大型循环水槽吊舱推进器空泡性能试验研究

黄红波，吴颖昕，王建芳，樊晓冰

（1．中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082；2．江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏无锡214082）

大型循环水槽吊舱推进器空泡性能试验研究

黄红波1，2，吴颖昕1，王建芳1，樊晓冰1，2

（1．中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082；2．江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏无锡214082）

文章介绍了大型循环水槽实验室利用全附体船模进行了RORO吊舱推进器空泡性能试验研究情况及相应吊舱推进器空泡试验方法，并与Marin试验结果进行了比较。试验结果表明：在相同模型与试验工况下，吊舱推进器螺旋桨叶片上空泡形态及空泡诱导的船体脉动压力与国外Marin试验结果相当。

吊舱推进器；空泡；脉动压力；大型循环水槽（CLCC）

0 引言[1-5]

在船舶众多的推进方式中，吊舱式推进（Azimuthing Podded Propeller）是近年来新兴的热门推进方式，是船舶推进器领域的创新成果，它已经成功应用于众多商船和游船，而且正越来越受到重视。

吊舱推进器多与吊舱包一起安装于船体下方，由吊舱包内的电机驱动。吊舱推进器相比于常规推进器的有其特有的优点：吊舱推进器可通过与船体相链接的法兰来控制推进器整体的转动方向，从而提供各个方向的推力，可省掉舵及侧向推进器等装置，明显改善船舶的操纵性能。由于吊舱推进器的动力机构安装在吊舱包内，省去了较长的传动轴系，提高了船舶舱容，动力机舱布置更加自由，节省空间及成本。除此以外，吊舱推进器的螺旋桨离船体较远，其工作流场与常规推进方式相比均匀得多，大大改善了螺旋桨的工作环境，因此可以提高效率、改善推进器空泡性能，降低水动力噪声；吊舱推进器一般不需要齿轮传动，轴系长度较短，轴承数量较少，因此也降低了机械振动噪声。另外，使用吊舱推进器的船舶艉部线型的设计更加自由，不再受推进器设计的限制。

目前，国外吊舱式推进器的应用已相当广泛，特别是在豪华游轮、跨海渡轮、油船、LNG船及一些特种工作船上。欧洲已出现了数个具有各自特点的吊舱式推进器品牌，如Azipod，Mermaid，Dolphin和SSP等等。吊舱推进器在提高军用舰船隐身性方面的潜力也不容忽视，高临界航速是军船推进器设计的主要指标之一，若采用吊舱式推进器可大大改善推进器伴流场，从而临界航速可大为提高。正是由于吊舱推进器的上述优点，它在水面舰船上有较为广阔的应用前景。特别是，吊舱推进器是电驱动的推进系统，完全符合军船“全电化”的趋势。正因如此，对吊舱推进器进行研究具有深远的军事意义，美、英海军的新型驱逐舰设想中就已提出了吊舱式推进方案。

吊舱推进器虽优点突出，但在现阶段还有很多问题需要解决，特别是在回转操作过程中，非定常水动力空泡及其诱导的脉动压力、噪声性能等等，国内在这方面鲜有研究。本文介绍中国船舶科学研究中心大型循环水槽实验室进行吊舱推进器空泡及其诱导的脉动压力试验。

1 循环水槽吊舱推进器空泡试验方案选择[7-10]

拖曳水池在进行吊舱推进器试验时，所有设备安装于船模之中，且船模浮于水面之上，不受空间与水密限制，有更大发挥空间，如图1所示，拖曳水池中与吊舱推进器相关的试验既可选择驱动电机竖式布置结构，也可选择驱动电机横式布置结构。而对于封闭式大型循环水槽而言，由于受试验段中舱空间与水密限制，实现吊舱推进器试验要复杂的多，主要是由于推进器空泡试验特点所决定：①吊舱推进器空泡试验时负荷远高于敞水试验及自航试验时的负荷；②大型循环水槽对吊舱推进器布置有严格限制，发挥空间有限；③空泡试验时测试设备工作环境恶劣，处于高真空变压环境中。在大型循环水槽中的本次空泡试验选择横式布置的电机驱动方式。硬件布置示意如图2、图3所示。

图1 不同实验设施吊舱推进器试验布置方式Fig.1 The motor arrangement of podded propeller for different Lab

图2 循环水槽全附体吊舱推进器空泡试验布置（整体）Fig.2 The motor arrangement of podded propeller for CLCC Lab(whole view)

图3 循环水槽全附体吊舱推进器空泡试验布置（局部）Fig.3 The motor arrangement of podded propeller for CLCC Lab(local view)

2 吊舱推进器空泡试验方法[6-8]

