全回转推进器的水动力性能研究

张 燕

（上海倍豪船舶科技有限公司，上海200439）

0 引言

作为当今世界上大型船上船舶推进器领域背景下兴起的重大研究热点，全桨双回转螺旋桨推进器系统设计的地位是毋庸置疑的；而且与当前国内传统的螺旋桨推进系统的设计对比，具备明显的应用优势，其能够提升船舶在甲板上的空间利用率，且在推进器系统的设备设施上布置也极其新颖高效，最重要的是，能够极大地改善目前船舶推进器在日常运行过程中的空泡现象。

水动力性能设计及进一步增强现有船舶推进器安全与航行稳定保障设计性能设计等；整机结构模块化和设计一体化程度达到极致高，便于整机安装及维护检修与部件修理后更换维修；其安全和可靠性要求及较高的,适用性能达到了极强标准要求等十多项主要优点。

以此基础上，技术参数拥有了以上综合的诸多设计优点后，通过对于全回转推进器装置系统的大批量开发与功能应用，也让处于初步阶段的工程船舶结构上的整体质量变得十分可靠，同时，在机动性性能方面以及在船舶综合运行当中的动力传输效率方面会有大幅度的功能提升。其被开发并应用广泛的工程领域范围内，也在逐步地从工程船类中（例如拖船、浮动起重船、渡船等）在应用形式上逐渐转变为豪华型客船、游船类和其他类别的船类等以此增加船舶的效率。对于全速回转的船用火箭推进器系统而言，这样不仅能够让火箭推进器的系统在航海世界上的技术应用中，具有很宽阔的技术操作性与长远的航海经济市场前景。因此，其系统设计的理论分析及其实验研究问题一直以来得到着世界与国内外海洋军事船舶工作者广泛研究与重视。

螺旋桨的使用和维护性能参数主要包括其水动力性能、可靠性和疲劳寿命特性。其中，螺旋桨水动力性能作为螺旋桨的综合性能评价指标之一，可能会产生连带效应，引发其他部件性能下降的异常现象。因此，针对全回转推进器在水动力性能方面的学术研究是必不可少的，这能够保证未来全回转推进器器在各个领域的安全使用有较高的使用价值[1]。

1 推进器水动力学性能研究

1.1 几何建模

为了能够使推进器有更加具象化的认知，本文的几何图形建模就以船重工某型研究所研发设计的高性能回转推进器作为主要的研究方向以及试验对象，对上述的理论研究开展建设工作。其中，在螺旋桨的组成结构及其重要部件中有许多的辅助性零件，其中涵盖了立柱、螺旋桨叶片等。而承重部件则通过焊接技术组成，如过盈调整、螺纹连接等。故几何建模在此假设水动力模型的精度如不受外部因素的影响，所以为了能够简单了解这一模型样式，继而建立的全回转推进器三维简化模型如图1所示。

图1 三维简化模型

1.2 计算域

为了能够提升区域化计算的精确数值，减少在数值计算方面的计算误差，可以将区域边界的实际有效长度限制在10D、直径为5D的一个圆柱体范围内（D表示螺旋桨的直径长度）。同时，为了能够确保螺旋桨尾部能够在启动时自由运动，以桨叶中心为基准，与输出螺钉的距离应是7D，与螺旋桨入口两者之间的距离应是3D。下图2所示的即计算域模型。

图2 计算域模型

计算场模型可以建立，例如通过多坐标系模型（MRF），通过合理计算后的空间可以划分成旋转空间以及外静态旋转场空间。其中，静态字段通常包含基本组件。旋转区域，还包含传动轴与旋转的螺旋桨轮毂。

1.3 网格划分

因为计算域中的网格划分基本上都是四面体网格，因此与导管内壁面之间的间隔差会变得非常窄，为了能使2个推进器表面和管道内壁表面区分更为明显，在实际操作中，必须对缝隙中的网格进行进一步的精细化处理。具体如图3所示。

