扭曲舵空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)研究

葉金銘，于安斌，王 威，王友乾，曹彥濤

（1.海軍工程大學(xué)a.艦船與海洋學(xué)院；b.振動(dòng)與噪聲研究所，武漢430033；2.海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海200135；3.中國船舶科學(xué)研究中心船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082）

0 引 言

近年來，由于艦船向著高速化和大型化方向發(fā)展，特別是對(duì)于高速艦船，處于螺旋槳后工作的舵葉振動(dòng)和空化剝蝕也越來越嚴(yán)重，因此對(duì)舵性能的考慮也越來越全面。由于螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)作用，常規(guī)舵在0o舵角時(shí)，舵葉在不同展向位置的來流相對(duì)舵葉剖面會(huì)存在一定的迎流攻角，導(dǎo)致舵的左右兩面壓力不對(duì)稱，吸力面會(huì)存在明顯的低壓區(qū)。隨著航速的增加，舵角的增大，低壓區(qū)壓力會(huì)不斷降低，當(dāng)航速增加到某一定數(shù)值時(shí)，低壓區(qū)壓力降到水的汽化壓力，舵葉表面就會(huì)發(fā)生空化。艦船在海上航行時(shí)直航是最主要的航行狀態(tài)，但在實(shí)際情況中，由于海上風(fēng)浪流的影響，艦船為了保持直航，需要不停地來回打小舵角，加劇了艦船直航時(shí)常規(guī)舵葉的空化問題[1]。而舵空化正是引起舵葉表面空化剝蝕、振動(dòng)和噪聲大幅增加的重要原因[2]。

20世紀(jì)90年代美國海軍為測試槳和舵的水動(dòng)力性能和噪聲特性，進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)船航行舵空泡觀測試驗(yàn)[3]。試驗(yàn)表明，即便是中等海況下保持航向航行，在23 kn 航速下舵表面即出現(xiàn)空泡，而舵空化引起的空化剝蝕在后來的塢修中也被證實(shí)。作者為深入了解常規(guī)舵的空化剝蝕情況，實(shí)地調(diào)研得到如圖1 所示的某水面艦船的舵剝蝕照片?？梢钥闯龆婷婵拷熬壧幇l(fā)生了大量的涂料脫落，而這一區(qū)域正是空化發(fā)生的位置，說明舵面發(fā)生了嚴(yán)重的空化剝蝕。

圖1 舵空化剝蝕情況Fig.1 Denudation of rudder

最早提出扭曲舵思想的是Tuin，其最初設(shè)計(jì)目的是充分利用螺旋槳尾流的能量以提高推進(jìn)效率。為解決水面艦船的舵空化問題，學(xué)者們則開始對(duì)扭曲舵的抗空化性能進(jìn)行研究。國外對(duì)該領(lǐng)域的研究相對(duì)較多，Shen[4]在美國大型空泡水洞中對(duì)扭曲舵和常規(guī)舵進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，模擬船舶伴流、船槳干擾，在給予模型較高的流速下發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)舵相比，扭曲舵的水動(dòng)力性能得到了明顯提高，扭曲舵不易發(fā)生空泡剝蝕，能夠有效補(bǔ)償由推進(jìn)器與船體引起的來流攻角，且其升力不亞于常規(guī)舵。目前，這種扭曲舵已經(jīng)成功應(yīng)用于阿利伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。Nishiyama[5]為解決集裝箱船半平衡舵的空化問題，提出了進(jìn)流角計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式和扭曲舵的解決方案。Mewis[6]首先針對(duì)集裝箱船設(shè)計(jì)出了扭曲舵，該扭曲舵的上端和下端朝著相反的方向進(jìn)行扭曲，不僅具有良好的抗空化性能，還可以提高推進(jìn)效率。而第24 屆ITTC 會(huì)議[7]指出，該扭曲舵在槳軸處的不連續(xù)性可能會(huì)加劇轂渦以及其引起的空化剝蝕。Kim[8]針對(duì)扭曲舵的設(shè)計(jì)提出了一種基于渦格法的遺傳算法。Choi、Ahn 等[9-10]則針對(duì)大型集裝箱船的扭曲舵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

國內(nèi)葉金銘[1，11-13]提出了抗空化扭曲舵的設(shè)計(jì)方法，分別采用CFD 方法和面元法比較了扭曲舵和常規(guī)舵的空化起始航速，結(jié)果表明扭曲舵在0°舵角時(shí)的空化起始航速可提高5.9 kn左右。王威[14]則采用CFD 方法對(duì)扭曲舵的水動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并通過拖曳水池的舵力測量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。于安斌[15]在空泡水洞中針對(duì)扭曲舵和常規(guī)舵開展了舵空泡觀測模型試驗(yàn)，結(jié)果表明扭曲舵具有良好的抗空化性能。

