冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

武 珅 ， 曾志波 ， 张国平

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

0 引 言

近年来，随着全球气候变暖和北极航道开通，冰区船舶的设计和建造快速发展。对于冰区航行船舶的推进系统而言，需要产生强大推力以克服船舶冰阻和操纵多自由度运动，具体到螺旋桨除了满足结构强度要求保证冰区环境运行安全外，还需要适应冰水混合工作环境以满足水动力、空泡和振动等性能要求。极地船舶在冰区航行时，螺旋桨多工作于低进速的重载负荷工况，而且在螺旋桨进流场中还存在碎冰块的阻塞作用，造成螺旋桨的水动力和空泡性能恶化，进而影响到整个船舶的冰区航行性能。因此，开展冰水混合环境下的螺旋桨水动力性能研究，对正确认识冰桨作用机理和冰区环境下的螺旋桨性能预报具有重要意义。

由于冰桨相互作用经历堵塞、碰撞和铣削的复杂过程，在早期多是从螺旋桨冰区运行的安全角度出发开展桨叶结构强度的设计研究工作，形成了诸如“芬兰—瑞典冰级规则”[1]等冰级螺旋桨的强度校核方法和规范，而对冰区环境下的螺旋桨水动力性能研究相对较少。冰介质的引入增加了冰级螺旋桨水动力性能的分析难度，在国际上多采用冰桨模型试验的手段开展。加拿大海洋技术研究所采用人工冷冻技术制备了试验模型冰并应用于冰水池模型试验中，选用加拿大海岸警卫队R-Class号破冰船吊舱推进器的缩比模型，在冰水池中进行了拉式和推式不同工况下的吊舱推进器螺旋桨推力和扭矩特性测试，研究了冰桨作用载荷随螺旋桨运转条件的变化[2-4]。荷兰MARIN水池在室温条件下采用“热冰”模型进行了冰桨作用模型试验，测量了冰桨作用过程中吊舱推进器单叶片六分力随时间的变化情况[5]。

虽然在冰水池可进行典型的冰区船模阻力试验和螺旋桨性能试验，但是冰水池通常处于常压大气环境，很难达到推进器的工作环境压力即难以模拟冰水混合下的螺旋桨空化环境，无法得到在减压环境受冰桨作用影响的螺旋桨水动力性能。于是，以英国纽卡斯尔大学的爱默生空泡水筒（ECT）实验室为代表，采用非冻结模型冰开展了一系列不同空泡数下的冰桨靠近、碰撞和铣削试验，以某双向破冰船吊舱推进器的螺旋桨缩比模型为试验桨模，研究了空化现象对吊舱推进器在冰阻塞和铣削条件下的水动力影响，并给出了螺旋桨水动力在不同进速和空泡数下的变化曲线，验证了桨叶空化效应是研究冰桨作用机理的重要因素[6-8]。Doucet等也在空泡水筒用R-Class破冰船缩比模型桨进行了冰水混合环境的螺旋桨水动力性能试验，测量并观测了螺旋桨在重载工况下出现的推力突降和严重的云状空化现象[9-10]。但由于在不同冰水混合环境下的冰桨作用程度存在明显差异，螺旋桨的空化效应更增加了冰桨作用的非均匀性和非定常性，因而尚未能清楚揭示冰桨堵塞逼近的空化效应机理和预估冰阻塞环境下的螺旋桨水动力性能。

鉴于此，本文通过模型试验手段，在空泡水筒设计搭建了冰阻塞模拟环境、测试系统和试验桨模，开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能对比试验，重点研究冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨水动力性能影响，为冰阻塞环境下的螺旋桨性能预报提供数据支持。

1 试验模型和试验设备

1.1 试验模型

试验桨模选用文献[11]中冰区船舶螺旋桨方案的缩比模型，缩尺比为1:20.56，材料为铝合金，螺旋桨模型的主参数如表1所示，图1给出了试验桨模照片。

表1 试验螺旋桨模型主参数Tab.1 Main parameters of the test propeller model

1.2 前置冰阻塞装置

图1 TM1674A螺旋桨模型照片Fig.1 Picture of model propeller TM1674A

为了在空泡水筒中模拟冰阻塞环境，设计并加工了螺旋桨模型来流前方的冰块阻塞物模拟模型，如图2所示。阻塞物模型采用不溶于水的长方体固体物块模拟，物块横截面的宽和高分别为250 mm和125 mm，阻塞物块壳体的轴向长度为430 mm，在壳体的入流端导圆角进行导流处理，固定支架平分阻塞物宽度，高度约为160 mm。壳体内部的滑移物块可实现0～200 mm的轴向行程，并加工了阻塞物块相应的轴向驱动和位移测量系统。

