某伴流補(bǔ)償導(dǎo)管對(duì)螺旋槳空泡及空泡剝蝕性能影響研究

黃紅波，薛慶雨，黃少鋒，吳穎昕

（1．中國(guó)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(wú)錫214082；2．江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082）

某伴流補(bǔ)償導(dǎo)管對(duì)螺旋槳空泡及空泡剝蝕性能影響研究

黃紅波1，2，薛慶雨1，黃少鋒1，2，吳穎昕1

（1．中國(guó)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(wú)錫214082；2．江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082）

文章介紹了中國(guó)船舶科學(xué)研究中心大型循環(huán)水槽中開(kāi)展的某散貨船有、無(wú)伴流補(bǔ)償導(dǎo)管下螺旋槳空泡、空泡剝蝕性能對(duì)比試驗(yàn)研究，并深入分析某伴流補(bǔ)償導(dǎo)管對(duì)空泡形態(tài)、空泡剝蝕性能影響及導(dǎo)管設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意的問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明：前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管會(huì)增加螺旋槳表面空泡面積及空泡誘導(dǎo)的船體脈動(dòng)壓力一階葉頻分量，且不合適的伴流補(bǔ)償導(dǎo)管安裝方式會(huì)增加槳葉空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)。

伴流補(bǔ)償導(dǎo)管；空泡；脈動(dòng)壓力；空泡剝蝕

0 引 言

近些年來(lái)，在國(guó)際貿(mào)易及世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)下，世界航運(yùn)的船舶噸位屢創(chuàng)新高，伴隨而來(lái)的是對(duì)能源巨大的需求與污染氣體的大量排放，為應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的能源消耗及不斷惡化的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，國(guó)際海事組織對(duì)船舶節(jié)能減排提出了明確目標(biāo)，并即將強(qiáng)制實(shí)施船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）及減少溫室氣體排放的九條框架原則，為應(yīng)對(duì)即將強(qiáng)制實(shí)施的各項(xiàng)節(jié)能減排指標(biāo)，各種形式節(jié)能裝置層出不窮，并得到廣泛應(yīng)用，如后置節(jié)能裝置消渦鰭、自由轉(zhuǎn)輪、舵球、舵鰭、扭曲舵等，前置節(jié)能裝置有鰭板、伴流補(bǔ)償導(dǎo)管、定子、導(dǎo)輪等等。

伴流補(bǔ)償導(dǎo)管由于其優(yōu)異節(jié)能效果（可達(dá)3%-7%），且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)船的加工與安裝，近幾年來(lái)備受推崇，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近30年來(lái)節(jié)能用伴流補(bǔ)償導(dǎo)管在近千艘海船上使用[1-2]。伴流補(bǔ)償導(dǎo)管又稱Schneekluth’s導(dǎo)管，是由德國(guó)艾根（Aachen）工業(yè)大學(xué)施尼克羅茲（Schneekluth）教授提出，并于1984年成功安裝于一艘7萬(wàn)噸散貨船。伴流補(bǔ)償導(dǎo)管是一個(gè)前端直徑大、后端直徑小的喇叭型的半圓導(dǎo)管，一般安裝螺旋槳前方船艉左右兩側(cè)，通常情況下，左右兩側(cè)安裝方式并不對(duì)稱[3-5]。

