中型豪华邮轮吊舱推进舵角工况下的推进性能模型试验

吴四川

(招商局工业集团有限公司，广东 深圳 518063)

吊舱推进器同时具备推进和操纵的功能，其结构设计相对常规推进器设计更为复杂。吊舱安装形式分为两种，固定的和可以旋转的。豪华邮轮对推进器的设计有更高的要求。豪华邮轮采用吊舱式推进器，能够使用更少的能量以更高的速度运输更多的有效负载，效率高、噪声低且振动小，船舶操纵性和乘客舒适度更好, 节约能源成本并且满足环保需要。

关于吊舱推进性能的研究主要集中在敞水推进特性研究和操纵性能研究。常用方法为模型试验和数值仿真技术。已有研究表明，舱推进器螺旋桨效率较常规桨有所提高，但如果考虑吊舱下的阻力，则吊舱推进装置的系统效率较不考虑吊舱有所下降。拖式吊舱推进器敞水工况下在大舵角变化范围内，随着螺旋桨进速的增加，桨叶的推力、转矩及吊舱单元的推力下降，但是由于相关研究只在敞水工况下进行，且舵角范围相对较大，对于吊舱推进单元在自航工况下舵角对推进性能的影响未见报道。对于波浪中航行的船舶，在波长与船长的比接近1时，规则波对船舶推进性能的影响最显著。除了采用模型试验的方法，随着技术的不断进步，CFD数值仿真技术也广泛地应用于推进器的设计。CFD方法可以有效模拟螺旋桨的敞水试验，得到吊舱推进单元的推进性能。其优点是相对模型试验，能够比较直观显示吊舱对桨叶载荷的分布、吊舱支架正前和正后的流场分布情况，同时易于修改模型参数，为吊舱推进器的设计和优化提供便捷的解决方案，但往往CFD方法需与模型试验进行对比和验证。

但无论是采用模型试验方法还是CFD数值仿真，同样存在以下问题。

1)关于吊舱推进单元的推进性能研究，大多模型只建立单独吊舱推进单元，没有考虑船体和推进单元之间的相互影响。有少数研究涉及到敞水工况下大舵角范围内吊舱单元推进性能的变化特点。

2)建立吊舱推进单元和船体完整模型，大多用于研究推进单元的操纵性能，关于舵角工况下的吊舱推进器的推进性能未见相关报道。

为了探索和分析中型豪华邮轮吊舱推进舵角工况下是否存在最优舵角，以某中型豪华邮轮为目标船，在上海船舶运输科学研究所拖曳水池中分别进行设计吃水下的船模阻力试验、吊舱推进器模型敞水试验及设计吃水下的自航试验。根据ITTC推荐方法对邮轮阻力、螺旋桨敞水效率进行预报和计算。同时开展吊舱推进器不同舵角工况下的船模自航试验，并寻找吊舱推进器的最佳舵角，为中型豪华邮轮吊舱推进器的设计优化提供理论和数据支撑。

1 试验模型

模型缩尺比为27.5，实船与船模及螺旋桨主尺度见表1。中型豪华邮轮船体试验模型为木质，船模上未加装舭龙骨，在船模第19站和球艏距前端1/3处安装激流丝，试验模型见图1。在船尾布置双桨式吊舱推进器，螺旋桨为内旋4叶桨，吊舱推进器试验模型见图2。

表1 实船与船模主尺度

图1 中型豪华邮轮试验模型

图2 中型豪华邮轮吊舱推进器试验模型

2 试验分析方法

根据船模阻力试验数据，采用二因次法将船模阻力试验结果换算到实船，同时考虑空气阻力和舭龙骨阻力。摩擦阻力系数采用1957年 ITTC公式计算得到。

船模摩擦阻力系数为

=0075(lg-2)

(1)

式中:为雷诺数。

船模总阻力系数为

(2)

式中:为船模阻力；为水密度；为船模湿表面积；为船模速度。

剩余阻力系数为

=-

(3)

实船总阻力系数为

=[(+)]×[+Δ]++

(4)