本文針對(duì)某水面艦船的舵空化問題，在前期研究的基礎(chǔ)上，以該船的常規(guī)舵為母型，在不改變主要尺寸和接口的前提下進(jìn)行抗空化扭曲舵設(shè)計(jì)和加工，并在該船上完成了常規(guī)舵和扭曲舵的空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)，驗(yàn)證扭曲舵的抗空化性能，從而為扭曲舵在水面艦船上的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 扭曲舵抗空化性能實(shí)船驗(yàn)證試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)船為雙槳雙舵，以左舵向左打舵為研究狀態(tài)，觀測其內(nèi)側(cè)的空化現(xiàn)象，其操舵示意如圖2 所示。試驗(yàn)對(duì)象為某水面高速艦船的實(shí)尺度常規(guī)舵以及在常規(guī)舵基礎(chǔ)上進(jìn)行改型設(shè)計(jì)得到的實(shí)尺度扭曲舵，如圖3所示。

圖2 操舵示意圖Fig.2 Diagram of controlling rudder

圖3 實(shí)船舵Fig.3 Real ship′s rudder

1.2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要通過伸到船體外部的內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)舵空化的觀測。試驗(yàn)前，對(duì)船底板進(jìn)行開孔并通過螺栓密封。試驗(yàn)時(shí)，將螺栓拆下，換裝密封球閥，然后將內(nèi)窺鏡伸入球閥觀測。內(nèi)窺鏡下端與船底板之間通過密封球閥連接（圖4a），內(nèi)窺鏡上端與CCD相機(jī)鏡頭連接（圖4b）。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test apparatus

CCD 相機(jī)則連接到電腦實(shí)時(shí)成像，其示意圖如圖5 所示。試驗(yàn)過程中，首先通過轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)窺鏡，由電腦實(shí)時(shí)顯示的圖像尋找一個(gè)周向最佳觀測位置，以合理記錄空泡產(chǎn)生和發(fā)展的區(qū)域；然后在達(dá)到所需工況時(shí)，通過電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。常規(guī)舵空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)完成后，進(jìn)船塢換裝扭曲舵，再按照以上方法進(jìn)行扭曲舵空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)。

圖5 舵空化觀測示意圖Fig.5 Diagram of rudder cavitation observation

1.3 試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)工況

1.3.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)環(huán)境對(duì)舵空泡觀測影響較大，為保證觀測效果，實(shí)船試驗(yàn)環(huán)境必須滿足一定要求，主要包括：

（1）試驗(yàn)必須在水質(zhì)清澈的海域進(jìn)行，水深不小于30 m，并要求在天氣晴朗時(shí)實(shí)施；

（2）試驗(yàn)時(shí)海區(qū)的風(fēng)力不大于3級(jí)，浪高不大于3級(jí)，流速不大于2 kn；

（3）艦船的縱傾狀態(tài)應(yīng)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相一致，相對(duì)于設(shè)計(jì)狀態(tài)允許有小于0.1%設(shè)計(jì)水線長的縱傾偏差，但不允許有首傾；橫傾角不大于0.5°；

（4）艦船船體水下部分、螺旋槳和附體應(yīng)清潔光滑；

（5）所有的供應(yīng)品、備品、工具和消耗材料等應(yīng)按規(guī)定位置安放妥當(dāng)并固定牢靠；

（6）所有的艙室設(shè)備、可拆鋪板等均須安放在規(guī)定的位置并固定牢靠，甲板上設(shè)備與艙面屬具須按航行狀態(tài)緊固。

1.3.2 試驗(yàn)工況

實(shí)船為雙槳雙舵，左右操舵具有對(duì)稱性，故本試驗(yàn)僅研究向左操舵工況。由于舵主要處于螺旋槳槳盤面中心以上區(qū)域，常規(guī)舵各展向剖面翼型的速度示意圖如圖6所示。

