多槳推進(jìn)的干擾因子研究

畢俊穎 ， 宗 智

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連116024；2.魯東大學(xué) 交通學(xué)院，山東 煙臺(tái)264025）

0 引 言

隨著船舶的大功率、高航速的發(fā)展要求，越來(lái)越多船舶采用多槳推進(jìn)。與單槳推進(jìn)的不同之處是多槳推進(jìn)除了伴流分?jǐn)?shù)、推力減額和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率之外，還存在多個(gè)螺旋槳之間的相互干擾作用。王新平等[1]研究了三槳推進(jìn)的中槳和邊槳的主機(jī)功率分配以及部分螺旋槳處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)附加阻力的確定問(wèn)題。王興全等[2]、譚廷壽等[3]通過(guò)三槳船模的自航試驗(yàn)提出了阻力的分配方法來(lái)確定邊槳和中槳的推進(jìn)因子。覃新川等[4]對(duì)四槳兩舵推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力干擾進(jìn)行了數(shù)值研究。畢俊穎等[5]通過(guò)四槳船模試驗(yàn)對(duì)如何有效地分布螺旋槳進(jìn)行了研究。王展智等[6]基于RANS方法分析了內(nèi)外槳在縱向和橫向位置的變化對(duì)螺旋槳性能的影響。襲鵬等[7]通過(guò)小范圍改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速以及分別計(jì)算內(nèi)外槳的方法對(duì)四槳推進(jìn)的自航因子進(jìn)行預(yù)報(bào)。葉禮裕等[8]和孫帥等[9]分別針對(duì)內(nèi)外槳負(fù)荷不均衡的問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析。目前，對(duì)于多槳推進(jìn)的研究主要是以數(shù)值模擬為主?？紤]到多槳推進(jìn)中存在復(fù)雜的水動(dòng)力干擾現(xiàn)象，以及各種假定條件對(duì)多槳干擾分析的影響，在多槳推進(jìn)的研究中模型試驗(yàn)是不可或缺的。

本文提出用干擾因子來(lái)定量考察多槳之間的干擾影響；同時(shí)以四個(gè)槳的自航試驗(yàn)為例，對(duì)四槳的干擾因子進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，給出一種干擾因子的試驗(yàn)確定方法。

1 干擾因子

在均勻流場(chǎng)中，當(dāng)有多個(gè)螺旋槳在較小的間距的條件下一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)螺旋槳槳盤面處的流場(chǎng)都會(huì)受到其兩側(cè)螺旋槳的流場(chǎng)的干擾，并且不同盤面位置處的干擾影響也不盡相同，同時(shí)螺旋槳的實(shí)際進(jìn)速也會(huì)因干擾流場(chǎng)的影響而發(fā)生改變。仿照伴流分?jǐn)?shù)的表達(dá)式，我們定義干擾因子b滿足

即

其中：VA是敞水進(jìn)速，V是船速，w是伴流分?jǐn)?shù)，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑，J0是敞水進(jìn)速系數(shù)。對(duì)于單槳推進(jìn)b=0，上述公式就退化為常規(guī)單槳推進(jìn)的伴流分?jǐn)?shù)的公式。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量

干擾因子的理想測(cè)試方法是使用多個(gè)敞水動(dòng)力儀，在船模試驗(yàn)水池中進(jìn)行多槳的敞水試驗(yàn)，但是由于敞水動(dòng)力儀造價(jià)太高，多槳敞水試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)比較困難。另外一個(gè)干擾因子的測(cè)量方法是采用自航試驗(yàn)方法，根據(jù)公式（2）來(lái)推算出干擾因子。本文采用后一種方法，對(duì)一艘四槳推進(jìn)的船模進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，并且對(duì)四個(gè)螺旋槳和船模分別進(jìn)行敞水試驗(yàn)、伴流試驗(yàn)、阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，從中推算出干擾因子。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

螺旋槳的盤面比越大，軸向的誘導(dǎo)速度就越小[11]，所以試驗(yàn)研究選用的螺旋槳是四個(gè)B系列的盤面比為1.05的五葉螺旋槳模型，即B5-105型螺旋槳。螺旋槳的主要參數(shù)如表1所示，包括兩個(gè)左旋螺旋槳和兩個(gè)右旋螺旋槳。

