冰对螺旋桨水动力性能影响的试验研究

郭春雨，徐 佩，张海鹏

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001）

0 引 言

极地海洋在地球上大约占海洋总面积的7%，比欧洲和美国北部覆盖的海洋区域加起来还大。特别是北极地区蕴藏着丰富的资源，有“地球最后宝库”的美称，既包括丰富的可再生能源，还有着日渐紧缺的石油、天然气、金刚石和稀有元素等宝贵的不可再生资源[1]，随着能源价格的上涨，对于新兴能源开发的需求不断增大。同时，随着全球气候的逐渐变暖，北极航道的开通成为了可能，相比于远东和欧洲之间南部海上航线，北极航道缩短了60%的航行距离，这意味着存在巨大的潜在经济效益[2]，为了追求经济性，大量的船舶将会选择北极航道航行。这给冰区航行船舶、极地科考船以及破冰船的建造提供了契机，随着北极地区资源的开发以及航道的开通，冰区船舶的研究成为了人们越来越关注的焦点。船舶在冰区航行，特别是在破冰情况下航行时，经常会导致碎冰在船舶艏部下沉，当船舶通过覆冰区域时，碎冰会沿着船体逐步靠近螺旋桨，从而使螺旋桨受到极端载荷的作用[3-5]，直接影响到船舶的推进效率，关系到了船舶的振动、航速和经济技术指标等，所以进行螺旋桨-冰相互作用的研究具有十分重要的意义。

国外在螺旋桨-冰相互作用的研究中已经积累了丰富的经验，自从Lindroos和Björkestam（1986）[6]使用平板代替冰第一次成功尝试了冰对螺旋桨的阻塞现象以来，螺旋桨-冰相互作用过程中螺旋桨水动力性能的研究一直都是研究人员关注的焦点。Laskow（1988）[7]通过蜡块在加拿大国家研究委员会海洋技术研究所（IMD）的拖曳水池中进行了试验，研究了导管桨的冰块流与阻塞的水动力效应，并与Lindroos和Björkestam（1986）的试验进行了对比，试验结果表明堵塞导致螺旋桨轴向推力、轴向扭矩、螺旋桨的振动和吸收力的增加。此外，还测量出阻塞导致导管推力的减少，导管推力的减小大于轴向推力的增加，从而使导管桨总推力下降。Luznik（1994）等人[8]利用加拿大海岸警备队（CCGS）R级破冰船的固定距螺旋桨进行了一系列的试验，试验测量了阻塞流中螺旋桨与凹槽模型冰距离固定时，不同进速系数下螺旋桨水动力性能的变化，以及螺旋桨在某一个进速系数时，模型冰与螺旋桨不同距离时螺旋桨的水动力性能的变化。试验过程中分别测量了螺旋桨的推力和扭矩，形成了螺旋桨-冰相互作用时螺旋桨水动力性能广泛研究的一部分。Newbury（1994）等做过类似的试验，区分点在于所选择的模型结构不同。1996年，Walker等人[9]同样在纽芬兰纪念大学的拖曳水池中对直径为200 mm的敞水桨进行了试验，试验过程中分别测量了螺旋桨在均匀流和阻塞流中平均和瞬时螺旋桨推力和扭矩以及模型冰拖曳力、模型冰接近螺旋桨时螺旋桨桨叶的压力和模型冰距离的影响。试验结果表明阻塞效应使螺旋桨推力和扭矩增加，此外，阻塞也导致了平均载荷振动的增加。Mooresc（2002）等人[10]在冰水池中对大倾斜螺旋桨进行了试验，试验过程中测量了螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨进速系数的变化，同时观察到螺旋桨桨叶破坏的现象。2005年，Liu[11]改进了PROPELLA程序，研究了R级螺旋桨与锯齿形冰块距离改变时冰块对吊舱推进器的水动力性能的影响，并与试验值进行了对比。Wang（2006）等人[12-13]在冰水池中进行了螺旋桨-冰相互作用过程中螺旋桨的形状和运转条件（螺旋桨进速系数、桨叶的攻角和模型冰的切割深度）的试验，并与数值计算进行了对比。2007年，Sampson等人[14-15]在爱默生空泡水筒中研究吊舱推进器在冰槽中运动时吊舱推进器的水动力性能，该过程类似于破冰船在系泊状态下的运动状态。此外，Sampson等人（2013）在爱默生空泡水筒中分析了吊舱推进器与模型冰在切削过程中的空泡问题，以及进行了空气中的切削，并对实尺度螺旋桨-冰相互作用的数据进行了检验。

目前，国内在螺旋桨与冰方面的研究还非常少，而试验方面的研究几乎没有。针对国内在冰对螺旋桨水动力性能影响试验短缺的情况，在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中进行非冻结模型冰对螺旋桨水动力性能影响的试验，探究非冻结模型冰在邻近和阻塞状态下对螺旋桨水动力性能的影响。