由于前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管在船尾安裝位置與角度，與船舶節(jié)能效果密切相關(guān)，如果導(dǎo)管與船尾匹配不佳，不便充分發(fā)揮其節(jié)能效果，還會(huì)因其對(duì)尾部螺旋槳的流場(chǎng)影響，有可能在螺旋槳內(nèi)半徑產(chǎn)生沿弦長(zhǎng)脫落的片、云狀空泡，增加螺旋槳槳葉表面空泡剝蝕的風(fēng)險(xiǎn)，本文針對(duì)某散貨船，在裝配伴流補(bǔ)償導(dǎo)管前后，研究其對(duì)螺旋槳槳葉表面空泡及空泡剝蝕性能影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)船模為某散貨船模型，此船舶模型、螺旋槳模型和導(dǎo)管模型均按1：45.65縮比進(jìn)行加工，其中船舶模型為玻璃鋼材質(zhì)，螺旋槳模型為鋁合金材質(zhì)，表面陽(yáng)極化處理顯亮紅色，且在槳葉上標(biāo)記了0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R的半徑剖面線及槳葉參考線，伴流補(bǔ)償導(dǎo)管為鋁合金材質(zhì)，表面噴涂黑漆處理。有無(wú)安裝伴流補(bǔ)償導(dǎo)管全附體模型照片如圖1、圖2所示。實(shí)船及實(shí)槳主要參數(shù)如表1所示。

圖1 有伴流補(bǔ)償導(dǎo)管模型安裝照片F(xiàn)ig.1 The setup of model ship with wake equalizing duct

圖2 無(wú)伴流補(bǔ)償導(dǎo)管模型安裝照片F(xiàn)ig.2 The setup of model ship without wake equalizing duct

表1 船體及螺旋槳主參數(shù)Tab.1 The main specifications of full scale ship and propeller

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 大型循環(huán)水槽

試驗(yàn)在CSSRC的大型循環(huán)水槽內(nèi)進(jìn)行。水槽試驗(yàn)段長(zhǎng)度10.5m，寬度2.2m，高度為2.0m。水速調(diào)節(jié)范圍為1.0～15.0m/s。試驗(yàn)段中心線壓力調(diào)節(jié)范圍為30～350kPa，圖3為試驗(yàn)段照片。

2.2 脈動(dòng)壓力測(cè)試設(shè)備和分析方法

脈動(dòng)壓力用14個(gè)KYOWA PGMC-A-200kPa壓力傳感器測(cè)量，傳感器的最大量程為0.2MPa，頻率響應(yīng)達(dá)到20 kHz。這些傳感器鑲嵌在船模螺旋槳上方船底板上，傳感器測(cè)量表面與船底板下表面齊平；傳感器的布置見(jiàn)圖4。相鄰傳感器之間的距離為0.12Dm，Dm為槳模直徑。

圖3 循環(huán)水槽試驗(yàn)段照片F(xiàn)ig.3 The photo of test section

圖4 脈動(dòng)壓力傳感器布置Fig.4 Arrangement of pressure transducers

壓力信號(hào)由14個(gè)具有寬頻響應(yīng)特征的DH-3840放大器放大；采用NI4472A/D采樣卡采集信號(hào)；通過(guò)FFT分析，可以得到具有葉片倍頻的壓力脈動(dòng)幅值△Pim（i=1，2，3，……），根據(jù)下面公式可以換算為無(wú)量綱的脈動(dòng)壓力系數(shù)KPi：

依據(jù)模型尺度和實(shí)船尺度下的KPi相等，按下式預(yù)報(bào)實(shí)船尺度下的壓力脈動(dòng)幅值△Pis：

3 螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)及結(jié)果分析

為研究前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管對(duì)螺旋槳空泡性能的影響，在相同主機(jī)功率下分別進(jìn)行了帶導(dǎo)管和不帶導(dǎo)管的船后水動(dòng)力、空泡、脈動(dòng)壓力及剝蝕試驗(yàn)。

3.1試驗(yàn)工況

本次螺旋槳空泡及剝蝕試驗(yàn)工況選擇較嚴(yán)重的壓載吃水工況（CSR with 15%S.M.即持續(xù)服務(wù)功率下帶15%功率儲(chǔ)備海況），試驗(yàn)工況如表2所示。試驗(yàn)工況滿足：（1）模型和實(shí)船的推力系數(shù)相等；（2）在槳葉12點(diǎn)鐘位置（0°），滿足模型槳與實(shí)槳在0.8R處的轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn（0.8R）相等。