表1 試驗(yàn)螺旋槳模型參數(shù)Tab.1 Main particulars of the propeller model

為了盡可能減小模型阻力，試驗(yàn)研究選用的船模是一個(gè)有水滴型球首和方形船尾的木質(zhì)船模，其主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)船模特征，我們分別設(shè)計(jì)了一個(gè)低航速和一個(gè)高航速進(jìn)行研究，它們是2.482 m/s和4.551 m/s。

2.2 螺旋槳布置

表2 四槳船模的主要參數(shù)Tab.2 Main particulars of the four-propeller model

四槳推進(jìn)的槳間干擾會(huì)因?yàn)槁菪龢嗷ブg的位置的不同而發(fā)生變化，所以就需要對(duì)不同螺旋槳分布的槳間干擾進(jìn)行研究。根據(jù)四槳船模的尾部空間，分別針對(duì)外槳和內(nèi)槳設(shè)計(jì)了三個(gè)可移動(dòng)的橫向位置和縱向位置，如圖2和圖3所示。圖2給出的是外槳和內(nèi)槳的三個(gè)橫向位置的分布，其中a1表示外槳，a2表示內(nèi)槳。外槳的三個(gè)橫向位置是等距離分布的，槳軸間距分別為0.241D，其中D為螺旋槳直徑；內(nèi)槳因?yàn)榭臻g限制，三個(gè)位置的間距是不相等的，并且都小于外槳三個(gè)位置的間距，其中內(nèi)槳的第一個(gè)位置和第二個(gè)位置的槳軸間距為0.163D，第二個(gè)位置和第三個(gè)位置的槳軸間距為0.104D。圖3給出了外槳和內(nèi)槳的三個(gè)縱向位置，其中b1表示外槳，b2表示內(nèi)槳。外槳和內(nèi)槳的三個(gè)縱向位置的分布是完全相同的，并且都是等距離分布的，間距分別為0.520D。

除了螺旋槳的位置會(huì)對(duì)干擾產(chǎn)生影響之外，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向也被考慮作為影響干擾因子的因素之一，所以在螺旋槳分布的設(shè)計(jì)中也包括了螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向的改變。一般情況下，雙槳船的兩個(gè)螺旋槳都設(shè)計(jì)為向外旋轉(zhuǎn)以避免來(lái)流的收縮，所以在四槳推進(jìn)的分布設(shè)計(jì)中，兩個(gè)外槳被固定設(shè)計(jì)為向外旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變兩個(gè)內(nèi)槳的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)研究干擾因子的變化。

在螺旋槳的分布設(shè)計(jì)中總共考慮了五個(gè)設(shè)計(jì)因素，其中外槳和內(nèi)槳分別有三個(gè)橫向位置和縱向位置，所以這四個(gè)因素都是三水平的設(shè)計(jì)因素；而螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向則為一個(gè)二水平的設(shè)計(jì)因素，分別包括外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋和外槳外旋、內(nèi)槳外旋兩個(gè)水平的設(shè)計(jì)。如果對(duì)所有的因素和水平進(jìn)行全面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，則需要對(duì)162組螺旋槳分布進(jìn)行試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很有難度的。所以我們采用田口的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]，設(shè)計(jì)出18組不同的螺旋槳分布，如表3所示，其中R表示螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，R+表示外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋，R-表示外槳外旋、內(nèi)槳外旋；a1、a2、b1和b2分別為外槳和內(nèi)槳的橫向位置和縱向位置，1、2和3分別為圖2和圖3中所標(biāo)示的三個(gè)不同的位置。無(wú)論如何，在表3中有三組螺旋槳分布的外槳和內(nèi)槳在相同的縱向位置發(fā)生重疊，它們分別是第7組、第8組和第9組的螺旋槳分布，所以這三組螺旋槳分布是無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量的。因此，只有15組螺旋槳分布參與了試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。

表3 18組正交設(shè)計(jì)的螺旋槳分布Tab.3 Orthogonal array of propeller arrangements

續(xù)表3

2.3 模型試驗(yàn)測(cè)量及結(jié)果

首先，分別對(duì)四個(gè)螺旋槳進(jìn)行了敞水試驗(yàn)，并將其敞水性征曲線進(jìn)行了比較，推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和推進(jìn)效率的誤差都在3%以內(nèi)。由于四槳推進(jìn)的船后螺旋槳分布是左右對(duì)稱的，所以可以將四個(gè)螺旋槳分為外槳和內(nèi)槳分別進(jìn)行分析，圖4分別給出了外槳和內(nèi)槳的平均敞水性征曲線。