图3 计算域各部分网格

1.4 边界条件

计算模型的边界主要条件设置为：

1）将计算池的左端面作为当前速度输入的最大条件，并根据不同的流速入口来调节流量输入的速度；而正确的极限值被设置为压力输出的极限条件。

2）螺旋桨部件表面和固定部件表面的外部接口设计为墙壁。

3）将旋转区域和剩余区域相交的接触面设置为“interface”。湍流模型在方程式中主要选择RNG模型与k-z模型，并于壁面附近使用标准的壁面函数模型。螺旋桨的最大速度范围为180°/min，进给系数的范围为0.01～0.75范围内的速度J值。

2 全回转推进器多偏角工况水动力特性分析

2.1 数值模拟与模型试验结果比对

在不同倾角情况下，对全回转推进器的水动力特性进行了数值仿真测试，并与真实试验数据进行数值比较。

针对全螺旋桨的推力系数以及扭矩系数，全螺旋桨进给间隔内的理论计算值应略高于测试的实际理论计算值或略高，由于两者之间的粘结性能也较为良好，计算的值域出现的误差概率也相应减小。针对导管的kya推力系数以及螺旋桨装置的推力系数KPW、水动力效率系数Z，在低进的速度范围里，计算统筹出的实际差值会由于其数值差异要低于实际运行的测试阈值。而其在其相对于的于高低进速范围内实际的实际计算值误差又要尽量稍微地大于其实际试验值，计算值精度要保证与其实际的试验计算值贴合性一致或允许稍显有微差，但又允许将计算值误差尽量保持在一个其实际可被广泛接受使用的值范围内。

数值模拟计算预报与数值模型计算预报试验的分析研究结果通过进行的对比和试验数据表明，此处2种试验分别采取的数值模型和计算模型预报的策略组合均是具有显着地较高的数值建模的数值分析的可靠的性能要求和数值模拟和计算的预报的精确性，在多向低仰角条件下，全速旋转推进器模型的开放性，能可以得到更高准确的数值分析和预报[2]。

可得推导出在多偏角（0°，±5°，±10°）的全转速旋转状态下螺旋桨的模型、各种水动力系数和随动速度曲线的数值分布。

1）导管推力系数均为Kza、螺旋桨推力系数为Kr，而推进单元的推力系数均为KTm，扭矩系数均为10 K。当前随着螺旋桨进速量系数的阶段性增大而产生明显的递减趋势。其中：KT和10 K在全进速区间范围内随进速增大而呈下降趋势的速度值，相比变动速度趋势曲线表现较为平缓，变化的幅度范围也没有过大的波段影响（例如Kz，变化的速度范围一般分别仅为0.2～0.3，10K的变化频率范围为0.3～0.5)；而KTra和Krw，在全进速变化区间内以及随着全进速量的下降变化过程中速度趋势在数值分析上内容处理流程复杂且数据波动较大，变化的数值范围也较为广泛（Kna变化范围为0～0.3，KTw变化范围为0～10.5)。

2）敞水效率z。在各种倾斜情况下，曲线的开度 n曲线应该是在速度因子J小于0的情况下，计算曲线值未达到的峰值时曲线所实际对应的峰值，

2.2 进速、偏转角对水动力性能影响分析

从试验的数据中随机选择最为平均、代表性强的试验特征的数学模型，并对其进行了数值模拟，主要的数值有：0.5 m/s，1.5 m/s，2.5 m/s（对应进速系数J分别为0.136，0.408，0.680），根据模型所示的各进速工况作用力下形成的全速回转推进器模型各偏转角工况下，对下水动力系数的模拟实验计算结果对敞水动力系数变化产生的数值影响进行全面性的计算及分析，得出螺旋桨进速及对螺旋桨敞水动力系数的综合数值。

计算给出螺旋桨最大进速量达到了0.136 m，0.408 m，0.680 m时，这些数值在螺旋桨偏转角力的条件限制下可得出的螺旋桨推力系数为Kp，推进单元的推力系数为KT，导管单元推力系数为Krua，扭矩系数为10K。及螺旋桨敞水效率系数为n。