式中:为实船湿表面积；为舭龙骨面积；为实船摩擦阻力系数；Δ为粗糙度补贴数；为空气阻力系数。

实船总阻力为

(5)

式中:为海水密度；为实船航速。

自航试验分析方法采用等推力法，外推方法采用ITTC推荐换算方法。当施加在船模上的强制力等于摩擦阻力修正值时，插值得到实船自航点的转速、推力和转矩。摩擦阻力修正值为

[-]

(6)

式中:为船模摩擦阻力系数；为吊舱阻力尺度效应修正系数；船模螺旋桨推力；为船模推进单元推力。

假定推力减额无尺度效应，并由下式(7)确定。

(7)

式中:为推力减额系数；为船模总阻力；为桨模推力。

根据等推力法，根据推力系数在桨模的敞水性征曲线上插值得到进速系数和敞水中的转矩系数。推力系数和船后转矩系数由下式得到

(8)

式中:为船模螺旋桨转速；为桨模直径；船模螺旋桨转矩。

船模伴流分数按下式计算。

(9)

式中:为船模螺旋桨进速系数。

相对旋转效率按下式计算。

(10)

式中:为船后转矩系数。

实船伴流修正按ITTC推荐公式计算或采用Ei方法计算得到：

(11)

=(1-)(1-)

(12)

推力减额和相对旋转效率不考虑尺度作用。

3 试验结果与分析

所有模型试验和试验数据处理参照ITTC规范。首先进行设计吃水下的船模阻力试验和吊舱推进器模型敞水试验。试验过程中船模由拖车带动，在数据测量阶段拖车速度保持恒定，拖车上配有计算机数据实时采集系统，采样完成后拖车减速，直到停止，完成一次模型试验。试验规定舵角为正时，舵的导边往外旋转。

阻力试验分析方法采用二因次法，采用ITTC推荐摩擦阻力系数计算公式换算到实船。船舶阻力试验结果和螺旋桨敞水试验结果见图3、4。

图3 船模阻力试验结果

图4 实船推进器敞水性征曲线(单桨)

随后进行设计吃水下的船模自航试验，并进行不同舵角工况下的中型豪华邮轮吊舱推进器推进性能试验。在深海、海水水温15 ℃，无风、无浪、无流、船体无污底的理想试航条件下，对各试验工况实船有效功率进行预报。自航试验中推进器在基准位置改变不同的舵角，用以分析舵角对吊舱推进器推进性能的影响。不同舵角的自航试验结果见表2。以0°、3°和6°舵角为例，试验结果见表2和图5。试验结果表明，当舵角在0°～3°之间时，船舶的收到功率变化不大，舵角继续增加则船舶收到功率增加。

图5 不同舵角下功率预报结果

表2 不同舵角下功率预报结果

进一步分析小范围内舵角变化对吊舱推进器推进性能的影响，以0.2°为间隔，0°到3°范围内的舵角进行自航模型试验。对应本研究推进器安装在基准位置即舵角0°工况时，船舶收到功率随舵角的变化量见表3。试验结果分析表明，正向小舵角能够降低收到功率，当舵角在1.4°时，收到功率降低约0.5%至0.7%，平均收到功率降低为0.62%，相对其他舱角工况，此时平均收到功率降低值最大，因此，舵角为1.4°左右时为中型豪华邮轮吊舱推进器的最佳舵角，此时吊舱推进器推进性能最优。

表3 收到功率随舵角的变化率 %

4 结论

1)舵角变化对中型豪华邮轮吊舱推进器的推进性能有一定影响，当舵角在基准角小范围变化时，船舶的收到功率变化不大。当舵角持续增加时，则船舶收到功率增加，吊舱推进器的推进性能变差。

2)综合考虑平均收到功率的变化量，可在小范围内寻找到吊舱推进器的最佳舵角。

3)通过船模试验验证了吊舱推进器存在最优舵角。

4)考虑模型试验试验费用较高且周期较长，可考虑采用数值方法与模型试验相结合的方法，通过模型试验验证数值方法的准确性，在此基础上，基于数值仿真技术对大量舵角工况下的吊舱推进器性能进行研究，为吊舱推进器的设计优化提供更为便捷的方法。