风力助推转子和气层结构对船体稳性的影响

王 伟,刘希洋,阚甜甜,郭峰山,2

(1.中国船舶科学研究中心 上海分部,上海 200011;2.中船重工(上海)节能技术发展有限公司,上海 200011)

0 引言

国际海事组织(IMO)从技术角度针对未来新造船在船舶设计和建造上提出了EEDI-III阶段和海运温室效应气体(Greenhouse Gas,GHG) 减排能效指标要求。为适应这一目标,利用风力助推船舶航行和船体气层减阻力技术,逐渐成为目前较为实际理想的船舶节能减排措施。

风力助推转子利用马格纳斯(Magnus)效应,在横风或斜风状态下,调整转子的旋转方向可使船舶产生前进方向上的推力[1],从而达到助推效果。相比风筝、风帆等风力助推装置,风力助推转子对风速和风向的适应性强,体积和受风面积相对较小,安全性更强,也有利于船舶布置。但是风力助推转子沿着船长方向产生推力的同时,根据风向的变化,也会在船宽方向产生相应的横向侧倾力,这增加了船舶的横向力矩,带来不利的影响,尤其是对于吨位较小的船舶影响较大。因此,如何在转子的布置和尺寸设计中保障船舶稳性满足设计法规的要求,保障船舶在规定海况下安全航行,需要重点分析。

船舶气层减阻技术是一项新型节能技术,以实船节能效果及EEDI指标降低均达10%以上而成为节能减排技术的重要技术手段。气层减阻技术通过专门设计的装置,向船底喷入适量气体,在船舶底部形成并保持一薄气层,使船底与水有效分离,减小船底湿表面积,从而显著降低船舶阻力。这需要在船体底部构建大型气穴(气层结构),通过一定量的空气形成稳定的气层,从而将部分船底表面与水隔开,达到减阻效果。气穴可分为外挂式和内凹式[2]。一般来说,内凹式气穴适用于新建船舶,而外挂式气穴适用于旧船改造。外挂式气穴一般只增加吃水,不影响静水力特性。内凹式由于改变了船体排水量和静水力特性,对船舶稳性有一定影响。

本文对55 m中尺度试验船开展转子和气层影响船体稳性的分析,研究转子在不同风向角下对稳性的影响,以及内凹式气穴对稳性的影响。

1 船舶概况

本文研究的中尺度试验船结构为钢质全焊接结构,推进方式采用单机单桨电力推进,电机功率为450 kW。本船的主尺度如下:总长～55.50 m,两柱间长54.43 m,型宽10.00 m,型深5.08 m,结构吃水3.42 m,设计吃水2.60 m,试验航速(结构吃水)6.0 kn,最大航速(设计吃水)10.0 kn,航区国内近海航区,船级符号★ CSA Research Ship; R1; SPS;★ CSM BRC; Electrical Propulsion System。

本船按《国内航行海船法定检验技术规则》(2020)(下文简称《法规》)和《国内航行海船建造规范》(2020)(下文简称《海规》)设计。

2 转子对船体稳性的影响

2.1 转子的布置设计

设计初期为了验证转子和气层的减阻效果,对于本船的上层建筑和转子安装位置也进行了多轮的设计和优化,最终选定上层建筑靠船体甲板中前部分。转子安装在甲板尾部,这样不会影响船舶的驾驶视线,而且艉部甲板面积较为宽敞,有利于试验装备的加装和使用。同时由于上层建筑可以阻挡一部分艏向风速,这可以减少风速沿着艏向方向时产生侧向力的不利工况。转子布置于甲板以下的横舱壁上,有利于结构底座的加强,见图1。

图1 转子布置示意图

2.2 风力助推转子的力学原理

转子工作时运用马格纳斯效应,旋转的圆柱体受来流作用,将会受到垂直于来流方向的侧向力作用[1]。马格纳斯效应中旋转圆柱的受力见图2。风力转子受力示意图见图3。

图2 气流中旋转圆柱受力示意图

V1—帆船航行时人在船上感受到的风称为感觉风(相对风速);V2—船速;θ—V1与V2间的夹角(航向角);R—V1方向上的阻力;L—与R垂直的升力;F—空气动力;T—航向方向上的分力即推力;N—与垂直航向的分力即横侧力。图3 风力转子受力示意图

转子合力F是转子升力L与阻力R的合力,而总侧向力采用线性叠加方式Fy=FN。根据机翼理论可以得到,转筒的升力系数CL与阻力系数CD为

(1)

(2)

式中:ρa为空气密度;V为来流速度;A为迎风投影面积。

采用CFD方法计算不同转速比α下风力助推转子的升力系数CL与阻力系数CD,具体计算结果见图4。

图4 转子CL与CD计算结果

2.3 转子力矩和船体稳性计算分析

本试验船需要根据《法规》计算该船的稳性。本文评估设计吃水2.6 m压载出港工况下转子对稳性的影响。初始装载工况参数如下:吃水2.6 m,排水量1 107 t,纵倾-0.26 m,重心高度3.34 m,横稳性高1.32 m。

