25 000吨级油船螺旋桨及毂帽鳍优化设计

陈建挺， 高玉玲， 伍 锐

(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， 上海 200135)



25 000吨级油船螺旋桨及毂帽鳍优化设计

陈建挺， 高玉玲， 伍 锐

(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， 上海 200135)

运用数值升力面理论设计25 000吨级油船螺旋桨，配以毂帽鳍的优化设计研究。经模型试验验证：螺旋桨机桨的匹配性能良好，推进效率高，空泡性能和脉动压力满足设计要求，具有高效低振的优点。设计的毂帽鳍具有明显的节能效果。

油船； 螺旋桨设计； 毂帽鳍

0 引 言

“安全环保、节能低碳、环境友好”等绿色技术是21世纪船舶科技发展的主流趋势。国际海事组织(International Martime Organazation, IMO)制定的船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)已于2013年1月1日生效实施。控制温室气体排放、保护大气环境受到航运界的普遍关注。随着全球航运市场日益萧条，航运公司对影响营运成本的船舶能效更加关注，对新造船舶能效指标的要求更加严苛。船舶设计时，在船型优化的基础上对推进装置螺旋桨及其相关附体进行优化设计是降低船舶能耗的重要途径。上海船舶运输科学研究所(以下简称船研所)从20世纪90年代起，开始应用基于数值升力面理论-涡格法的现代螺旋桨计算程序进行适伴流螺旋桨设计，已成功应用于多艘油船及散货船上。近年来，船研所研发设计的毂帽鳍等节能附体技术已在多艘船上安装应用，达到了预期的节能效果。针对25 000吨级油船，在其前期研发阶段运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件对船体线型进行优化和模型试验验证，根据模型试验数据和主机资料进行螺旋桨及毂帽鳍的优化设计和模型试验验证。

1 螺旋桨设计

该船为常规单机单桨船舶，设计人员首先对船体线型进行优化并在船研所拖曳水池中进行相关模型试验。该船主机的连续最大运转工况为5 850 kW×85 r/min,要求设计航速为14 kn。

1.1 MAU图谱桨设计

根据船模试验获得的有效功率和自航因子等数据资料，应用MAU图谱设计图谱桨，图谱桨参数为：螺旋桨直径D=6.600 m；螺距比P/D=0.786;盘面比Ae/Ao=0.400;桨叶数Z=4片。

根据MAU图谱桨敞水性能结果和库存桨模型试验数据进行实船航速预报，此桨对应的服务航速Vs=14.28 kn，螺旋桨转速Ns=81.5 r/min。

1.2 适伴流螺旋桨设计

根据本船主机和艉框布置特点，确定设计桨的直径。该船的主机为低速机，螺旋桨直径可适当取大，但也要考虑船舶设计吃水、轴高和螺旋桨叶梢与船体之间要有足够大的间隙等因素。

根据备用桨模型试验得到有效功率和自航因子，应用MAU图谱计算得到图谱桨最佳直径为6.6 m。船舶自航因子会随着螺旋桨直径和载荷分布的变化而变化，图谱桨计算得到的最佳直径只能作为参考。该船设计吃水T=9.4 m，轴高3.3 m，显然Ds=6.6 m的直径对该船来说偏大。为避免螺旋桨空泡脉动压力使船体产生较大振动，需要在螺旋桨叶梢和船体壳板间留有适当的间隙，综合各方面因素选定设计桨直径为Ds=6.3 m，此时螺旋桨叶梢与船体板壳间距L和螺旋桨直径D的比值L/D=0.23(见图1)。根据以往的经验，对于3万吨级左右的油船来说该数值可以接受。

船舶模型试验测量艉部桨盘面处的标称伴流场(见图2)。对标称伴流场进行调谐分析，选用合适的侧斜分布，使侧斜分布线与尾流对叶剖面最大法向速度相位角径向分布曲线有较大分歧，让螺旋桨叶片不同半径剖面渐次进入高伴流区，以减小对艉部底端的扰动。此外，适当选择纵倾、增大叶梢与船体间距也有利于减小振动。

选择NACA66-mod厚度分布和a=0.8中线作为设计桨基本翼型；利用数值升力面理论-涡格法计算程序,设计适伴流螺旋桨，设计桨参数为：螺旋桨直径D=6.300 m; 0.7R处螺距比：P/D=0.943 9; 盘面比Ae/Ao=0.400; 侧斜角SKEW=24.9°;桨叶数Z=4片。

图1 艉部框图

图2 轴向伴流等值图

螺旋桨方案MAU图谱桨适伴流桨航速Vs/kn14．2814．44转速Ns/(r/min)81．581．8

经船模自航试验验证，设计桨和主机匹配良好，达到设计转速。

满载状态下， MAU图谱桨和适伴流桨实船航速预报结果对比见表1。适伴流桨不仅具有更高的推进效率，使航速在图谱设计桨的基础上再提高0.16 kn，而且其转速和主机转速匹配良好，从推进效率和机桨匹配的角度看已达到预期的设计效果。

2 桨模空泡试验

衡量一个螺旋桨的优劣，除了考察其推进效率之外，还要考察其空泡和激振力情况。为全面、准确地了解螺旋桨的空泡性能，在船研所空泡水筒进行设计桨桨模的空泡试验。

根据国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference, ITTC)规程，设计桨在模拟不均匀流场中的模型空泡试验采用桨模轴中心线处空泡数与实桨12点钟位置桨叶0.8R处的空泡数相等、实桨与模型推力系数Kt相等的相似准则来模拟实桨工况。船后伴流场的模拟采用金属网格法，即在桨盘面的前方放置1张根据船后标称伴流场设计的疏密不一的铜丝网格。试验用桨模为直径为224.9 mm的巴氏合金桨模。