1 非冻结模型冰试验

1.1 试验设备

冰对螺旋桨水动力性能影响试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池进行，船模拖曳水池的尺寸为：长×宽×深为108 m×7 m×3.5 m。拖车速度范围为0.1～6.5 m/s，通过螺旋桨动力仪进行螺旋桨推力和扭矩的测量，其推力和扭矩的最大范围是250 N和10 N·m，额定转速为3 500 rpm；通过DHDAS数据采集与分析处理系统进行数据的采集。冰对螺旋桨水动力性能试验主要是在螺旋桨敞水性能实验的基础上进行，在螺旋桨来流方向上加入非冻结模型冰，通过改变模型冰的位置以及尺寸来研究螺旋桨推力和扭矩的变化，其中非冻结模型冰的移动装置和螺旋桨敞水性能实验装置是两个完全独立的系统，分别由不同的固模架连接，固模架之间彼此没有联系，试验装置的安装位置如图1所示。

试验过程中为了模拟真实冰的运动状态，本试验设计了非冻结模型冰推进装置，该装置在螺旋桨-冰相互作用过程中需要经受极大的抽吸力，同时提供可控制的推进速度以及精确的移动距离。该推进装置主要由kk线性模组、AC伺服电机和控制系统构成，kk线性模组和AC伺服电机固定在固模架上，通过控制系统来实现冰的移动，该控制系统主要通过驱动器来实现冰的点动向前、点动向后、连动向前和连动向后四种运动类型，运动过程中速度和位移的精度分别为±0.01 mm/s和±0.01 mm，最大移动范围为550 mm，其中速度和位移大小可以通过驱动器中的内部程序来改变。

1.2 螺旋桨

本次试验所用的螺旋桨模型是根据某海事巡逻船原型桨按1：6缩尺比并进行局部修改得到的，螺旋桨的相关尺寸和参数如表1所示。

1.3 非冻结模型冰

考虑到船模拖曳水池的限制和其他因素，不能直接选择冻结冰作为试验材料，而是选择非冻结模型冰作为试验材料。与冻结冰相比非冻结模型冰具有费用低、制作时间短和性质稳定等优点。非冻结模型冰是螺旋桨和冰相互作用过程中的关键因素，也是试验前期最难选择的工作，由于试验过程中螺旋桨与模型冰之间的最小距离为1 mm，为了防止螺旋桨桨叶的破坏以及模型冰断裂，最终选择了压缩强度为166 kPa的酚醛保温板作为试验材料。试验过程中分别制作了长度为200 mm，厚度为80 mm和120 mm，宽度为200 mm的模型冰，模型冰的大小如图2所示。

图2 不同尺寸的模型冰Fig.2 Different sizes of model ice

图3 螺旋桨-冰不同距离时模型冰的位置分布Fig.3 The location of model ice in the different distances between the propeller and the ice

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

1.4 试验工况

船舶在冰区航行时经常受到不同数量、不同大小、不同方向的冰沿着船体逐渐接近螺旋桨对螺旋桨产生阻塞影响，使螺旋桨水动力性能发生显著变化。试验过程中试验工况主要包括四部分，工况1：不同厚度的模型冰在阻塞状态下对螺旋桨水动力性能的影响；工况2：螺旋桨在进速系数J=0.2，0.4和0.7时螺旋桨-冰不同距离时对螺旋桨水动力性能影响；工况3：探究冰在横向不同位置时螺旋桨水动力性能的变化；工况4：探究冰在垂向不同位置时对螺旋桨水动力性能的影响。具体试验工况如表2所示，工况2中螺旋桨-冰不同距离时模型冰的位置分布如图3所示。

2 试验结果及分析

首先建立模型冰运动时的相对坐标系，坐标系o-xyz定义为坐标系原点固定在螺旋桨桨叶的最前端，x轴定义为由桨模敞水试验箱指向来流的方向，y轴正向为从桨模敞水试验箱向来流方向看时指向左侧为正方向，根据右手定则可以得出z轴的方向向上。此外，试验过程中需要精确控制螺旋桨-冰之间的距离，试验开始之前需要确定模型冰的初始位置，本试验通过模型冰推进装置把模型冰移动到坐标原点前平板的位置，该位置定义为模型冰的初始位置，其中平板的厚度为10 mm，模型冰到达该位置后可以进行其他位置的调节。试验过程中以模型冰靠近螺旋桨的面为参考面，以参考面上最上端线的中点为参考点进行模型冰的移动。

本次试验利用哈尔滨工程大学拖曳水池及螺旋桨动力仪对螺旋桨在阻塞和邻近状态下的受力情况进行试验研究，在综合考虑水池长度、拖车速度、以及雷诺数等各项因素下螺旋桨转速设为n=1 000 rpm，试验水温为15摄氏度，螺旋桨的桨叶雷诺数依据下式计算得到：

