大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動力學(xué)性能研究

李 威，葉曉明，姜羽澤，聶富成

(1. 華中科技大學(xué) 中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器是現(xiàn)代海洋動力定位系統(tǒng)中的重要裝備，高性能動力定位系統(tǒng)是大型海洋平臺在復(fù)雜海況下確保其工作穩(wěn)定性及實現(xiàn)精確定位的關(guān)鍵。海洋工況十分復(fù)雜，海水腐蝕以及風(fēng)、浪、流等惡劣環(huán)境因素對大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器服役性能提出了極高要求。由于我國對大功率推進(jìn)系統(tǒng)的研制起步較晚，西方國家又一直對這方面的生產(chǎn)技術(shù)實行嚴(yán)密封鎖。因此，我國目前尚不具備超過3 500 kW大功率級別推進(jìn)器的制造能力[1]。推進(jìn)器服役性能主要包括水動力學(xué)性能、可靠性及疲勞壽命等。而水動力學(xué)性能是其中最重要的指標(biāo)，直接影響著推進(jìn)器其余性能指標(biāo)。因此，開展大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動力學(xué)性能研究對保證全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的服役性能具有非常重要的意義。

1 推進(jìn)器水動力學(xué)性能研究

1.1 幾何建模

本文以中船重工集團第702研究所設(shè)計的某型大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器為研究對象開展相關(guān)研究工作。該型推進(jìn)器結(jié)構(gòu)組成主要包括立柱、導(dǎo)管、螺旋槳以及槳轂等部件，各零部件之間主要以過盈配合、螺紋連接等方式進(jìn)行裝配。在不影響水動力學(xué)計算精度的前提下，建立該型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器三維簡化模型，如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器三維簡化模型Fig.1 3D simplified model of azimuth propulsor

表1 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Geometric dimension of propulsor

1.2 計算域

為提高計算精度，減小計算域邊界對計算結(jié)果的干擾，將計算域設(shè)為一長度為10 D、直徑為5 D的圓柱體區(qū)域，D為螺旋槳直徑。為保證螺旋槳尾流可以自由流動，槳葉中心到入口面距離定為3 D，到出口面距離定為7 D[2]，如圖2所示。

計算域模型采用多參考坐標(biāo)系（MRF）方式建立，即將計算域劃分為外部靜止域及內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域2部分。靜止域包括立柱和導(dǎo)管等部件[3]。旋轉(zhuǎn)域包括螺旋槳及槳轂，并通過螺旋槳坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)來模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)。

1.3 網(wǎng)格劃分

計算域網(wǎng)格的劃分均采用四面體網(wǎng)格，如圖3所示，網(wǎng)格信息如表2所示。由于槳葉葉梢與導(dǎo)管內(nèi)壁面間距非常小，需將間隙處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，在葉梢和導(dǎo)管內(nèi)壁面間設(shè)置3層邊界層網(wǎng)格[4]。

圖2 計算域模型Fig.2 Computational domain

圖3 計算域各部分網(wǎng)格Fig.3 Grid division of computational domain

表2 計算域網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點數(shù)Tab.2 Grid and node number of computational domain

1.4 邊界條件

計算模型邊界條件設(shè)置如下：

1）計算域左側(cè)端面設(shè)為速度入口邊界條件，根據(jù)不同的進(jìn)速系數(shù)調(diào)整設(shè)定來流速度，右側(cè)端面設(shè)為壓力出口邊界條件[5]。

2）推進(jìn)器部件表面和靜止域外邊界面，都設(shè)為壁面Wall。

3）旋轉(zhuǎn)域和靜止域的接觸面設(shè)為Interface[6]。

湍流模型選用兩方程的RNG k-ε模型，近壁面處采用 Standard wall functions[7]。推進(jìn)器最高轉(zhuǎn)速為 180 r/min，進(jìn)速系數(shù)J在0.01～0.75區(qū)間內(nèi)取值。

1.5 材料屬性

計算域內(nèi)的流體為海水，其物性參數(shù)如表3所示。

表3 海水物性參數(shù)（20 ℃）Tab.3 Property parameters of sea water

1.6 計算結(jié)果分析

基于上述推進(jìn)器水動力學(xué)數(shù)值模型，可得到不同進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳和導(dǎo)管推力T，螺旋槳扭矩Q，并進(jìn)一步計算得到推力系數(shù)KT，扭矩系數(shù)KQ及敞水效率η，如表4所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，繪制其敞水性能曲線，如圖4所示。

表4 不同進(jìn)速系數(shù)下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動力學(xué)性能Tab.4 Hydrodynamic performance of azimuth propulsor with different advance coefficient

圖4 推進(jìn)器敞水性能曲線Fig.4 Open water performance curve of propulsor

由圖4可知，隨著進(jìn)速系數(shù)J增大，KT和KQ都隨之減小，而推進(jìn)效率η變化呈拋物線趨勢。當(dāng)J=0.55時，η達(dá)到最大值0.704，此時推進(jìn)器處于最佳工作狀況。當(dāng)J=0.75時，KT為0.004，接近為0，說明此時產(chǎn)生的推力很小。

