导管剖面对全回转推进器性能的影响

崔立新，顾 峰，黄彦文，武 宇

导管剖面对全回转推进器性能的影响

崔立新，顾 峰，黄彦文，武 宇

（振华重工股份有限公司，上海 200125）

随着船舶大型化和高功率化，对于全回转推进器的要求也越来越高。本文提出配置一种新型剖面导流管的全回转推进器，该推进器为上海振华重工集团3800 kW全回转推进器。对该全回转推进器进行CFD模拟计算和敞水试验，并将新型导流管与19A型导流管进行对比分析，为后续设计提供参考。

全回转推进器 导流管 CFD 敞水试验

0 引言

全回转推进器可以在360度范围内旋转，能够灵活的改变推力的方向，可使船舶完成原地回转、横向平移、精确定位、反向行驶等常规推进器难以完成的操作，具有能够推进船舶和操纵船舶两种功能。全回转推进器能够在载荷较重的情况下，仍具有相对较高的效率，并且能够高效的进行船舶操控。因此，随着船舶大型化、高功率化发展，尤其是在各种工程船舶中，全回转推进器得到了广泛的应用。随着人们对海洋资源的不断开发，海洋工程船舶要求的不断提高，大功率，高效率的全回转推进器已成为主流趋势[1]。

本文以上海振华重工3800 kW推进器为例，该全回转推进器采用了一种新的型的导流管，从CFD仿真模拟和敞水试验两方面来与之前被广泛使用的19A型导流管进行分析比较，认为新型导流管具有更高的推进效率。

1 新型导管

1.1 导管参数

导管的几何特征可用下列参数表示[2]：

图1 19A型导管剖面形状图

1.2 主尺度

本文采用的螺旋桨是Ka 4-70型螺旋桨[3]，其主要参数见表一。为便于对比分析，本文选取19A型导流管（导管一），与新型流管（导管二）进行对比分析。图2为不同导管剖面示意图，其中，导管一为19A 型导管，导管二为增加了收缩系数和扩散系数后的新型导管。表二为两个导管的主要参数。

表1 螺旋桨主要参数

表2 导管主要参数

图2 导管剖面图

2 数值模拟

2.1 控制方程

本文分析中设定流体为不可压缩流体，则导管螺旋桨周围流场的控制方程为[4]：

1）连续性方程

2）动量守恒方程

2.2 数值模型及网格划分

计算域为一个圆柱体区域，圆柱体直径为 10D，其长度为 16D，流场的速度入口设置在桨盘面前 6D位置处，流场的压力出口在桨盘面后 10D 位置。为了计算的需要。又把整个流域分成2个域，在划分网格时对包含螺旋桨在内的域为计算域，并对其进行局部加密，提高计算结果的准确度。下图3为全回转推进器的三维视图，图4为网格划分图。

图3 全回转推进器三维模型

3.3 边界条件

在螺旋桨的敞水计算中，整个计算区域均相对某个参考坐标系作旋转运动，而螺旋桨周围不存在与其相互干扰的物体，因此可选用 Fluent软件提供的运动参考坐标系模型（即MRF模型）[5]。

在进口边界处设置为压力进口条件，出口边界定义为压力出口，旋转域和外域的交界面设为interface面，壁面设为无滑移固壁条件，在近壁区采用标准壁面函数。计算域内的流体则按 MRF模型设置为绕轴以转速n旋转。

图4 网格划分

2.4 结果分析

本文中计算进速系数J=0.4的情况下，全回转推进器的敞水性能。

图5中，图（a）为导管一在垂直于桨轴截面的压力分布图，图（b）为导管二在垂直于桨轴截面的压力分布图。通过对比可以看出，导管二桨叶前部的负压区域更大。这是由于收缩系数的增大，相当于入口面积增大，使得单位时间内流过螺旋桨盘面的流量增加，使桨前的负压区域增加，提高整个推进器的效率。