表2 空泡試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions of cavitation

表2中，0.8R處轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn（0.8R）及推力系數(shù)KT定義為：

式中：P0.8R為槳葉在12點(diǎn)鐘位置時(shí)0.8R處的靜壓，Pa；Pv為飽和蒸氣壓力，Pa；ρ為水密度，kg/m3，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；T為螺旋槳的推力，N。

3.2 空泡形態(tài)及脈動(dòng)壓力試驗(yàn)結(jié)果與分析

此散貨船在伴流補(bǔ)償導(dǎo)管情況下進(jìn)行空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在某些特定角度下，在槳葉葉背內(nèi)半徑產(chǎn)生不穩(wěn)定的背片空泡，且與外半徑處背片空泡無(wú)法連成一體，獨(dú)自孤立，并沿螺旋槳弦長(zhǎng)方向脫落破裂，存在空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)。在無(wú)伴流補(bǔ)償導(dǎo)管情況下，螺旋槳葉背片空泡從導(dǎo)邊產(chǎn)生、發(fā)展，且不同半徑處片空泡連成一體，沿外半徑及徑向泄向槳外，破碎在水中，屬正?？张菪螒B(tài)，無(wú)空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)。兩種狀態(tài)下空泡形態(tài)如圖5所示。螺旋槳在有伴流補(bǔ)償導(dǎo)管時(shí)，由于軸向平均伴流比無(wú)導(dǎo)管時(shí)有所增加，因此在相同工況及相同相位角度時(shí)，有導(dǎo)管時(shí)，槳葉葉背背片空泡面積有所增加，且增加的背片空泡主要向內(nèi)半徑偏移。

圖5 壓載吃水狀態(tài)有無(wú)伴流補(bǔ)償導(dǎo)管空泡形態(tài)照片（上：有導(dǎo)管；下：無(wú)導(dǎo)管）Fig.5 Cavitation photos atballast draftcondition(Up：with duct;Down：withoutduct)

圖6 壓載吃水狀態(tài)有無(wú)導(dǎo)管脈動(dòng)壓力前二階葉頻分量分布（上：有導(dǎo)管；下：無(wú)導(dǎo)管）Fig.6 Distribution of pressure amplitudes-harmonic(1st&2nd)at ballast draft condition (Up：with duct;Down：withoutduct)

在壓載工況下，安裝伴流補(bǔ)償導(dǎo)管后，槳葉葉片上空泡面積增加，空泡誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力一階葉頻分量相應(yīng)增加，增加量在10%左右，二階葉頻分量相當(dāng)，變化不大，如圖6所示。

4 螺旋槳空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)分析及試驗(yàn)結(jié)果探討

4.1 螺旋槳空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

螺旋槳表面空泡剝蝕多由泡狀空泡、云狀空泡、霧狀空泡、絮狀空泡以及復(fù)雜的背片空泡[6-7]（在槳葉內(nèi)半徑產(chǎn)生，且沿弦長(zhǎng)方向在槳葉表面脫落、潰滅）的存在而產(chǎn)生，本文中螺旋槳上內(nèi)半徑片空泡即為復(fù)雜背片空泡，在槳葉導(dǎo)邊0.7R附近產(chǎn)生孤立的背片空泡，且沿弦長(zhǎng)方向脫落，脫落后類(lèi)似云狀空泡，在槳葉表面潰滅，如圖7所示，圖中較清晰地再現(xiàn)了螺旋槳葉背上內(nèi)半徑復(fù)雜背片空泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅、反彈、重新集結(jié)和二次潰滅的演變過(guò)程，且空泡首次潰滅時(shí)的能量（體積大）遠(yuǎn)大于二次潰滅，因此可能產(chǎn)生空泡剝蝕的位置應(yīng)在首次潰滅位置，即在槳葉0.7R與槳葉參考線交匯的前端。

圖7 壓截工況下螺旋槳葉背脫落片空泡演變過(guò)程Fig.7 The process of sheet cavitation shedding at ballast condition with wake equalizing duct