圖5為進(jìn)速系數(shù)J=0.55，即敞水效率最高時，螺旋槳槳葉表面的受力情況。從圖中可知，槳葉表面最大壓力都出現(xiàn)在槳葉邊緣靠近葉根處，槳葉中部受力比較均勻。在此工況下，螺旋槳產(chǎn)生297.154 kN的正推力。

圖5 J=0.55 吸力面、壓力面受力分布Fig.5 J=0.55 pressure distribution on suction surface and pressure surface

2 不同回轉(zhuǎn)角時推進(jìn)器水動力學(xué)特性研究

為獲得推進(jìn)器360°回轉(zhuǎn)過程中的水動力學(xué)特性，將這一動態(tài)過程離散為若干個回轉(zhuǎn)角度下進(jìn)行分析。

2.1 計算域

由于推進(jìn)器在靜止域內(nèi)作360°轉(zhuǎn)動，將靜止域設(shè)為一圓柱體，長度和直徑都為10 D。入口面和出口面到推進(jìn)器中心的距離都為5 D。計算域如圖6所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

靜止域計算網(wǎng)格選用四面體網(wǎng)格，如圖7所示。網(wǎng)格數(shù)為659 178，節(jié)點數(shù)為112 948。旋轉(zhuǎn)域計算網(wǎng)格保持不變。

圖6 計算域劃分Fig.6 Computational domain division

圖7 回轉(zhuǎn)角為 60°時靜止域網(wǎng)格Fig.7 Static domain grid when rotation angle is 60°

2.3 計算結(jié)果分析

取J=0.087，即來流速度v=1 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為180 r/min時，不同回轉(zhuǎn)角度下螺旋槳和導(dǎo)管推力T及螺旋槳扭矩Q在螺旋槳坐標(biāo)系xoy中表示的計算結(jié)果如表5所示，水動力學(xué)性能曲線如圖8所示。

表5 不同回轉(zhuǎn)角下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動力學(xué)性能參數(shù)Tab.5 Hydrodynamic performance parameters of azimuth propulsor at different angle of rotation

圖8 螺旋槳坐標(biāo)系xoy下的水動力學(xué)性能曲線Fig.8 Hydrodynamic performance curve at propulsor coordinates xoy

由圖8可知，敞水效率η呈拋物線變化趨勢，在回轉(zhuǎn)角為180°時達(dá)到最大值0.197。圖9為國外某機構(gòu)對某全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在360°回轉(zhuǎn)時應(yīng)用六分力天平測得其推力系數(shù)變化曲線[8]。

圖9 某型推進(jìn)器全回轉(zhuǎn)推力系數(shù)測試值Fig.9 Test value of thrust coefficient of a certain propulsor

通過對比可知，圖8所示計算結(jié)果與圖9測試結(jié)果變化規(guī)律基本吻合。在全回轉(zhuǎn)工況下推力系數(shù)KT曲線呈“雙峰一谷”型變化趨勢，在180°時出現(xiàn)波谷，在120°和240°附近出現(xiàn)波峰。

圖10為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在回轉(zhuǎn)角為120°時，螺旋槳表面的壓力分布情況。由圖10以及表5可知，在螺旋槳坐標(biāo)系xoy下轉(zhuǎn)角為120°時，推進(jìn)器此時輸出的推力達(dá)到峰值為877.694 kN。此時，槳葉吸力面和推力面間的壓差達(dá)到最大，造成槳葉上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

3 結(jié) 語

本文建立了某型大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動力學(xué)數(shù)值模型，獲得了不同工況下的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、推進(jìn)效率等水動力學(xué)性能參數(shù)。基于對計算結(jié)果分析，結(jié)論如下。

1）隨著進(jìn)速系數(shù)J增大，KT和KQ都減小，在J=0.75時，KT接近為0，說明此時產(chǎn)生的推力很小。

2）隨著進(jìn)速系數(shù)J增大，推進(jìn)效率η變化呈拋物線趨勢。當(dāng)J=0.55時，η達(dá)到最大值0.704，此時推進(jìn)器處于最佳工作狀況。

圖10 回轉(zhuǎn)角為 120°時槳葉表面壓力分布Fig.10 Pressure distribution on blade surfaces when rotation angle is 120°

3）在推進(jìn)器360°回轉(zhuǎn)過程中，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化規(guī)律一致，都呈M型，且曲線對稱。在120°和240°時出現(xiàn)峰值，180°時出現(xiàn)谷值。而推進(jìn)效率η變化呈拋物線趨勢，180°時出現(xiàn)最大值，為0.197。

4）當(dāng)轉(zhuǎn)角是120°時，推進(jìn)器輸出的推力達(dá)到峰值。此時會造成槳葉上產(chǎn)生最大應(yīng)力，槳葉吸力面、推力面的壓力差最大。因此，在設(shè)計螺旋槳葉片時，應(yīng)該著重考慮這一工況下的受力情況。