图5 垂直于桨轴截面的压力分布图

图6 桨叶叶背压力分布图

通过图6可以看出，导管二叶背的压力分布更为均匀。这是由于导管伸张系数增大，使导管出口处的面积扩大，从而减小尾流的收缩。伸张系数的增加，可以使螺旋桨的一部分尾涡变成导管的附着涡，从而可减少螺旋桨尾流的能量损失。

3 全回转推进器敞水试验

3.1 试验模型

上海振华重工（集团)股份有限公司委托上海船舶运输科学研究所在拖曳水池中进行全回转推进单元模型的敞水试验。推进单元模型由螺旋桨、导管、舱体与吊柱组成，推进单元模型的具体外形与尺寸，均照振华提供的图纸加工。

螺旋桨模型采用振华提供图纸加工，铝合金制造，桨模直径D=0.175 m。导管、凸台、舱体、吊柱是有机玻璃制造，均按振华提供的图纸参数加工。为了控制导管的安装角度，利用数控机床在导管上方加工了一个凸台，使得凸台上方的安装平面水平时，导管角度即可满足要求。试验模型见图7。

敞水试验通常保持转速不变，通过改变进速来改变载荷。考虑到六分力天平的量程，螺旋桨模型敞水试验转速均为21 r/s。每个工况下均进行系柱状态测量，进速范围从0~0.8。在常规推进的敞水试验中，桨轴浸深为直径的1.5 倍，试验测量各航速下的螺旋桨推力、导管推力和螺旋桨的扭矩。

在全回转推进的敞水试验中，螺旋桨模安装在直角传动推进单元的水平驱动轴上，除了常规推进敞水试验中需要测量的数据，还需测量吊舱推进单元所受到的力F1~F6；其中，F1、F2、F3的合力为单元垂直向力；F4为单元推力；F5、F6的合力为单元侧向力；推进单元为舱体、吊柱和螺旋桨、导管组成的一个整体，单元推力前进方向为正，单元侧向力往前进方向看，向左为正。

图7 试验模型

3.2 试验结果

试验结果给出了全回转推进器的推力系数及扭矩系数，其中：

试验从零航速开始拖航，不断增加进速，获得全回转推进器的敞水性能见下图。

图8 推力系数

图9 转矩系数

图8和图9为两种不同剖面的导管的推力系数和转矩系数，可见装有新型导流管的全回转推进器，推力系数和转矩系数都相对较小。

图10为两种全回转推进器的推进效率，在进速系数<0.6情况下，装有新型导流管的全回转推进器具有更高的敞水效率。

4 结论

本文旨在研究新型的导流管全回转推进器的水动力性能，认为与19型导流管相比较，具有更高的效率。

1）新型导流管在保持导管的长径比相同的情况下，增加导管的收缩系数和伸张系数。在保持长径比不变的情况下，导管收缩系数增大，使得单位时间内流过螺旋桨盘面的流量增加；导管伸张系数增大，其实质是增加了导管出口处的面积，这将导致尾流的收缩减小，减小能量损失，最直接的体现是使推进器的转矩系数减小。

2）本文提供的试验数据可以为工程实际设计和使用全回转推进器提供一定参考，为日能够在满足工程要求的情况下，如何设计出效率更高的全回转推进器提供依据。

图10 推进效率

[1] 褚德英, 张葆华, 王莹, 汝长青. 全回转吊舱推进器水动力性能试验研究[J]. 船舶工程, 2013, S2: 58-61.

[2] 夏泰淳. 导流管主要参数对导管桨性能的影响[J]. 渔业现代化, 1999, (2): 19-21

[3] 盛振邦, 杨家盛, 柴扬业. 中国船用螺旋桨系列试验图谱集[J]. 中国造船, 1983: 113-115.

[4] 王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 89-110.

[5] 崔立新. 导管螺旋桨的水动力性能及噪声性能预报[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013.

The Azimuth Thruster with A New Type of Nozzle

Cui Lixin, Gu Feng, Huang Yanwen, Wu Yu

（Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 200125, China）

U664

A

1003-4862（2019）10-0046-04

2019-03-13

崔立新(1987-)，女。研究方向：船舶配套机械设备。E-mail: cuilixin@zpmc.net