设计初期考虑了2种转子参数的设计方案。初始方案为参考船长为300 m左右大型散货船或油船适配的高度为24～30 m的风力助推转子,并按照1∶6缩放到本船的对应安装尺寸。缩放后的初始方案转子高度只有4～5 m高,尺寸过小,验证转子助推效果不明显,故将转子尺寸进行了加大,但加大尺寸后的转子产生的横向力也会变大,对船体稳性带来不利影响。转子升力和阻力计算参数见表1。

表1 转子升力和阻力计算参数

在分析转子横向力对船体稳性影响时,考虑转子工作时极限风速为50 kn,以及风向角为3种角度方向,计算分析转子关闭和开启后对船体产生的横倾角影响。不同风向角下转子的升力示意图见图5。转子力矩对船体稳性影响计算见表2。具体分析如下:

表2 转子力矩对船体稳性影响计算

图5 不同风向角下转子的升力示意图

(1)风速50 kn、艏向迎风10°工况见图5(a)。此时转子的升力L与阻力R的合力F沿着船宽方向,转子无纵向推力,转子产生的合力F(40 kN)全部转化为船体的横倾力N。同时,船体横向风倾力主要来自于艏向迎风10°的横向分力,此时风倾力矩[3]很小,转子关闭状态,船体受到横向风倾力矩仅仅横倾约0.2°,而转子开启后船体横倾角增大到1.934°,见表2。可见此工况下船体横倾角主要来自于转子的横向力矩。

(2)风速50 kn、艏向迎风45°工况见图5(b)。此时转子的升力L与阻力R的合力F产生推力T为22.9 kN,横向侧倾力N为32.8 kN,见表2。转子关闭状态,船体受到横向风倾力,船体横倾角为2.1°。转子开启后,船体同时受到风倾力和转子横向力的影响,横倾角达到了3.516°。

(3)风速50 kn、横向迎风90°工况见图5(c)。此时转子的升力L全部转化为推力T(39.4 kN),助推效果最好。转子的横向力N只有6.9 kN,但是船体横向受风最大,风倾力矩较大。转子关闭状态船体由于风倾力矩的影响,横倾角已经达到了4.117°,而开启转子后,加上转子的横向阻力,船体横倾角也仅仅增加了0.298°。

根据以上计算分析可以看出,转子工作的极限风速50 kn工况下:

(1)横向来风对船体横倾和稳性影响最大,但转子横向力影响较小,主要来自于船体风倾力矩。但根据规范对该工况的稳性校核结果可以看出,计算结果满足规范要求,转子开启只对气象衡准k值和船体横倾角θ有影响,见表3。

表3 船体完整稳性校核结果

(2)转子横向力矩对船体横倾影响最大的风向角是艏向10°左右,转子产生的合力全部转化为船体的横倾力,可使船体产生约1.7°的横倾角。

3 气层结构对船体稳性的影响分析

本船属于新建船舶,在船体底部的平底部分以内凹形式构造一阶梯式气层结构(气穴)。气层结构内阶梯式布置4道喷气孔,使气层结构内形成一层气膜,见图6。构造的气穴面积为249 m2,占底部平底面积的92.2%,船底板内凹深度为100 mm。

图6 船底气层结构布置图

在船底设置内凹式气穴,除了带来布置变化和设备的增加,还会对静水力带来以下2个变化:

(1)排水量减小,吃水增大。

(2)横稳性高的变化。

以上2个变化都会对船舶稳性产生影响。布置气穴前后排水量和横稳性高的变化见表4。

表4 船体完整稳性校核结果

以上变化可以看出,船体设计气穴结构后,由于排水量减少(排水量减少约2.4%),致使吃水增加了0.055 m,但提高了横稳性高和初稳性高。根据规范对该工况的稳性校核结果可以看出,计算结果均满足规范要求,带气穴结构的船体稳性衡准计算值均比无气穴船体有所提高。

4 结论

(1)横向来风对船体横倾和稳性影响最大,但转子横向力影响较小,船体横倾力矩主要来自于船体的风倾力矩。转子开启只对稳性的气象衡准值和船体横倾角有影响。

(2)本船转子横向力矩对船体横倾影响最大的风向角为艏向10°左右,转子产生的合力全部转化为船体的横倾力。

(3)船体设计气层减阻结构(气穴)后排水量减少约2.4%,对应的吃水增加了0.055 m。但横稳性高和初稳性高均增加了,提高了船体的稳性。经过稳性计算可以看出,船体设置气层结构不会降低船体稳性性能,反而比无气穴的船体有所提高。