基于CFD技术的3 300 t多用途船螺旋桨整改分析

钱 俊

(安徽杰涛船舶工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

当前国内小型船舶通常采用图谱法、回归公式法或参照母型船数据估算法进行船舶推进性能设计，如采用荷兰MARIN水池的Holtop84方法、Hollenbach98方法、Davidson回归法等来估算船舶阻力性能。以上估算方法的精度一方面受到数据样本积累数量的影响，另一方面仅仅代表了所收集样本的平均水平，有可能偏于保守。特别是对于改动非常大的船型，经验积累或母型船的试验数据统计的参考意义不大，容易导致船舶阻力性能估算结果误差，进而影响螺旋桨的设计和机桨的匹配。

本文基于CFD技术，根据数学模型，采用数值方法模拟船舶航行时的流场，分析计算船舶阻力及其他运动特性，可用于优化船舶线型、螺旋桨设计，进而提升船舶推进效率。

1 某3 300 t多用途船试航问题

某3 300 t多用途船是一型适用于印度尼西亚水域(限制在离岸200 n mile以内)的兼杂货与集装箱装载的双机、双桨、双尾鳍船。该船推进系统由主机、齿轮箱、定距桨组成。主机型号为XCW6200ZC：功率698 kW，转速1 000 r/min 。鉴于船东对120只集装箱全部按25 t/箱的重箱来设计的非常规要求，又需兼顾成本、经济性和等同于无限航区的完整稳性衡准要求，导致该船设计时线型肥大，方型系数高达0.89，远大于常规货船，且艉部线型过于饱满。而推进系统选型、螺旋桨设计时对该船的船体阻力性能只是参照经验公式进行估算，并未通过船模试验或CFD技术对船体水动力性能进行测算、分析。该船建成后，试航时出现以下问题：

(1)该船主机的最大转速不能达到额定转速1 000 r/min。常规情况下，螺旋桨设计应有3.5%的转速储备，即主机达到额定功率698 kW时，转速应达到1 035 r/min。但实际试航时，左机平均转速为948 r/min，右机平均转速仅为898 r/min，且双机均冒黑烟，各缸平均排温已高达450 ℃以上(台架试验报告中，主机110%负荷时各缸排温约450 ℃)。

(2)螺旋桨转速不稳定，波动大于10 r/min，且艉部振动明显偏大。

(3)试航中，船舶压载状态下的平均航速仅为9.9 kn(逆流7.5 kn，顺流12.3 kn)，按常规经验推算到满载状态下，设计航速应在9.0 kn，远低于合同约定的10.6 kn，已远超1.0 kn差距的弃船条款。

2 原因分析与补救措施

在排除螺旋桨破损、被异物缠绕、轴系安装不当等因素后，直观判断螺旋桨设计偏“重”，即：机桨不匹配，桨直径或螺距偏大，导致带动螺旋桨轴转动的主机负载加大。排温过高的现象和爆压测试表明主机已经超负荷了，没有更多的富余功率来支撑主机转速的进一步提升至其额定转速。同时，艉部振动超标、航速严重不达标。为了保证3 300 t多用途船能达到合同约定框架内可接受的船舶性能指标，通过船舶建模CFD计算，对该问题进行复查、分析，以给出适当的修正、补救措施。

2.1 修桨方案

通过船型建模CFD计算，该船在满载与压载状态下有效功率值

P

见表1。反馈原估算值较表1计算值高出30%～40%，且螺旋桨的设计点选择也欠妥当。根据其估算，螺旋桨设计过“重”达13.5%，因而需要对桨采取切割直径及修削随边的双重措施,以减轻桨的负荷，使螺旋桨在主机额定功率下达到额定转速，并有一定的裕度。修桨方案见图1。

表1 CFD计算的船舶有效功率值

图1 螺旋桨修桨方案(单位：mm)

2.2 船尾加装整流鳍

试航时发现该船螺旋桨的转速忽高忽低，约在8%～10%的范围内波动，且艉部振动过大。这说明该船的艉部流场异常，在螺旋桨的上方及前方有缓水区域。同时，从图2中CFD的桨盘面伴流图(

v

=9.5 kn与

v

=10.5 kn是原设计状态下的2种常用航速)来看，螺旋桨处于不均匀、不稳定的伴流场，且螺旋桨供水不足。

图2 桨盘面伴流图

根据经验，采取在船尾设计加装整流鳍的方案。在螺旋桨轴的上方安装一对有一定拱度并具有一定长度的整流鳍，用以加速艉部进入螺旋桨盘面上方及前方的水流，以降低伴流峰值，改善伴流分布和螺旋桨上方及前方的缓水区域，达到稳定螺旋桨转速、改善艉部振动目的。

2.3 加装舵球

鉴于航速的合同硬性指标要求，在上述2种改善措施的同时，本文研究了舵球对螺旋桨水动力性能的影响。舵球填充螺旋桨后方的空间，有利于削弱后方轴线处的低压区，也有助于提高桨盘面处伴流场的均匀度，有利于改善螺旋桨空泡、激振等性能。舵球可以提高节能效果约3%～5%，且投资少、安装方便，因此本文设计加装了舵球的方案，见图3。

3 补救措施的效果

采用了上述3项补救措施后，该船再次进行了试航，测试的结果(见表2)基本符合预计目标。主机转速可以达到设定的额定转速1 000 r/min且转速已相对稳定，运转平稳，艉部振动明显改善，航速也大幅提高。根据试航测速结果，再根据压载状态可以推算到满载状态下的航速为10.35 kn，虽然仍不满足合同约定的指标(10.6 kn)，但也不足以作为弃船条款进而影响船舶交付。

图3 舵球设计方案(单位：mm)

4 结语

对于任何一个新的船型，即便是小型船舶，在没有成熟设计作为参照的前提下，仅仅依靠经验、常规估算是不科学的，也是有风险的。CFD技术能够对船舶阻力进行科学计算，进而得到准确的数据，避免出现螺旋桨设计不当与机桨不匹配现象。同时，采用CFD技术可分析艉部流场与螺旋桨轴向伴流峰值情况，进而根据需求设计安装整流鳍。整流鳍的采用加大了桨盘面水流的速度，改善了艉部的流场，稳定了该船螺旋桨的转速，并改善了其艉部振动。

舵球是一种改善船舶推进性能、提高节能效果的简易节能装置，可以在小型船舶上推广应用。

表2 试航测速报告