阻塞物块和桨模在空泡水筒中的安装照片如图3所示，固定支架与桨轴中心线在水筒自上向下看成同一直线，固定后的阻塞物块下端面位于空泡水筒中心上方约60 mm。

图2 冰块阻塞物模型照片Fig.2 Picture of ice blockage model

1.3 试验设备

螺旋桨模型在均流和冰阻塞环境下的水动力性能试验在中国船舶科学研究中心空泡水筒中进行。水筒工作段直径0.8 m，工作段长度3.2 m，水速范围3～20 m/s，压力调整范围8～400 kPa，最低空泡数（无模型）0.15。

2 试验方法

2.1 试验相似准则

从模型试验的角度模拟冰阻塞环境必须满足相似准则，本次模型试验从几何、运动、粘性、空泡和冰阻塞环境等方面考虑相似关系，具体如下：

（a） 几何

按缩尺比1:20.56制造的螺旋桨模型保证了实体和模型的几何相似。

（b） 运动

通过螺旋桨无量纲的进速系数J保证运动相似。螺旋桨进速系数J、推力系数KT和扭矩系数KQ的定义如下：

式中：V为试验水速，T和Q分别为螺旋桨推力和扭矩，ρ为水的密度；n和D分别为螺旋桨转速和直径。

（c） 粘性

由于在模型试验中无法满足雷诺数相等的条件，要求在0.75R处桨叶切面弦长的雷诺数Rn（0.75R）超过临界雷诺数，即

式中：L0.75R为0.75R处桨叶切面弦长，ν为水的运动粘性系数。

（d） 空泡数

通过空泡数来满足模型试验的压力环境相似，水速空泡数σv和转速空泡数σn分别定义如下：

式中：P为桨轴中心压力，Pv为饱和蒸汽压。

（e）冰阻塞环境

由于本试验重点在于冰阻塞环境模拟，对冰块的模拟采用上述几何的前置阻塞机构，构建非接触的冰块螺旋桨阻塞环境，而对于冰桨切削需满足的冰块杨氏模量和压缩失效强度模拟在本试验中不作要求。

2.2 试验方法和试验工况

为了测试冰阻塞环境对螺旋桨水动力性能影响，首先利用斜流动力仪进行了均流环境、不同空泡数下的螺旋桨模型水动力性能测试，试验工况分为无空泡状态和指定空泡数状态。试验以定水速变转速方式进行，水速定为 4.0 m/s，测试水速空泡数 σv分别为 2.5、3.9、5.0、5.9、7.3和 18.4，进速系数 J从0.35～0.80，ΔJ=0.05。

对于冰阻塞环境螺旋桨模型水动力性能试验，在螺旋桨来流前方安装冰阻塞物驱动机构，采用桨轴中心线和桨盘面作为垂向和轴向的基准位置，分别将阻塞物下端面到桨轴中心距离和阻塞物近桨端面到桨盘面距离定义为冰桨垂向和轴向间距。试验测试中调整斜流动力仪垂向位置，使得阻塞物下端面到桨轴中心距离H分别为5/8D、1/2D、3/8D、1/4D、1/8D和0。在每个垂向位置，调控前置驱动机构，使得阻塞物与桨盘面轴向距离L从0.63～0.11D，ΔL=0.04D。

完成冰阻塞物与螺旋桨模型的相对位置标定后，测试试验采用定转速变水速的方法调整进速系数，调节水筒压力至指定空泡数，测量不同进速系数、空泡数下的螺旋桨模型推力和扭矩系数随冰桨相对位置变化。根据冰区船舶螺旋桨的实船运行工况特点，重点关注冰阻塞环境对螺旋桨在低进速系数时的水动力性能影响，因此测试工况共有4个进速系数，分别为0.35、0.40、0.45和0.55；4个转速空泡数，分别为 1.5、2、3 和 4。