模型试验最基本原则是相似准则，即几何相似、运动相似和动力相似。试验过程中船模与螺旋桨模型按相同的缩比保证了几何相似，空泡试验中确保空泡数相等与负荷系数相等，确保运动与动力相似。其中负荷系数相等可根据自身设备情况及实验数据分析又可分为二种，即等Kt或等Kq。

2.1 螺旋桨等推力系数方法

吊舱推进单元根据螺旋桨与吊舱包的相对位置，可分为推式与拉式两种。本次试验用吊舱推进单元为拉式推进系统。要准确确定吊舱单元空泡试验工况必须了解吊舱推进快速性试验方法。根据吊舱推进器特点，如上所述可按两种方式进行。第一种方法是将吊舱包作为船舶附体，螺旋桨作为推进器，进行相关的阻力、自航试验。第二种方法是将吊舱包与螺旋桨作为一个整体，作为推进单元，按常规螺旋桨快速性试验方法进行。两种力测量划分方法示意图如图4、图5所示。

图4 螺旋桨为推进单元（吊舱包作为附体）Fig.4 Propeller as propulsion unit(pod as accessory)

图5 吊舱包及螺旋桨整体为推进单元Fig.5 Propeller and pod as propulsion unit

第一种方法存在缺点为吊舱包端面与螺旋桨端面紧挨相连，当螺旋桨旋转时，吊舱包端面与螺旋桨端面之间会形成负压区，对螺旋桨推力测量有一定影响，特别是两端面间隙增加时，螺旋桨推力明显变化。对于拉式吊舱而言，吊舱包对螺旋桨尾流有一定阻塞作用，螺旋桨推力也会增加。进一步而言，吊舱包作为船舶附体的一部分进行阻力试验时，其阻力成分实船修正暂不明了。所有这些对吊舱推进单元预报存在不确定因素，影响航速精确预报，不能准确确定空泡试验方法与工况。

第二种方法将螺旋桨与吊舱包作为一整体为推进单元，螺旋桨与吊舱包之间的相互影响，为整个推进器的特性。目前，国内外对吊舱推进试验方法经验及ITTC推荐试验规程均以第二种方法为最佳推荐方法。应用此种方法时应特别注意吊舱包上端面与船体之间间隙，减小间隙对力测量的影响。

2.2 螺旋桨等扭力系数方法

国内外有关吊舱推进器模型试验表明，由于螺旋桨和吊舱室间的间隙影响明显，使精确测量吊舱推进器的螺旋桨推力存在很大不确定性，各个试验室之间测量数据有较大误差，因此在空泡试验中ITTC更推荐使用“等扭矩系数”条件，满足实船推进器扭矩系数KQP相等。本次循环水槽空泡试验将借鉴等KQP方法。

为了减小层流对空泡性能的影响，在工况选择时将考虑较高的螺旋桨转速及试验水速，使之获得较高的桨叶雷诺数。

3 试验模型

3.1 船舶及附体模型

为实现循环水槽吊舱推进器空泡试验，针对某127 m长RORO船[9]，开展1：13.636缩比模型吊舱推进器的螺旋桨空泡试验研究。空泡试验用船模按缩比加工吃水线以下外形，材质为玻璃钢。模型按要求达到几何相似、外型光顺和喷漆表面光洁。表1列出实尺度和模型尺度船舶的主要几何参数，图6给出整船模照片。为模拟吊舱推进器空泡试验，按船模相同的缩尺比，加工两只玻璃钢材质吊舱包，其模型照片见图7。

表1 RORO船实尺度及模型主尺度Tab.1 The main specifications of full scale ship and model ship

图6 RORO船模型Fig.6 The RORO ship model

图7 吊舱包模型Fig.7 The pod model

3.2 螺旋桨模型

此艘RORO船共有两套拉式吊舱推进单元，两螺旋桨为内旋。螺旋桨模型主要特征参数见表2，此桨为铜质材料加工，表面喷涂兰色油漆，如图8所示。试验中测量左舷侧右旋螺旋桨。

表2 螺旋桨主参数Tab.2 The main specifications of full scale propeller and model propeller

图8 螺旋桨模型照片Fig.8 The photos of model propeller

4 测试设备及测量仪表

4.1 大型循环水槽

试验在CSSRC的大型循环水槽内进行。水槽试验段长度10.5 m，宽度2.2 m，高度为2.0 m。水速变化为1～15 m/s。试验段中心线压力可30～350 kPa变化。船模安装在试验段，用平板模拟水线面。

4.2 动力仪

驱动螺旋桨模型转动的水密交流电机的最大转速为2 900 rpm，转速精度为0.2%。螺旋桨推力和转矩由H101动力仪(Cussons公司制造)测量。动力仪的推力量程为600 N，转矩为30 N·m，测量精度为0.3%。