式中：VA为螺旋桨航行时的进速（m/s）；n 为螺旋桨的转速（r/s）；D 为螺旋桨桨模的直径（m）；b0.75R为螺旋桨桨叶在0.75R处的叶切面弦长（m）；ν为水的运动粘性系数（m2·s-1）；当螺旋桨航行进速VA=0 m/s时，计算得到的雷诺数满足我国上海交通大学船舶流体力学研究室规定的雷诺数Re=3×105的要求，使螺旋桨处于充分湍流的流场状态。

试验过程中螺旋桨推力T和扭矩Q分别由螺旋桨动力仪测得，为了后续试验结果的分析和比较，无量纲系数定义如下：

2.1 敞水试验

图4为螺旋桨推力、扭矩和效率随进速系数J变化的螺旋桨敞水性能曲线，进速系数J的变化范围为J=0～0.9。可以看出，螺旋桨的推力系数和扭矩系数随进速系数的增加逐渐减小，效率随进速系数的增加呈现出先增加后逐渐减小的趋势，在进速系数J=0.7时效率达到最大值。

2.2 模型冰对螺旋桨水动力性能试验

2.2.1 模型冰在轴向运动时螺旋桨性能分析

图5为螺旋桨在模型冰h=25 mm和h=65 mm阻塞流和均匀流中螺旋桨推力系数和扭矩系数曲线，图中可以看出阻塞导致螺旋桨在整个进速范围内螺旋桨推力和扭矩的增加。在图5中，随着进速系数的增加螺旋桨在阻塞状态下的推力和扭矩值与敞水实验值相比差值越来越大，在高进速系数J=0.8时，螺旋桨推力和扭矩增加量最大，阻塞高度为h=25 mm和h=65 mm时螺旋桨推力系数增量分别为ΔKT=0.136 6和ΔKT=0.193 3，螺旋桨扭矩系数增量分别为Δ10KQ=0.147 5和Δ10KQ=0.181 8。图5可以看出，模型冰越厚对螺旋桨的推力影响越大，且随着进速系数的增加两种阻塞状态下的螺旋桨推力值之间的差值也越来越大。螺旋桨的扭矩呈现出在进速系数J=0～0.5范围内，阻塞高度越高螺旋桨的扭矩越小，在进速系数J=0.5～0.8范围内时，阻塞高度越高螺旋桨的扭矩值越大，且在该范围内螺旋桨扭矩值变化不明显。出现这种现象的主要原因是：由于螺旋桨-冰之间的距离较近，在低航速时模型冰越厚其尾部流场越均匀，螺旋桨扭矩也就越小。

图4 螺旋桨敞水性能曲线Fig.4 Open water performance diagram of the propeller

图5 阻塞流中螺旋桨的水动力性能曲线Fig.5 Propeller performance diagram in blocked flow

图6 不同进速系数时螺旋桨推力系数曲线Fig.6 The thrust coefficient diagram of the propeller at the different advance coefficient

图7不同进速系数时螺旋桨扭矩系数曲线Fig.7 The torque coefficient diagram of the propeller at the different advance coefficient

图6 和图7分别表示螺旋桨在进速系数J=0.2、J=0.4和J=0.7时螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离的变化曲线，图中可以看出，模型冰在X=10～500 mm范围内运动时，螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离的减小而逐渐增加，增加的主要原因有两个方面，一方面是螺旋桨-冰之间距离减小导致壁面效应的产生，壁面效应使螺旋桨桨叶后部的水流相对速度升高，导致流体的压强相对减少，使得螺旋桨推力和扭矩的增加，它是模型冰和螺旋桨之间距离的非线性函数。另一方面是螺旋桨桨叶在冰阻塞引起的可分离缓慢流中旋转，造成螺旋桨局部进速系数的减小，从而使螺旋桨的推力系数和扭矩系数稳定增加。图中模型冰在X=1～10 mm范围内运动时，螺旋桨推力和扭矩系数显著增加，但是螺旋桨推力和扭矩的增加量与螺旋桨敞水值相比不能稳定增加，随螺旋桨-冰距离的减小，螺旋桨的推力和扭矩值在个别点发生突变，使螺旋桨在该范围内运动时因阻塞造成的推力和扭矩的增加量不稳定。图中可以看出在螺旋桨-冰距离较近时螺旋桨-冰之间距离变化量很小时对螺旋桨水动力的性能产生很大的影响，螺旋桨-冰之间的距离每减小1 mm，螺旋桨推力系数和扭矩系数的最大增加量分别为ΔKT=0.01和ΔKQ=0.04。与螺旋桨敞水实验值相比，螺旋桨在进速系数J=0.2时，螺旋桨推力系数和扭矩系数的增加量分别为ΔKT=0.036和ΔKQ=0.059，螺旋桨在进速系数J=0.4时，螺旋桨推力系数和扭矩系数的增加量分别为ΔKT=0.052和ΔKQ=0.079，螺旋桨在进速系数J=0.7时，螺旋桨推力系数和扭矩系数的增加量分别为ΔKT=0.121和ΔKQ=0.149。通过对比螺旋桨在不同进速系数下推力和扭矩系数曲线，模型冰在X=1～500 mm该范围内运动时，螺旋桨进速系数越小螺旋桨阻塞状态下的推力和扭矩值与敞水实验值相比增量越小，进速系数越大螺旋桨推力和扭矩的增量越大。螺旋桨推力和扭矩的增加量除壁面效应和模型冰尾涡的影响外，螺旋桨-冰之间的限制流也导致了螺旋桨推力和扭矩的进一步增加，特别是螺旋桨推力和扭矩增加的数量级在实尺度预报时应该充分考虑。

