可调螺距侧向推进器推力测量方法

陈婷婷 窦增明

（苏州船用动力系统股份有限公司 苏州215126）

可调螺距侧向推进器推力测量方法

陈婷婷 窦增明

（苏州船用动力系统股份有限公司 苏州215126）

通过工程常用的两种经验方法估算某型船用可调螺距侧推的系泊最大推力，同时建立侧向推进器敞水试验模型，通过试验方法获得系泊状态不同螺距下的水动力敞水性能，对实尺度不同螺距情况下的侧向推进器推力和收到功率进行预报，从而得出系泊状态的最大推力。文章定义了船用侧推装置的“标准槽道”和侧推装置的“名义推力”，并对上述三种推力结果进行对比与说明。

侧向推进器；可调螺距；试验模型；标准槽道；名义推力；系泊最大推力

引 言

随着船舶大型化、高速化发展，侧向推进器日益广泛使用，对其要求也越来越多。不但推力要求越来越大，还对动力定位能力、减振降噪等综合性能要求提出更高要求。

船用侧向推进器主要安装在船体（船首或船尾）的横向槽道中，可视为是一个高流量、低压头的轴流泵［1］，一般以系泊最大推力为基本考核指标。可调螺距侧向推进器可以在不改变主机转速的情况下，通过改变桨叶的螺距大小来改变推力，从而适应船舶的航行状态。在现代化船舶中，特别是动力定位的船舶中可调螺距侧向推进器的应用越来越广泛。

本文利用经验估算，从工程角度得到某型船用可调螺距侧向推进器的系泊最大推力，建立侧向推进器试验模型（适用于固定螺距侧推和可调螺距侧推等）；通过系泊状态不同螺距比的敞水性能试验，对实尺度侧推在不同螺距下的系泊最大推力和收到功率进行预报，确定其在对应工况下“标准槽道”时的系泊最大推力，定义了船用侧推的“名义推力”，并对工程估算结果与试验结果进行对比分析。

1 项目概述

该型船舶采用可调螺距侧向推进器。因螺旋桨总是一个方向旋转，而左右舷的推力要求基本保持一致，故桨叶设计需采用零初始螺距和对称叶形。并且，为尽量减少空化的发生，改善侧推工作时的振动和噪声，故在桨叶设计时采用平衡式侧斜桨叶。

项目主要参数如下：

主机额定功率 2000 kW

螺旋桨转速 243 r/min

螺旋桨直径 2800mm

螺旋桨叶数 4叶

侧斜角 ～32°

螺旋桨叶梢距离槽道内壁距离 18mm

2 经验公式计算侧推推力

在侧向推进器选型之初，需要确定推进器的系泊最大推力参数。针对不同的使用要求，总体设计单位应根据船型、船舶主尺度和所需承受的最大风速及海况等因素、利用水线以上船的侧面积及水线以下船的侧面积来计算所需的侧推系泊最大推力［2］，设备厂商则根据这个推力要求进行具体的参数设计。

目前在国际上对侧推装置的系泊最大推力，均习惯通过经验数据估算或者由经验公式计算得出。

行业内工程估算所用侧推的系泊最大推力约为0.13～0.16 kN/kW，具体取值因船体槽道长度以及开口形状等会有不同。取中间值0.145 kN /kW，则该型侧推在2000 kW功率下，系泊最大推力约为290 kN。

工程计算用简单的经验公式［3］如下：

式中：T为系泊状态推力，kN； k为计算系数，轴转速为最佳转速，侧推运行接近全功率时，k≥0.97；D为螺旋桨直径，m； PD为螺旋桨收到功率，kW。

对于该项目的可调螺距侧向推进器系数取最低（k = 0.97），在2000 kW额定功率下，考虑电机效率、齿轮传动等，取总效率为96%，根据上述经验公式，该可调螺距侧推系泊最大计算推力可达298 kN。

3 试验方法测量侧推推力

作为分析螺旋桨性能较为简便的方法，船舶螺旋桨模型试验对于研究螺旋桨的水动力性能十分重要。

3.1 试验模型的建立

由于侧向推进器槽道直径不变，螺旋桨前后水流速度没有增加，而槽道入口的形状引起流速增加，使入口处周围压力减小，从而增加螺旋桨推力。因此槽道入口的形状直接影响螺旋桨推力的大小。随着槽道长度的增加，摩擦损耗增加，一般建议槽道长度以螺旋桨直径长度的2～3倍为最佳。与此同时，为避免空气吸入，一般建议槽道开口上边缘到水面距离不小于1/2螺旋桨直径，且为避免环流，槽道下边缘到龙骨距离不能太小［3］。

综合考虑上述因素，我们将槽道入口处开口设计成形状倒圆角，建议取用倒圆半径0.1倍螺旋桨直径，同时为避开船体线型的影响，我们选取槽道长度，外形高度及外形宽度均为2倍螺旋桨直径的正方形腔体，建立“标准槽道”内可调螺距侧推的试验模型，认为该试验模型状态下测得的系泊最大推力为侧推的“名义推力”［4］，即：船用侧向推进器的总推力由螺旋桨装置推力及“标准槽道”推力组成。

受试验条件限制，螺旋桨桨叶模型取直径为250mm的可调螺距螺旋桨，按照同样的缩尺比加工附体模型，具体包括导流帽、桨毂体、齿轮箱、支柱等在内的对流体型线有影响的整个侧向推进器的整个水下装置。可调桨装置模型见图1（即桨叶与附体模型）。“标准槽道”按上述要求取长度、高度、宽度分别为500mm的正方体，并按缩尺比加工槽道内腔253.2mm，进出口倒圆角R = 25mm（R为倒圆半径）。为避免试验中流体分离，对于槽道模型的其他边沿部分按照R = 25mm光顺倒圆（槽道模型见图2）。