3 试验结果与分析

3.1 均流环境的螺旋桨水动力性能

图4给出了均流环境螺旋桨模型在不同空泡数下的推力和扭矩系数随进速变化曲线。

图4 均流环境螺旋桨模型在不同空泡数下的推力和扭矩系数对比Fig.4 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different cavitation number in uniform flow environment

从图4可以看出，均流环境螺旋桨模型在无空泡状态（σv=18.4），推力和扭矩系数均随着进速的减小而增大。随着空泡数减小和螺旋桨转速增加，桨叶空泡面积增加，导致螺旋桨在低进速系数下出现了推力和扭矩下降，而且空泡数越低，越容易出现推力和扭矩突降。

3.2 冰阻塞环境冰桨垂向间距影响

与均流条件相比，由于在螺旋桨模型的来流前方增加了阻塞机构，影响了螺旋桨的入流环境，冰桨垂向和轴向的相对位置关系直接影响到冰桨阻塞的作用程度，首先固定冰桨轴向位置，研究冰桨的垂向位置变化对螺旋桨水动力性能的影响。为了比较冰阻塞与均流条件的螺旋桨水动力性能变化，选取空泡数较高，桨叶在旋转过程中不易产生空泡的试验工况进行对比。图5给出了转速空泡数σn=4，冰桨轴向间距L=0.19D时，螺旋桨模型在不同冰桨垂向间距的推力和扭矩系数对比，图6给出了图5冰阻塞环境的螺旋桨模型试验现场照片。

图5 螺旋桨模型在不同冰桨垂向间距的推力和扭矩系数对比（σn=4，L=0.19D）Fig.5 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller vertical distance(σn=4，L=0.19D)

图6 不同冰桨垂向间距时的螺旋桨模型试验照片（σn=4，L=0.19D，J=0.4）Fig.6 Test photos of model propeller under different ice-propeller vertical distance(σn=4,L=0.19D,J=0.4)

从图5可以看出，受冰阻塞作用影响的螺旋桨模型水动力曲线与均流环境基本平行，推力和扭矩系数随进速的减小线性增大，但在不同垂向间距和进速的水动力变化结果与均流环境存在差异。在图6（a）所示的H=5/8D冰桨垂向间距，螺旋桨模型推力与均流相比略有下降，这主要是由于冰阻塞模型的下端面已经高出桨叶梢部，对螺旋桨来流的垂向阻塞相对较小，在接近螺旋桨模型上方时产生了类似于加速导管壁面的效应，导致螺旋桨模型推力下降。而在H=3/8D和1/8D工况，冰阻塞模型的逼近效应使得桨盘面入流速度减小，造成螺旋桨模型推力和扭矩系数产生不同程度的增加，其中垂向阻塞程度较严重的H=1/8D工况水动力上升幅度接近40%。从模型试验中桨叶的空泡特性来看，在进速J=0.55工况，桨叶仅在旋转至水筒上方的阻塞伴流内出现小面积背片空泡；而随着进速系数下降，如图6（b）和（c）所示J=0.4工况，桨叶除了在阻塞区域空泡面积增大外，在整个旋转周期都出现不同面积的片状和梢涡空泡，多片桨叶的空化导致螺旋桨模型水动力相比均流增大的幅度变缓。

结合冰区船舶螺旋桨的实船运行工况，试验中还进行了螺旋桨模型在低空泡数下的水动力性能测试。图7给出了在σn=2，L=0.43D时，螺旋桨模型在不同冰桨垂向间距的推力和扭矩系数对比。

图7 螺旋桨模型在不同冰桨垂向间距的推力和扭矩系数对比（σn=2，L=0.43D）Fig.7 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller vertical distance(σn=2,L=0.43D)

图7相比于图5，随着空泡数的降低，在低进速系数时位于H=1/8D、3/8D和5/8D垂向位置的螺旋桨模型推力和扭矩系数随进速减小而增大的幅度更小。图7中H=3/8D状态在进速系数J=0.35时螺旋桨模型推力已下降至与均流环境基本相同，由于桨叶空化效应造成的螺旋桨推力损失量与流场阻塞效应产生的推力上升量基本抵消，此时的螺旋桨水动力性能是由冰阻塞逼近和桨叶的空化效应共同作用决定。