2.2.2 模型冰在横向运动时螺旋桨性能分析

图8所示，模型冰在y轴上移动时螺旋桨推力在低进速系数时变化不明显，在高进速系数时略有差异，模型冰在y轴负方向和螺旋桨正前方时螺旋桨产生的推力大于模型冰位于y轴正方向时螺旋桨产生的推力。对于螺旋桨扭矩系数而言，模型冰位于y轴正方向时螺旋桨产生的扭矩大于模型冰在y轴负方向和螺旋桨正前方时螺旋桨产生的扭矩，产生这种现象的主要原因是螺旋桨的旋向为右旋，当模型冰位于y轴正方向时螺旋桨的吸流区受到阻挡，使螺旋桨因阻塞造成的周向诱导速度减小，从而使螺旋桨产生的扭矩变大。

图8 冰在y轴不同位置时螺旋桨水动力性能曲线Fig.8 Propeller hydrodynamic performance diagram with the ice in the different position of y axis

图9 冰在z轴不同位置时螺旋桨水动力性能曲线Fig.9 Propeller hydrodynamic performance diagram with the ice in the different position of z axis

2.2.3 模型冰在垂向运动时螺旋桨性能分析

由图9（a），模型冰沿z轴负方向运动螺旋桨受到的推力越大，但是在进速系数J=0～0.2范围内，模型冰在z=20 mm位置处时对螺旋桨产生的推力大于模型冰在z=-20 mm位置处时对螺旋桨产生的推力，且模型冰在z=-20 mm位置处螺旋桨进速系数大于0.3时，随螺旋桨进速系数的增加螺旋桨受到的推力逐渐增加，图9（b）中的扭矩也呈现出同样的趋势。图9（b）中，在进速系数J=0～0.3范围内，模型冰在z=60 mm处时对螺旋桨扭矩的影响大于模型冰在z=20 mm处对螺旋桨扭矩的影响，其他进速范围内，模型冰沿z轴负方向运动螺旋桨受到的扭矩越大。在图9中可以看出，模型冰在z轴不同位置时对螺旋桨推力和扭矩的影响随进速系数的增加差值越来越大，与螺旋桨敞水实验值相比差值也越来越大。

3 结 论

（1）模型冰对螺旋桨的阻塞导致了螺旋桨推力和扭矩的增加，在螺旋桨-冰距离很近时增加的主要原因归结于螺旋桨-冰之间的距离、模型冰尾涡以及螺旋桨与冰之间限制流的影响，螺旋桨推力和扭矩增加的数量级在实尺度预报中应该充分考虑。

（2）不同厚度的模型冰在阻塞状态下对螺旋桨推力和扭矩的影响表现为：模型冰越厚对螺旋桨产生的推力越大，对螺旋桨扭矩的影响则表现为在低进速系数时模型冰越薄对螺旋桨产生的扭矩越大，越厚对螺旋桨产生的扭矩越小，在高进速系数时则相反。因此，冰区船舶螺旋桨设计中应充分考虑薄冰对螺旋桨扭矩的影响。

（3）通过对比不同航速下螺旋桨-冰之间距离对螺旋桨推力和扭矩的影响可以得出，螺旋桨的进速系数越小螺旋桨阻塞状态下的推力和扭矩与敞水实验值相比增量越小，进速系数越大螺旋桨推力和扭矩值的增量越大，同时，对螺旋桨产生的空泡、振动以及桨叶的破坏也越大。因此，船舶在冰区航行时应保持低速航行。

（4）模型冰在横向运动时对螺旋桨推力的影响几乎不变，对螺旋桨扭矩的影响则表现为在y轴正方向时最大，冰区船舶螺旋桨设计过程中应充分考虑螺旋桨的旋向问题。随着模型冰在z轴负方向的运动，螺旋桨推力和扭矩越大，且出现了逐渐上升的趋势。

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