2.3 计算结果分析

为了能够让计算结果更为准确，特此采用J=0.087，即水流速度v=1 m/s，螺旋桨转速180 r/min的基本条件下，不同回转角度条件下，可产生不同的水流速度，而各个速度所表示的转速范围就如图4所示的水动力学性能曲线。

图4 某型推进器全回转推力系数测试值

可以看出，开阔水域中的效率n有改变的趋势，当返回角为180°时，效率达到最大值0.197。图5显示了外国机构使用六分量天平测量全旋转螺旋桨在360°旋转时推力系数的变化曲线。

图5 螺旋桨坐标系xoy′下的水动力学性能曲线

通过比较，图4所示的计算结果与图5所示的试验结果基本一致。在全曲柄推力条件下，Kr线呈现“双峰一谷”的变化趋势，在180°处有1个谷底，在120°和240°附近各有1个峰值。

图6中表明了返回角为120°时螺旋桨表面所显示的压力分布数值。从表1可以得出，坐标系中的xoy坐标在旋转度数转变为120°的前提下，螺旋桨的推力输出值会达到当前性能参数的最大值877.694 kn。在这个时候，叶片表面的推力、吸力面的压强差值会达到顶峰数值，导致叶片上形成较大张力。

图6 回转角为120°时桨叶表面压力分布

表1 不同回转角下全回转推进器水动力学性能参数

3 全回转推进器的数值模拟难度

1）旋转螺旋桨结构复杂，包含许多部件（如螺旋桨、导管、吊舱和导向翼）；由于相关的部件与周围环境流场所产生的相对运动极为复杂，为确保水动力系数在数值计算分析方面的准确无误，必须仔细考虑数值计算区域内的形状大小、网格划分方法以及湍流模型等数据计算策略。

2）旋转螺旋桨斜流状态在数值模拟阶段较为困难，主要的操作难点就在于选用何种方式进行数值计算。并在符合实际测试情况的前提下，设置适当的多偏角尺寸，以确保计算域中输入和输出轨迹的质量能够保持模型数值不变；同时需要特别考虑边界条件的定义和求解方法。

根据斜流条件的数值计算策略，本文针对全回转螺旋浆在多偏角条件下的水动力性能实施情况进行了数值的模拟；除此之外，为了保证数值的真实性，在某运输科学研究所，针对拖曳水池进行了全回转螺旋桨在多偏角的限制条件下进行敞水模型实验，并以此作为基础绘制了性能曲线；最终，通过具体数值的真实情况模拟试验结果，分析得出了当前螺旋桨在多转角条件限制下的敞水动力特性参数。总而言之，在不同的推进速率范围内，多偏角会影响到全回转螺旋桨水动力的影响规律，以及相应的动力系数变化趋势及重力。

4 结语

通过上述试验与计算，可得到以下结论：

1）通过采取科学合理的试验手段，通过多种数值优化与计算域模拟求解，经由策略的组合应用策略，针对模型试验的技术应用以及现场的验算结果得出：其具备较高的性能水平且实际的应用可靠性。

2）在各偏转仰角工况状态下，水动力系数值均会随着进速的实际参数的绝对值的不断增大而呈现下降趋势，其中：Kz与10 K的系数的下降趋势趋向平稳，而且变化的曲线较小；而Krua和Kr的下降的趋势却较剧烈，变化的范围则较大；曲线速度应在曲线J值约为曲线正负差0.5倍左右时就可以达到整个曲线的最高峰值。

3）在不同的推进条件下，各种水动力系数的速度和变化趋势曲线以及后续轴偏角的系数曲线也基本上反映了同时增加、减少、几乎呈锥形和断裂的线型。推进系数的V值在不同方向上也有相同程度的变化，各种水动力系数的数值变化和速度趋势变化的各种值随偏角和重力的方向和数值趋势变化的程度大小上的十分重要的影响。