3.3 冰阻塞环境冰桨轴向间距影响

下面进行冰桨轴向间距对螺旋桨水动力性能的影响分析。图8给出了在H=1/4D冰桨垂向位置，转速空泡数σn=4时，螺旋桨模型在不同冰桨轴向间距L/D的推力和扭矩系数对比。

图8 螺旋桨模型在不同冰桨轴向间距的推力和扭矩系数对比（σn=4，H=1/4D）Fig.8 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=4,H=1/4D)

从图8中可以看出，在空泡数较高桨叶空化相对较弱时，随着冰桨轴向间距的减小，不同进速运行工况的螺旋桨模型推力和扭矩系数呈现不同程度的增大，尤其在L/D＜0.4时的冰桨阻塞逼近效应导致水动力上升显著。对比图8中三个进速系数下冰桨逼近过程的螺旋桨水动力变化结果，进速系数较高的运行工况推力和扭矩系数增大幅度最大，约为20%。

图9给出了与图8相同垂向位置，转速空泡数σn=1.5时的螺旋桨模型在不同冰桨轴向间距的推力和扭矩系数对比。

图9 螺旋桨模型在不同冰桨轴向间距的推力和扭矩系数对比（σn=1.5，H=1/4D）Fig.9 Comparison of thrust and torque coefficients for model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=1.5,H=1/4D)

有别于图8工况的测试结果，在图9中σn=1.5的空泡环境，不同进速工况的螺旋桨模型推力和扭矩系数随冰桨轴向间距的变化无明显规律。由于空泡数相对较低，桨叶在冰桨轴向间距较远位置已出现大面积的背片空泡现象，在整个冰桨逼近过程中，桨叶的空泡效应增加了螺旋桨水动力变化的非定常性，降低了螺旋桨水动力性能受到冰桨阻塞间距变化的影响程度。

图10和图11分别给出了螺旋桨模型在图8和图9两种空泡环境下运行的试验现场照片。

从图10和图11可以看出，冰桨的逼近效应除了影响螺旋桨模型旋转至阻塞伴流区域的空泡形态，造成桨叶的空泡面积增大外，在图11（b）中σn=1.5的低空泡数环境下，阻塞物在靠近桨盘面时与桨叶之间产生了不稳定的连体涡空化现象，连体涡在到达桨叶后与叶背片空泡结合，以团状形态沿桨叶随边脱出。

图10 不同冰桨轴向间距的螺旋桨模型试验照片（σn=4，H=1/4D，J=0.45）Fig.10 Test photos of model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=4,H=1/4D,J=0.45)

图11 不同冰桨轴向间距的螺旋桨模型试验照片（σn=1.5，H=1/4D，J=0.45）Fig.11 Test photos of model propeller under different ice-propeller axial distance(σn=1.5,H=1/4D,J=0.45)

4 结 论

通过在空泡水筒开展均流和冰阻塞环境下的螺旋桨模型水动力性能试验，测试了不同冰阻塞环境参数对螺旋桨水动力性能的影响变化，试验结果表明冰阻塞环境下的螺旋桨性能是由冰桨垂向和轴向间距、空泡环境以及螺旋桨运行工况等综合作用的结果。得到的主要结论如下：

（1）在均流环境下，螺旋桨模型在无空泡状态推力和扭矩均随着进速系数的减小而增大；随着空泡数的降低，在低进速系数出现螺旋桨推力和扭矩的下降，而且空泡数越低，螺旋桨推力和扭矩突降的现象发生越早。

（2）冰桨垂向和轴向间距的参数变化影响冰桨阻塞作用程度，改变了前方流场环境和桨盘面入流速度，一方面直接影响了螺旋桨的推力和扭矩，另一方面对螺旋桨的空泡性能产生作用，桨叶不同形态的空泡特性又对其水动力性能产生重要影响。

（3）在无空化状态，随着冰桨垂向和轴向阻塞程度的加深，在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加；而在桨叶严重空泡的重载状态，螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显，桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。

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