圖6 常規(guī)舵剖面速度示意圖Fig.6 Velocity diagram of general rudder’s section

當(dāng)常規(guī)舵保持0°舵角時(shí)，作用在舵各剖面翼型的橫向速度Vy指向內(nèi)側(cè)，軸向速度Vx由前緣指向尾緣，合成速度Va與舵剖面翼型中線存在指向內(nèi)側(cè)的入射角α0，可判斷翼型內(nèi)側(cè)為吸力面，外側(cè)為壓力面，因此對(duì)比兩種舵的空化現(xiàn)象時(shí)只需觀測內(nèi)側(cè)吸力面空化。進(jìn)一步地，當(dāng)常規(guī)舵向左操舵α1舵角時(shí)，左舵各剖面翼型的入射角αL= α1+ α0，右舵各剖面翼型的入射角αR= α1- α0，即αL> αR。而當(dāng)翼型一定時(shí)，入射角越大，吸力面的最大減壓系數(shù)就越大，越容易發(fā)生空化，即此時(shí)左舵吸力面比右舵吸力面更易發(fā)生空化，故針對(duì)左舵吸力面的空化進(jìn)行觀測即可。而當(dāng)分析對(duì)象為扭曲舵時(shí)，舵保持0°舵角時(shí)各剖面的入射角α0近似為0°，則將扭曲舵進(jìn)行向左操舵時(shí)，左舵和右舵的入射角近似相等，故就扭曲舵而言，同樣只研究左舵即可。因此，以左舵為研究對(duì)象，當(dāng)其向左操舵時(shí)觀測其內(nèi)側(cè)吸力面的空化現(xiàn)象即可有效對(duì)比兩種舵的抗空化性能。

為有效對(duì)比扭曲舵和常規(guī)舵的抗空化性能，試驗(yàn)主要選定如表1所示工況進(jìn)行實(shí)船舵空泡觀測對(duì)比試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Working condition of test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 舵空泡脈動(dòng)特性

在進(jìn)行實(shí)船舵空化觀測時(shí)，是通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察，內(nèi)窺鏡的觀察結(jié)果由CCD相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍照記錄，因此可以得到舵面發(fā)生空化的動(dòng)態(tài)結(jié)果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，舵面發(fā)生空化后，空化的范圍會(huì)呈現(xiàn)明顯周期性的脈動(dòng)變化，以普通舵在最大航速下5°舵角時(shí)的舵空泡為例，對(duì)舵片空泡的脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 空泡發(fā)展過程Fig.7 Development process of cavitation

由圖7 可以看出，舵空泡的體積是不斷變化的。其中，圖7（a）為舵片空泡范圍最大的狀態(tài)，圖7（b）為空泡開始脫落的狀態(tài)，圖7（c）為空泡完全脫落的狀態(tài)，圖7（d）則為空泡開始增長的狀態(tài)，而空泡的脫落和潰滅正是導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲大幅增加的重要原因。

2.2 固定舵角工況

對(duì)水面艦船在設(shè)計(jì)航速和最大航速下固定舵角工況時(shí)的的舵面空化進(jìn)行了對(duì)比觀測，其結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 設(shè)計(jì)航速下的舵面空化Fig.8 Rudder cavitation at design speed

圖9 最大航速下的舵面空化Fig.9 Rudder cavitation at maximum speed

由圖8 可以看出，在設(shè)計(jì)航速0°舵角時(shí)，常規(guī)舵舵面即開始發(fā)生少許片空化，而扭曲舵此時(shí)未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象；由圖9 可以看出，在最大航速0°舵角時(shí)，常規(guī)舵舵面靠近導(dǎo)邊部分發(fā)生了較為劇烈的片空化，扭曲舵此時(shí)仍未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象。這證明扭曲舵可有效改善常規(guī)舵在高航速時(shí)0°舵角時(shí)的舵面抗空化性能。

由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)舵在設(shè)計(jì)航速0°舵角時(shí)舵面即開始發(fā)生空化，而扭曲舵在設(shè)計(jì)航速10°舵角時(shí)仍未發(fā)生空化，故扭曲舵在設(shè)計(jì)航速下的舵面空化起始舵角可提高10°以上；由圖9可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)舵在最大航速0°舵角時(shí)舵面發(fā)生了較大面積的空化，其弦向長度約占局部弦長的1/3，而扭曲舵最大航速10°舵角的舵面空泡弦向長度約占局部弦長的1/4，故扭曲舵在最大航速下的舵面空化起始舵角可提高10°左右。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)相等時(shí)，實(shí)船在不同航速下的速度場成相似關(guān)系，扭曲舵的抗空化效果可認(rèn)為相同。故在相同航速工況下，扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右。