伴流試驗(yàn)是通過(guò)在未安裝螺旋槳的船模尾部放置電測(cè)式五孔畢托管進(jìn)行測(cè)量的。我們將五孔畢托管放置于船后螺旋槳所在位置處，通過(guò)改變畢托管的橫向位置和豎向位置來(lái)測(cè)量螺旋槳槳盤面不同位置處的來(lái)流速度，從而得到船模尾部螺旋槳盤面處的平均標(biāo)稱伴流。在伴流試驗(yàn)中，我們分別進(jìn)行了2.482 m/s和4.551 m/s兩個(gè)船模航速的測(cè)量，分別得到了外槳和內(nèi)槳移動(dòng)范圍內(nèi)的平均伴流分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 兩個(gè)航速狀態(tài)下內(nèi)槳和外槳的伴流分?jǐn)?shù)Tab.4 Nominal wake of outer and inner propellers

船模的自航試驗(yàn)是將四個(gè)螺旋槳按照表3所列的分布狀態(tài)安置在船模尾部分別進(jìn)行測(cè)量。四槳船模的自航試驗(yàn)設(shè)備比單槳船模和雙槳船模都更為復(fù)雜。四個(gè)螺旋槳分別通過(guò)軸系與四個(gè)自航動(dòng)力儀相連接，以便能夠準(zhǔn)確輸出推力和扭矩的測(cè)量值。因?yàn)榭臻g的限制以及軸系的位置，只有兩臺(tái)電機(jī)分別與四個(gè)自航動(dòng)力儀相連，每臺(tái)電機(jī)分別控制一個(gè)外槳和一個(gè)內(nèi)槳，所以在自航試驗(yàn)過(guò)程中外槳和內(nèi)槳的旋轉(zhuǎn)速度是相同的。為了方便調(diào)整螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，用齒輪箱來(lái)連接電機(jī)和自航動(dòng)力儀。除此之外，拖車上安置了阻力儀與船模相連，以解決實(shí)船與船模之間的摩擦阻力的差異。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，船模的航速是通過(guò)拖車來(lái)控制的。我們依次對(duì)15組不同的螺旋槳分布進(jìn)行了自航試驗(yàn)，分別測(cè)量了2.482 m/s和4.551 m/s兩個(gè)航速下的外槳和內(nèi)槳的推力、扭矩和轉(zhuǎn)速。

3 數(shù)據(jù)分析

表5 15組螺旋槳分布的外槳和內(nèi)槳的干擾因子Tab.5 Interaction factor of outer and inner propellers of15 propeller arrangements

在表5所列出的外槳和內(nèi)槳的干擾因子中，外槳的干擾因子均為負(fù)值，而內(nèi)槳的干擾因子除了第3組的兩個(gè)航速和第4組的低航速是大于零之外，其余干擾因子也均為負(fù)值，說(shuō)明它們之間的干擾是有利的。對(duì)15組不同螺旋槳分布的干擾因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得到了2.482 m/s和4.551 m/s兩個(gè)航速下外槳和內(nèi)槳干擾因子的基本特征，如表6所示。觀察兩個(gè)航速的外槳和內(nèi)槳的平均值可以發(fā)現(xiàn)，不同航速下外槳的平均值是比較接近的，內(nèi)槳的平均值也相差不大。而相同航速下外槳和內(nèi)槳的平均值相差稍大一些，所以航速對(duì)干擾因子的影響小于螺旋槳位置對(duì)干擾因子的影響。針對(duì)所有速度下的外槳和內(nèi)槳的干擾因子分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果也分別被列于表6之中。從表中可以看出干擾因子的量級(jí)與標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)的量級(jí)相當(dāng)，所以對(duì)于該試驗(yàn)研究的四槳模型來(lái)說(shuō)，干擾因子影響是不可忽視的。