4.3 脉动压力测试设备和分析方法

脉动压力用14个KYOWA PGMC-A-200KP压力传感器测量，传感器的最大量程为0.2 MPa，频率响应达到20 kHz。这些传感器镶嵌在船模螺旋桨上方船底板上，传感器测量表面与船底板下表面齐平；传感器的布置见图9。相邻传感器之间的距离为80-90 mm。

图9 脉动压力传感器布置（与Marin一致）Fig.9 Arrangement of pulse transducers

压力信号由14个具有宽频响应特征的DH3840放大器放大；经NI4472 A/D采样卡采集信号；通过FFT分析，可以得到具有不同倍频的压力脉动幅值ΔPim（i=1,2,3,……），根据下面公式可以换算为无量纲的脉动压力系数KPi：

假设脉动压力系数KPi没有尺度效应，在模型尺度和实船实尺度下认为KPi相等。根据测得的KPi，按下式预报实船尺度下的压力脉动幅值ΔPis：

4.4 空泡观察仪器

在螺旋桨上游船模内左侧安装了两个微型水密CCD，下游安装一个CCD用以观测螺旋桨桨叶和舵表面的空泡，观察窗外的三个频闪仪的频率与螺旋桨转速相等，用以观察螺旋桨不同角度位置时叶片的空泡形态。

5 吊舱推进器空泡试验

5.1 空泡试验工况

此RORO船[9]在设计吃水10%sea margin（10%功率储备）时，航速20.15 kns，其空泡试验工况见表3。考虑ITTC推荐规程及其它水池经验，循环水槽进吊舱空泡试验按等KQP工况进行。其中偏航角以吊舱包前端向外为正角度。

表3 吊舱推进器空泡试验工况Tab.3 Test conditions of podded propeller

5.2 吊舱螺旋桨水动力测量

试验用RoRo船模型固定在安装架上，整体吊装在试验段顶部，船模沿口与试验段天花板齐平，同时船模及吊舱包中心线平行试验段中行线，安装过程照片如图10所示。空泡试验前，测量了吊舱推进器螺旋桨水动力，结果如图11所示。

图10 吊舱推进器模型安装照片Fig.10 Test setup of ship model

图11 吊舱推进器螺旋桨船后水动力结果Fig.11 The performance hydrodynamics behind ship

5.3 吊舱推进器空泡试验及结果分析

根据拉式吊舱推进器螺旋桨水动力结果及试验工况表，按等空泡数及等扭矩系数确定了推进器空泡试验工况。大型循环水槽（CLCC）中吊舱推进器空泡试验，观测对象为左舷侧右旋螺旋桨，而荷兰水池为右舷侧左旋螺旋桨（导边喷沙），两实验室均以螺旋桨参考线在12点钟位置为观测的0°，按螺旋桨旋转方向，角度增加为正。大型循环水槽（CLCC）进行空泡试验时，为尽可能提高螺旋叶片雷诺数＞（1×106），模型试验转速取30 r/s（荷兰水池约14 r/s，桨叶导边喷沙处理），试验过程中螺旋桨叶片条状片空泡非常明显、梢涡空泡也存在；特别是在30°角度附近，桨叶叶背片空泡达到最大面积。随着角度增加空泡面积从小增大后逐渐减小。试验过程中附体未见空泡生产，如图12所示。在循环水槽空泡试验时，此船桨叶叶背片空泡结果与Marin减压水池中桨叶叶背片空泡相当，而桨叶叶梢梢涡强弱有细微区别。

图12 设计吃水空泡形态照片（0°偏航角）Fig.12 Cavitation photos at design draft condition(0°yaw angle)

图13 设计吃水预报实船脉动压力结果对比Fig.13 Comparision of pressure fluctuation for full scale at design draft between CLCC and Marin

空泡试验过程中，同时测量了螺旋桨空泡诱导的脉动压力，并按（2）式预报到实船结果，实验结果表明，吊舱推进器螺旋桨空泡诱导的脉动压力非常小，最大脉动压力值在300 Pa左右，不同测点脉动压力数值大小及分布情况，如图13所示。

循环水槽还进行了在吊舱包在偏航角5°（向外偏斜）时空泡与脉动压力测试，试验结果表明其空泡及脉动压力比0°略严重，空泡形态如图14，脉动压力结果如图15所示。

图14 设计吃水空泡形态照片（5°偏航角）Fig.14 Cavitation photos at design draft condition(5°yaw angle)

图15 预报实船脉动压力（5°偏航角）Fig.15 Pressure fluctuation for full scale at design draft(5°yaw angle)