4.2 螺旋槳空泡剝蝕試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)及結(jié)果分析

從上文空泡結(jié)果分析表明，此螺旋槳在伴流補(bǔ)償導(dǎo)管情況下，存在較強(qiáng)的空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)，有必要采用軟面法進(jìn)行空泡剝蝕試驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)1#、2#、4#葉片均勻噴涂蘭油，進(jìn)行了帶伴流補(bǔ)償導(dǎo)管情況下螺旋槳空泡剝蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，在1#、2#、4#葉片0.7R半徑線與槳葉參考線的前端有明顯的空泡剝蝕麻點(diǎn)，證實(shí)上文分析結(jié)果。為進(jìn)一步證實(shí)螺旋槳槳葉空泡剝蝕主要由導(dǎo)管伴流影響，隨后對(duì)槳葉重新均勻噴涂蘭油，進(jìn)行了不帶伴流補(bǔ)償導(dǎo)管情況下螺旋槳空泡剝蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，四只葉片上均沒(méi)有空泡剝蝕痕跡，模型試驗(yàn)證實(shí)了伴流補(bǔ)償導(dǎo)管影響了槳葉內(nèi)半徑處流場(chǎng)，使螺旋槳存在較大空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 帶伴流補(bǔ)償導(dǎo)管時(shí)空泡剝蝕試驗(yàn)前后對(duì)比照片F(xiàn)ig.8 The contrast photos before and after cavitation erosion test with wake equalizing duct

圖9 只有螺旋槳空泡剝蝕試驗(yàn)前后對(duì)比照片F(xiàn)ig.9 The contrast photos before and after cavitation erosion test only with propeller

4.3 有無(wú)伴流補(bǔ)償導(dǎo)管CFD計(jì)算分析

為進(jìn)一步研究此散貨船伴流補(bǔ)償導(dǎo)管對(duì)螺旋槳流場(chǎng)的影響，對(duì)此船模進(jìn)行了全附體帶螺旋槳（其中螺旋槳以體積力代替）的三維粘性不可壓縮RANS方法計(jì)算。

圖10為有無(wú)導(dǎo)管時(shí)，船尾旋渦流動(dòng)分布情況。當(dāng)只有螺旋槳存在時(shí)，由船體處產(chǎn)生的漩渦，在尾流處開(kāi)始減弱甚至消失；當(dāng)存在導(dǎo)管時(shí)，漩渦流經(jīng)導(dǎo)管，得到了加強(qiáng)，同時(shí)，在導(dǎo)管外表面處也產(chǎn)生新的漩渦，并最終脫落，與原漩渦交織在一起。

圖10 船尾旋渦流動(dòng)分布（左：有導(dǎo)管；右：無(wú)導(dǎo)管）Fig.10 Distribution of vortex at ship stern(Left：with duct;Right：without duct)

圖11 不同盤(pán)面處軸向速度分布（上：導(dǎo)管及螺旋槳；下：只有螺旋槳）Fig.11 Distribution of axis velocity at different plane(Up：Duct and propeller;Down：propeller)

圖11 為不同盤(pán)面處軸向速度分布云圖，水流經(jīng)流導(dǎo)管后，其軸向速度分布有一定區(qū)別，如圖中紅色圓圈所示，這有可能是導(dǎo)致槳葉內(nèi)半徑產(chǎn)生脫落空泡，并增加空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)原因所在。