2.1 空泡形态

桨模空泡试验观察结果见图3～图6，只在螺旋桨叶背局部区域出现片状空泡，且较稳定，面积较小，没有发现可造成叶片被剥蚀的叶面空泡和泡空泡。

图3 满载状态叶背空泡手描图

图4 压载状态叶背空泡手描图

图5 满载状态10°相位角背空泡

图7 桨模激震力传感器布置图

2.2 螺旋桨激振力情况

运用安装在空泡筒螺旋桨盘面正上方平板上的5个压力传感器测量螺旋桨空泡产生的脉动压力(见图7)。试验测得满载状态下的最大脉动压力是3号传感器上的1阶脉动谐调分量，其幅值约为1.377 kPa(见图8)；压载状态下的最大脉动压力为1.429 kPa(见图9)。以上脉动压力数值远低于货船脉动压力的一般衡准要求。

3 毂帽鳍优化设计

为进一步提高推进效率，回收螺旋桨毂涡中损失的能量，考虑在桨后安装毂帽鳍。根据设计经验和该船螺旋桨的特点，设计毂帽鳍参数为：直径D=1 530 mm；叶数Z=4；旋向为右旋；弦长530 mm。毂帽鳍侧图、普通毂帽试验及毂帽鳍试验分别见图10～图12。

毂帽鳍叶片和螺旋桨叶片相对位置角度的变化(相位角)对节能效果有一定影响。为研究相位角对毂帽鳍节能效果的影响，选取20°,25°,30°,35°和40°等5个不同相位角,在空泡水筒中进行敞水试验对比，从中选出最佳相位角度。将螺旋桨叶片参考线和毂帽鳍叶片参考线重合处设为0°，保持螺旋桨不动，从船后往前看，毂帽鳍逆时针转动n°，定义为n°相位角。表2为各方案下螺旋桨敞水试验结果。

由表2可知，该船设计桨和毂帽鳍的最佳相位角为40°，在设计航速附近，进速系数J约为0.65，此时带普通毂帽螺旋桨的敞水效率ηo=0.718 1，带毂帽鳍螺旋桨的敞水效率为ηo=0.734 8，效率提高约2.3%。由图11和图12可知，加装毂帽鳍后螺旋桨毂涡消失，印证了毂帽鳍具有回收螺旋桨毂涡能量的作用。

图8 满载状态脉动压力测试结果

图9 压载状态脉动压力测试结果

图10 毂帽鳍侧视图

图11 普通毂帽试验

图12 毂帽鳍试验

相位角度J0．400．450．500．550．600．650．700．750．80普通毂帽20°25°30°35°40°Kt0．26860．24900．22890．20840．18760．16630．14460．12260．100410Kq0．35580．33430．31190．28870．26460．23960．21360．18660．1589ηo0．48050．53360．58410．63190．67710．71810．75410．78440．8048Kt0．26910．24950．22940．20880．18780．16640．14450．12240．100010Kq0．35810．33600．31310．28960．26510．23990．21380．18670．1589ηo0．47840．53190．58300．63120．67650．71750．75300．78250．8016Kt0．26960．24990．22960．20900．18790．16640．14450．12240．100010Kq0．35860．33650．31360．29010．26560．24040．21420．18710．1592ηo0．47870．53190．58260．63050．67550．71620．75160．78090．7999Kt0．27080．25090．23050．20970．18850．16690．14500．12280．100510Kq0．35660．33500．31250．28930．26510．23990．21380．18660．1586ηo0．48340．53640．58680．63440．67920．71980．75550．78580．8066Kt0．27120．25120．23080．21010．18920．16780．14600．12400．101710Kq0．35350．33170．30920．28600．26190．23700．21100．18400．1561ηo0．48840．54240．59400．64310．68960．73240．77070．80430．8293Kt0．27070．25110．23090．21020．18920．16780．14580．12370．101210Kq0．35300．33140．30890．28570．26140．23620．20990．18260．1543ηo0．48830．54260．59470．64420．69130．73480．77390．80840．8344

4 结 语

采用数值升力面理论设计的适伴流螺旋桨的效率比传统图谱设计桨高,具有高效低振的效果。适当减小螺旋桨直径有利于减小螺旋桨质量，从而降低造价，提升其市场竞争力。应用毂帽鳍可进一步提高船舶的推进效率，降低油耗。在设计毂帽鳍时要注意毂帽鳍叶片和螺旋桨叶片的相对位置关系，提高能效。

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Optimization of the Propeller and Boss Cap Fins for a 25 000 t Oil Tanker

CHEN Jianting, GAO Yuling, WU Rui

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)

The Propeller Boss Cap Fins(PBCF) for a 25 000 t oil tanker is designed with numerical lifting surface theory. The model tests show that the performance of the design propeller matches the main engine well. The ati-cavitation performance and the fluctuating pressure meet the design requirements. The design features high efficiency and low vibration. The PBCF design by phase angle optimization has obvious energy-saving effect.

oil tanker； propeller design； PBCF

2016-06-20

高能效江海直达散货船关键技术(2014BAG04B01)

陈建挺(1981—)，男，浙江富阳人,副研究员,主要从事船舶水动力性能研究。

1674-5949(2016)03-0006-05

U664.33; U674.13+3.1

A