6 循环水槽实验室与Marin水池实验室空泡试验对比分析

荷兰水池进行吊舱推进器空泡试验在减压拖曳水池中进行，根据试验工况、深水拖曳水池阻力和自航试验结果预报确定按等傅氏数确定试验中水速及转速，试验压力按等空泡数确定。自航试验时，桨叶及吊舱包均不喷沙，空泡试验时，从桨叶根部到梢部（叶背叶面）的导边两侧沿弦长方向喷涂2 mm左右沙带，此目的是减少过低雷诺数对空泡的影响。其次，水池空泡试验时水中空气含量约为0.3[2]。

大型循环水槽进行空泡试验时，需根据水池自航试验结果确定螺旋桨等负荷（等KPQ）点，试验前必须测量螺旋桨水动力，根据以往经验，导边喷涂沙粒会显著影响螺旋桨水动力结果，因此水槽空泡前必须剔除桨叶导边沙粒，试验中为尽可能高的雷诺数，试验转速30 r/s，是荷兰水池的2倍。循环水槽空泡试验时，水中空气含量在0.8左右。

基于上述两主要区别，以及不同实验室中水质的区别，空泡试验过程中桨叶表面空泡形态及其诱导的船体脉动压力存在微小区别见图13，工程应用研究上两者结果均可接受。

7 结论

（1）大型循环水槽是吊舱推进器空泡性能研究的最佳试验设施之一，本文介绍的吊舱推进器空泡试验方法及试验中应当注意的问题值得在同行中交流、推荐，并将逐步形成试验规程；

（2）吊舱推进器空泡诱导的船体脉动压力，相对于常规螺旋桨而言，幅值明显偏小；

（3）针对同一个试验对象，大型循环水槽与荷兰水池试验结果互相得到了印证，对空泡形态及其诱导的船体脉动的少许差别进行了分析，在工程应用意义上，两家结果完全可接受。

[1]胡健,黄胜,马骋,钱正芳.船后吊舱推进器的水动力性能研究[J].哈尔滨工程大学学报,2008,29(3)：217-222. Hu Jian,Huang Sheng,Ma Cheng,Qian Zhengfang.Hydrodynamic behavior of a pod propeller in a ship’s wake[J].Journal of Harbin Engineering University,2008,29(3)：217-222.

[2]沈兴荣,蔡跃进,蔡荣泉,冯学梅.吊舱式推进器水动力性能研究综述[J].船舶力学,2011,15(1-2)：189-197. Shen Xing rong,Cai Yue jin,Cai Rongquan,Feng Xuemei.Summarization of hydrodynamics performance study of podded propulsion[J].Journal of Ship Mechanics,2011,15(1-2)：189-197.

[3]杨晨俊,钱正芳,马骋.吊舱对螺旋桨水动力性能的影响[J].上海交通大学学报,2003,39(8)：1229-1232. Yang Chenjun,Qian Zhengfang,Ma Cheng.Influence of pod on the propeller performance[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2003,39(8)：1229-1232.

[4]Podded propulsor tests and extrapolation[C]//ITTC-Recommended Procedures,Proceedings of the 23rd ITTC.Venice, 2002.

[5]The Specialist Committee on Azimuthing Podded Propulsion[C].Final report recommendations to the 24th ITTC.Proceedings of 24th ITTC-Volume II,2005.

[6]Guo Chunyu,Dou Pengfei,Jing Tao,Zhao Dagang.Simulation of hydrodynamic performance of drag and double reverse propeller podded propulsors[J].Journal of Marine Science and Application,2016(1)：16-27.

[7]王文涛,缪泉明,应良镁.吊舱推进船舶模型快速性试验技术[C].第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会,2010.

[8]张伟,王兆远.吊舱推进器水动力性能模拟与分析[D].上海：上海交通大学,2008.

[9]Friesch J.Cavitation and vibration investigations for podded drivers[R].HSVA,Report of Hamburg Ship model Basin, Germany,2010.

[10]Dang J,Pouw.Hallmann RO-RO Vessel(127 m)calm water model tests[R].MARIN,Report No.24486,2010.

Research on cavitation performance of podded propeller in CLCC

HUANG Hong-bo1,2,WU Yin-xin1,WANG Jiang-fang1,FAN Xiao-bin1,2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082, China;2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

The cavitation characteristics for podded propeller of a whole RoRo model in the CLCC and its test method were presented and introduced.A good agreement of cavitation performance and the induced fluctuation pressures on model between CLCC and Marin was abtained under the same test condition,same locations for same RoRo ship model.

podded propeller;cavitation;pressure fluctuation;CLCC(China Large Cavitation Channel)

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.04.003

1007-7294（2017）04-0396-11

2016-12-12

十二五水动力学预研基金资助项目（51314010101）

黄红波（1979-），男，高级工程师，E-mail：13621516671@163.com；吴颖昕（1985-），男，工程师。