5 前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題

前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管在追求較好節(jié)能效果的同時(shí)，需兼顧槳葉空泡性能，設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)，首先選擇合適的導(dǎo)管直徑，其次是導(dǎo)管安裝角度及所在位置，這三點(diǎn)決定了螺旋槳的進(jìn)流場(chǎng)，確定了螺旋槳效率增加量及槳葉表面空泡變化情況，圖12為本文中導(dǎo)管，左右對(duì)稱，且導(dǎo)管下端尾緣離槳盤(pán)面的距離約為0.4D，導(dǎo)管下端與船舶交截線與軸線夾角約10.5°，本艘散貨船船型與伴流補(bǔ)償導(dǎo)管組合未達(dá)到最佳狀態(tài)，使槳葉表面存在較大空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)，其節(jié)能效果也受到較大的限制，可從表2試驗(yàn)工況中看出，其航速只增加0.04kns，槳負(fù)荷增加3.3%，小于一般船舶航速增加0.2-0.3kns，槳負(fù)荷增加5%—10%情形。圖13為四種無(wú)空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)的不同散貨船、油船伴流補(bǔ)償導(dǎo)管安裝方式，其導(dǎo)管下端尾緣離槳盤(pán)面的距離約為0.3D，且多在槳軸中心線或偏下位置，導(dǎo)管下端與船舶交截線與軸線夾角一般3°～7°為宜。伴流補(bǔ)償導(dǎo)管直徑需根據(jù)船型合理選擇，其直徑范圍約0.3-0.5D之間。

圖12 槳葉內(nèi)半徑存在空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)伴流補(bǔ)償導(dǎo)管安裝方式Fig.12 The setup of wake equalizing duct with risk of cavitation erosion

圖13 槳葉正?？张菪螒B(tài)條件下伴流補(bǔ)償導(dǎo)管安裝方式Fig.13 The setup of wake equalizing duct without risk of cavitation erosion

6 結(jié) 論

本文針對(duì)某特定伴流補(bǔ)償導(dǎo)管對(duì)螺旋槳空泡及空泡剝蝕性能的影響研究，從空泡形態(tài)上判斷可能產(chǎn)生空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)，利用模型實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，分析其產(chǎn)生的原因，并給出伴流補(bǔ)償導(dǎo)管設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題。形成的主要結(jié)論如下：

（1）本文中所提及的不合適的伴流補(bǔ)償導(dǎo)管有增加槳葉空泡剝蝕的風(fēng)險(xiǎn)，表明伴流補(bǔ)償導(dǎo)管設(shè)計(jì)時(shí)需評(píng)估導(dǎo)管對(duì)槳葉空泡性能的影響，避免空泡剝蝕風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生；

（2）伴流補(bǔ)償導(dǎo)管一般會(huì)增加軸向伴流、螺旋槳負(fù)荷及槳葉背空泡面積；

（3）伴流補(bǔ)償導(dǎo)管一般會(huì)增加螺旋槳空泡誘導(dǎo)的一階葉頻分量；

（4）在兼顧節(jié)能效果與空泡性能時(shí)，伴流補(bǔ)償導(dǎo)管直徑根據(jù)船型一般在0.3—0.5D之間，且左右兩半不對(duì)稱，導(dǎo)管下端尾緣與槳盤(pán)面之間距離約為0.3D，導(dǎo)管下端與船舶交截線與槳軸線夾角一般在3°～7°之間。

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Study on the performance of cavitation and cavitation erosion with and without wake equalizing duct

HUANG Hong-bo1,2,XUE Qing-yu1,HUANG Shao-feng1,2,WU Ying-xin1
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

This paper describes the model test of cavitation observation and cavitation erosion measurement with and without wake equalizing duct in China Ship Scientific Research Center(CSSRC),meanwhile,the differences of propeller cavitation and cavitation erosion performance and some attentions are mentioned. The experiment results indicate that the area of sheet cavitaion and the maximum 1st harmonic pressure fluctuation values increase obviously with wake equalizing duct,what’s more,improper wake equalizing duct will have some hint of blade cavitation erosion.

wake equalizing duct;cavitation;pressure fluctuation;cavitation erosion

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.004

1007-7294（2017）07-0821-11

2017-02-09

黃紅波（1979-），男，高級(jí)工程師，E-mail：13621516671@163.com；

薛慶雨（1986-），男，工程師。