在18組不同螺旋槳分布中，外槳和內(nèi)槳的位置是通過(guò)正交設(shè)計(jì)得到的，所以18組分布中的螺旋槳位置在空間上是均勻分布的。由于表3中無(wú)法試驗(yàn)的三組螺旋槳分布（第7、8、9組）都是外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋，并且外槳的橫向位置都是位于圖2中第3個(gè)位置，所以在對(duì)不同位置的干擾因子進(jìn)行分析時(shí)，我們將可執(zhí)行的15組螺旋槳分布分為兩大組，其中一組為外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋，包括第1～6組分布；另一組是外槳外旋、內(nèi)槳外旋，包括第10～18組分布。從表3中的外槳和內(nèi)槳的橫向和縱向位置分布可以發(fā)現(xiàn)，兩組螺旋槳分布組合中的螺旋槳位置在空間上都分別是均勻分布的。其中，第1～6組的螺旋槳分布中，外槳的分布只包含了第1、2個(gè)橫向位置，而內(nèi)槳的分布包含了三個(gè)橫向位置；第10～18組的螺旋槳分布中，外槳和內(nèi)槳的分布都包括了三個(gè)橫向位置。

表6 外槳和內(nèi)槳干擾系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析Tab.6 Statistical analysis of interaction factor of outer and inner propellers

以通過(guò)螺旋槳槳軸的與船模尾部平行的水平線為x軸，通過(guò)船中的縱向方向的水平線為y軸，兩線的交點(diǎn)為圓心建立坐標(biāo)系，并將螺旋槳在橫向和縱向方向上移動(dòng)的距離通過(guò)螺旋槳的直徑無(wú)量綱化。于是，就得到了2.482 m/s和4.551 m/s兩個(gè)航速下外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋和外槳外旋、內(nèi)槳外旋的干擾因子分布趨勢(shì)圖，如圖5～8所示。其中，縱向方向上螺旋槳槳軸移動(dòng)的范圍為0～1.041；在橫向方向上，內(nèi)槳槳軸移動(dòng)的范圍是0.546～0.813，外槳槳軸在外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋時(shí)移動(dòng)的范圍是1.470～1.951，而外槳槳軸在外槳外旋、內(nèi)槳外旋時(shí)移動(dòng)的范圍是1.711～1.951。

忽略當(dāng)外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋時(shí)外槳在橫向分布為1.470的位置處的三組螺旋槳分布的缺失，縱觀4幅干擾因子的分布趨勢(shì)圖，圖5和圖7比較相似，圖6和圖8相差較小。顯而易見(jiàn)，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向?qū)Ω蓴_因子的影響明顯大于航速對(duì)干擾因子的影響。分別對(duì)比相同航速下的不同螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向的兩幅趨勢(shì)分布圖發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橹桓淖兞藘?nèi)槳的旋轉(zhuǎn)方向，所以內(nèi)槳的干擾因子分布變化的差異比較大。

盡管外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋的干擾因子的變化范圍大于外槳外旋、內(nèi)槳外旋的干擾因子變化范圍，然而，當(dāng)外槳外旋、內(nèi)槳內(nèi)旋時(shí)，干擾因子整體分布趨勢(shì)比較平緩；而當(dāng)外槳外旋、內(nèi)槳外旋時(shí)，干擾因子的分布趨勢(shì)，特別是內(nèi)槳的干擾因子分布，出現(xiàn)了陡峭突變的現(xiàn)象。盡管不同航速下的干擾因子差異相對(duì)較小，但是對(duì)于外槳的干擾因子而言，高航速下的干擾因子的分布變化明顯比低航速下的干擾因子的分布變化要平緩。

4 結(jié) 論

為了確保多槳推進(jìn)的螺旋槳設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，本文對(duì)螺旋槳之間的干擾進(jìn)行了研究，并提出了一種能夠通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算得到多槳推進(jìn)的槳間干擾因子的方法。通過(guò)對(duì)一艘四槳推進(jìn)的船模進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)量，得到了不同螺旋槳分布的干擾因子，其中95%的干擾因子是小于零的，產(chǎn)生有利干擾。文中也給出了不同航速下外槳和內(nèi)槳的干擾因子的統(tǒng)計(jì)特征，通過(guò)對(duì)比不同航速的外槳和內(nèi)槳的平均值得出螺旋槳位置對(duì)干擾因子的影響大于航速對(duì)干擾因子的影響。最后，根據(jù)15組不同的螺旋槳分布，對(duì)航速和螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行了分類，得到了不同航速下不同螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向的干擾因子的分布趨勢(shì)圖。