将可调桨装置模型的重心与槽道模型长度方向的几何中心重合，建立了侧向推进器装置推力测量的试验模型（参见图3），分别测量螺旋桨装置推力及“标准槽道”推力。两者推力总和即为该侧向推进器装置的“名义推力”。

需要强调的是该试验方法适合可调螺距侧推和固定螺距侧推［4］。

3.2 试验内容及数据

试验分别选取4个模型开展系泊状态下的水动力测量（螺距角θ分别为0°、10°、18°、25°）。试验中固定螺旋桨转速，改变拖车速度，记录车速、螺旋桨转速、螺旋桨推力、螺旋桨扭矩和槽道推力，所测的试验数据根据CB/T346-1997“螺旋桨模型敞水试验方法”无量纲处理并根据1978年ITTC推荐的修正方法对试验结果进行实桨修正，得到各参量无量纲系数。

各个无量纲系数可表示如下［5］：

式中：TP为螺旋桨推力，kN；TD为槽道推力，kN；ρ为水的密度，kgf·s2/m4；n为螺旋桨转速，r/s；D为螺旋桨直径，m；Q为螺旋桨扭矩，kN·m。

各螺距角下的无量纲水动力特征数据汇总见表1，水动力特性曲线见下页图4。

表1 系泊状态侧推水动力特征数据

对于非0螺距的模型数据，分析导管的推力对总推力的贡献。当螺距角位于10°时，导管推力占装置总推力36.34%；当螺距角位于18°和25°时，该比例分别为41.36% 和40.42%。这与之前对于侧向推进器推力组成的认识基本一致［3］。

引入下列公式：

式中：T为推进器总推力，kN；PD为螺旋桨收到功率，kW。

得出无量纲系数后，根据实尺度侧向推进器参数，当桨叶直径为2.8m，螺旋桨转速为243 r/min时，在系泊状态下该侧向推进器不同螺距下的推力和螺旋桨收到功率预估结果见表2。

表2 系泊状态实尺度侧向推进器水动力评估结果

对上述评估数据进行插值，考虑电机本身效率、齿轮传动损失等，取总传递效率为96%，得出在2000 kW额定功率下，系泊状态该侧向推进器的总推力可达309.1 kN。

4 结 论

经验估算中，侧向推进器的系泊最大推力受航行海域、船体线型、槽道长度、开口形状大小等因素影响，估算结果为区域值。

经验公式中k为计算系数，推力计算中仅考虑螺旋桨直径和螺旋桨收到功率两个因素，未计及螺旋桨转速等影响，计算结果为参考值。

本文建立船用侧向推进器的推力测量试验模型，经相并机构进行敞水试验，得出实尺度该型侧向推进器的系泊最大推力值。

对比三者数据可以看出：估算推力比试验推力约少6%；经验公式所得推力比试验推力约少4%。三者均能有效得出侧向推进器的系泊最大推力。侧向推进器装船后，船体线型、槽道长度及开口形式大小、叶梢间隙、格栅等对推力影响都很大，且船舶在实际航行时还受到海况、风力等因素影响，推力也会不同，即使有动力定位要求也还需要通过实际使用情况进行实船调整。因此，作为工程用经验公式，估算推力及经验公式计算推力可满足项目总体估算要求，可较好用于指导工程实践。而要获得某型侧推的具体“名义推力”或者动力定位初步数据，则需通过试验的方法进行测量，并进行实尺度换算，最终在实船中调整确认。

［1］ 苏兴翘，高士奇，黄衍顺. 船舶操纵性［M］. 北京：国防工业出版社，1989.

［2］ 中国船舶工业集团公司. 船舶设计实用手册：轮机分册［M］. 3版. 北京：国防工业出版社，2013.

［3］ 简·托因布拉德. 船用螺旋桨与船舶推进［M］.瑞典：［s.n.］. 1993.

［4］ 陈婷婷. 船舶侧向推进器推力测量试验模型［P］. 中国：ZL 201520872542.8，2015.11.

［5］ 盛振邦，刘应中. 船舶原理［M］. 上海：上海交通大学出版社，2003.

On thrust measurement of controllable pitch tunnel thruster

CHEN Ting-ting DOU Zeng-ming
(SMMCmarine drivesystem (Suzhou) CO., Ltd.,suzhou 215126, China)

The maximum mooring thrust of the controllable pitch tunnel thruster of aship is estimated by the two empirical methods that are commonly used in engineering. The open water test model of the tunnel thruster is established to obtain the open-water hydrodynamic performance of the tunnel thruster under the different pitch at the mooring condition by conducting the open water model tests. The thrust and delivered power of the full scale tunnel thruster under the different pitch are then predicted to calculate the maximum mooring thrust of the tunnel thruster. It defines the “standard tunnel” and the “theoretical force” of the marine tunnel thruster, and also compares and introduces the three kinds of thrust.

tunnel thruster; controllable pitch; test model;standard tunnel; theoretical force;maximum mooring thrust

U664.2

A

1001-9855（2017）05-0061-04

2017-03-02；

2017-03-22

陈婷婷（1984-），女，硕士，工程师。研究方向：船用螺旋桨设计与研究。窦增明（1960-），男，高级工程师。研究方向：船舶动力系统的研究与开发。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.061