽吸作用增强，进而导致前桨来流速度增大而引起的，但这种影响极其有限;

2)后桨的推力系数、扭矩系数以及吊舱单元的推力系数随转速比的增大而显著增大;一定进速系数下，吊舱单元的敞水性能与转速比呈线性关系;

3)混合式CRP推进器的推力系数和扭矩系数随转速比的增大而增大，但扭矩系数增大的幅值比推力系数大，因而其敞水效率随转速比的增大而减小。一定进速系数下，混合式CRP推进器的敞水性能与转速比呈线性关系。

4)后桨占整个混合式CRP推进器的功率百分比随转速比和进速系数的增大而增大。

图8　J=0.781时不同转速比混合式CRP推进器的敞水性能Fig.8 Open water performance of the hybrid CRP pod propulsion system in different revolution ratio at J=0.781

图9　不同转速比时后桨占整个混合式CRP推进器的功率百分比随进速系数的变化Fig.9 Variation of power ratio with advance coefficient in different revolution ratios

3　结论

采用RANS方法结合SST湍流模型计算了混合式CRP推进器的敞水性能，详细分析了前后桨与吊舱之间的相互干扰作用，研究了主要设计参数对混合式CRP推进器水动力性能的影响，为混合式CRP推进器的尺度效应研究及非设计工况下水动力性能预报奠定了基础。结果表明:

1)处于后方的吊舱推进器对前桨的干扰较小，设计工况附近可以忽略不计，而前桨尾流对吊舱推进器水动力性能产生较大的影响;

2)混合式CRP推进器总的推力系数随着间距的增大而减小，而扭矩系数则变化不大，敞水效率随着间距的增大而减小，故从节能的角度上看，应当在保证吊舱推进器正常回转的前提下尽量减小前后桨的间距;

3)混合式CRP推进器的推力系数和扭矩系数随转速比的增大而增大，但敞水效率随转速比的增大而减小;相同进速系数下，混合式CRP推进器的敞水性能与转速比呈线性关系;后桨占整个混合式CRP推进器的功率百分比随转速比和进速系数的增大而增大。

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Effect of the main design parameters on the open-water performance of a hybrid CRP podded propulsion system

WANG Zhanzhi，XIONG Ying，WANG Rui
(Department of Naval Architecture，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Abstract:To study the effect of the main design parameters on the open－water performance of a hybrid CRP pod propulsion system，a numerical simulation using the RANS method was conducted.The interaction between the forward propeller，aft propeller，and pod was analyzed，and the effect on hydrodynamic performance of the spacing distance between the forward and aft propellers，and the revolution ratio was also studied.It was shown that the podded propeller had little influence on the hydrodynamic performance of the forward propeller，while the forward propeller wake had a significant effect on the hydrodynamic performance of the pod propeller.The thrust coefficient and efficiency of the hybrid CRP pod propulsion system declined with an increase in the spacing，while the torque coefficient remained almost constant.The thrust coefficient，torque coefficient，and power ratio increased as the revolution ratio increased.In contrast，at the same advance coefficient，the open－water performance of the hybrid CRP pod propulsion system had a linear relationship with the revolution ratio.

Keywords:hybrid CRP pod propulsion system;interference;open－water performance;spacing distance;revolution ratio

通信作者:王展智，E－mail:wzz200425@ 126.com.

作者简介:王展智(1986－)，男，讲师，博士.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51479207);工信部高技术船舶科研基金资助项目(工信部联装［2012］534号).

收稿日期:2014－10－15.网络出版时间:2015－12－23.

中图分类号:U661.1

文献标志码:A

文章编号:1006－7043(2016)01－0098－06

doi:10.11990/jheu.201410034

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20151223.1045.002.html