由圖8可以看出，在設(shè)計(jì)航速15°舵角時(shí)，扭曲舵舵面開始發(fā)生明顯空化，其弦向長度約占局部弦向長度的1/4，而常規(guī)舵舵面此時(shí)的空化弦向長度基本達(dá)到隨邊處，故此時(shí)扭曲舵的舵面空化范圍要遠(yuǎn)小于常規(guī)舵此時(shí)的空化范圍；由圖9 可以看出，在最大航速10°舵角時(shí)，扭曲舵舵面開始發(fā)生空化，其弦向長度約占局部弦向長度的1/4，而常規(guī)舵的舵面片空化最大弦向長度幾乎與局部弦長相當(dāng)，故扭曲舵的舵面空化范圍遠(yuǎn)小于常規(guī)舵。因此可認(rèn)為，在相同航速和舵角工況下，當(dāng)扭曲舵發(fā)生空化時(shí)，其舵面空化范圍要遠(yuǎn)小于常規(guī)舵。

2.3 直航自動(dòng)舵工況

對(duì)于水面艦船而言，為保持航向航行，需要不斷地來回打小舵角，即為直航自動(dòng)舵工況。為進(jìn)一步驗(yàn)證扭曲舵的抗空化性能，在中低海況條件下，分別針對(duì)常規(guī)舵和扭曲舵開展了直航自動(dòng)舵工況下的舵空泡觀測試驗(yàn)。圖10 和圖11 分別為設(shè)計(jì)航速和最大航速時(shí)常規(guī)舵和扭曲舵在直航自動(dòng)舵工況下的舵空泡對(duì)比情況，其中直航自動(dòng)舵工況下的舵空泡情況分別選取了自動(dòng)操舵時(shí)舵角由小到大時(shí)三個(gè)狀態(tài)的空化照片。

圖10 設(shè)計(jì)航速下直航自動(dòng)舵工況時(shí)的舵空泡情況Fig.10 Rudder cavitation of auto-pilot at direct route of design speed

圖11 最大航速下直航自動(dòng)舵工況時(shí)的舵空泡情況Fig.11 Rudder cavitation of auto-pilot at direct route of maximum speed

由圖10 可以看出，在設(shè)計(jì)航速工況下，為保持航向航行，常規(guī)舵舵面處于無空化、有空化和充分發(fā)展空化之間不斷變換，而扭曲舵在操舵的過程中一直未產(chǎn)生空化；由圖11可以看出，在最大航速工況下，為保持航向航行，常規(guī)舵舵面的空化現(xiàn)象一直存在，且在舵角較大時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重空化，而扭曲舵在操舵的過程中依舊未產(chǎn)生空化。而保持航向航行是艦船最常用的航行狀態(tài)，因此，扭曲舵可以消除艦船在常用航行狀態(tài)下舵面的空化問題。

2.4 舵下端面和防腐蝕電極影響分析

為解決常規(guī)舵下端面空化問題和舵防腐蝕電極空化問題，在舵下端面處設(shè)計(jì)了一種抗空化導(dǎo)流罩，并將舵中上部位的防腐蝕電極上移一定距離使之靠近船體邊界層，將舵中下部位的防腐蝕電極安裝在舵下端導(dǎo)流罩內(nèi)部（見圖12）。

圖13（a）為巡航航速工況下0°舵角時(shí)的常規(guī)舵空泡觀測圖。如圖所示，常規(guī)舵的下端部和舵面防腐蝕電極處先于舵面發(fā)生了空化，這主要是由于舵下端面和防腐蝕電極處形狀尖銳，易發(fā)生流體分離和空化。圖13（b）為設(shè)計(jì)航速工況下扭曲舵在0°舵角時(shí)的空泡觀測圖。由圖可以看出，原防腐蝕電極位置和舵下端面處未出現(xiàn)空化現(xiàn)象，而扭曲舵在設(shè)計(jì)航速下5°和10°舵角及最大航速下0°和5°舵角時(shí)的空化現(xiàn)象均與此相一致。因此，對(duì)防腐蝕電極的安裝位置和舵下端面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，扭曲舵有效提高了防腐蝕電極和舵下端面處的抗空化性能。

圖12 實(shí)船舵三維圖Fig.12 3D diagram of real ship’s rudder

圖13 實(shí)船舵空泡觀測圖Fig.13 Diagram of rudder cavitation observation of real ship

3 結(jié) 論

為深入驗(yàn)證扭曲舵的抗空化性能，本文開展了扭曲舵和常規(guī)舵的實(shí)船舵空泡觀測對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）在相同航速工況下，扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右，可以消除艦船常用航行狀態(tài)下舵面的空化問題；

（2）在高航速大舵角工況時(shí)，扭曲舵的空化面積遠(yuǎn)小于常規(guī)舵；

（3）在扭曲舵基礎(chǔ)上優(yōu)化的防腐蝕電極安裝結(jié)構(gòu)和新型導(dǎo)流罩起到了良好的抗空化效果；

（4）經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，扭曲舵具有良好的抗空化效果，其在水面艦船領(lǐng)域具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。