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槳舵組合式節(jié)能推進器是一種新型組合節(jié)能推進裝置。該裝置以優(yōu)化槳舵水動力干擾為原則，對槳后舵進行適伴流設計，從而使得舵前緣呈扭曲狀；同時,采用舵球將舵與槳轂光順連接起來，舵球可隨舵一起轉動，舵球前段與槳轂的咬合式設計能保證舵的回轉性。槳舵組合式節(jié)能推進器通過節(jié)能裝置間的有利干擾達到改善槳后尾流場、節(jié)約燃油消耗、提高推進效率的目的。2008年，芬蘭瓦錫蘭公司最早推出了一款名為Energopac的槳舵組合式推進器，其資料顯示，不同船舶在安裝了組合式節(jié)能推進裝置后在設計航速下推進效率能提升2%~9%。隨后，英國R-R公司、瑞典MJP公司等均推出了類似的產品，近年來，該產品已經在國外得到推廣應用。國內相關高校［1-2］和研究所已在開展該技術的跟蹤研究，但在新型槳舵組合式推進器理論設計、試驗研究方面與國外差距明顯。本文將以推進器減阻增效為優(yōu)化設計目標，開展槳舵組合式推進器設計方法及試驗驗證研究。首先，對槳后舵進行適伴流設計，并與一首端削平的舵球結合形成組合式推進器方案，然后通過新型槳舵推進器的數值仿真分析，初步驗證設計方案的合理性，最后，通過槳舵推進器船后水動力性能試驗驗證設計方法的正確性，獲得組合式槳舵推進器的減阻增效效果。

1槳舵組合式節(jié)能推進器設計

1.1扭曲舵設計于螺旋槳后方工作的舵，即使在零度舵角時，也能產生側向力。這是由于螺旋槳尾流場對舵展向不同剖面處的誘導速度不同，因此各剖面受力的方向及大小均不一樣。常規(guī)舵在設計時并未充分考慮螺旋槳的尾流作用，因此，根據螺旋槳來流方向調整舵剖面攻角是扭曲舵設計的初衷。本文針對原槳舵模型以減小舵阻力為設計目標，對原型舵進行扭曲設計。

1.2舵球設計舵球是一種簡易、實用、有效的尾部節(jié)能附體，目前的研究證實舵球可填充螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，減少因紊流、渦流引起的能量損失，減輕尾流對舵和船艉的激振力等。舵球為簡單回轉體，其形狀參數包括長度及直徑，由于本研究的舵球前端與轂帽光順過渡，因此根據槳舵的定位即可確定舵球長度。文獻［4］研究認為舵球直徑與螺旋槳直徑之比在0.2~0.216區(qū)間為宜，文獻［5］研究認為舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.22時節(jié)能效果較優(yōu)，因此，本文的舵球直徑取為螺旋槳直徑的0.22倍。需要注意的是，實際的槳舵組合式推進器為保證舵的回轉性，將舵球前端與槳轂尾端設計為凹凸咬合形式。在理論設計中，僅考慮了0°舵角時舵的水動力性能，因此只將槳轂后端與舵球前端簡化設計成平端面。

1.3槳舵組合式推進器設計方案以某船傳統(tǒng)槳舵推進器為研究對象，其螺旋槳和原型舵參數分別如表1和表2所示。以槳舵相互干擾的流場計算為基礎，根據增大扭曲舵理論設計原理，重新設計舵不同展向位置的剖面，不同位置的剖面偏轉角如表3所示。基于扭曲舵設計結果并與舵球進行組合，獲得了槳舵組合式推進器方案，傳統(tǒng)槳舵推進器與槳舵組合式推進器設計方案對比如圖2所示。

2槳舵組合式推進器性能數值仿真

為了驗證設計方法的正確性及設計方案的節(jié)能效果，對黏性流場中槳舵組合式推進器的水動力性能進行了數值仿真，對比分析了傳統(tǒng)槳舵推進器及槳舵組合推進器的受力、壓力分布及流場特性。

2.1數值驗證

2.1.1計算域及網格劃分槳舵組合推進器水動力性能仿真的計算域采用與螺旋槳同軸的內外兩個圓柱形流域，內域包含螺旋槳，如圖3所示。計算域長度為［-4D，8D］，半徑為4D。采用速度入口及壓力出口的邊界條件，螺旋槳及舵表面為不可滑移壁面。采用定常、多參考坐標模型（MRF），外域采用絕對靜止坐標系，內域旋轉參考坐標系固定于螺旋槳中心，并以-600r/min的角速度旋轉，兩個域之間利用Interface邊界連接，流場信息通過插值進行傳遞［6］。計算采用混合網格，包含螺旋槳的內域劃分非結構網格，其余區(qū)域采用結構網格。為方便捕捉到重要的流場信息，對關鍵區(qū)域（如螺旋槳槳葉的導隨邊、葉梢、葉根以及扭曲舵舵球位置、舵的導隨邊等）進行加密，對距離槳舵推進器較遠的區(qū)域，則適當降低網格密度以便于控制總網格數［7-8］，整體計算域網格約為300萬。

2.1.2湍流模型及邊界條件設置計算螺旋槳流場的數值方程為三維不可壓縮RANS方程，計算時采用有限體積法進行離散，擴散相采用中心差分格式，對流相采用一階迎風格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法。連續(xù)性曲線小于0.0001時認為計算收斂。

2.1.3槳舵組合式節(jié)能推進器計算結果為驗證數值計算結果的準確性，首先對某MAU槳舵［4］模型進行了計算。計算進速為0.3，0.4，0.5，0.6和0.7，計算結果如圖4所示。圖4所示為槳舵系統(tǒng)的推力KT、扭矩KQ、效率η計算值與勢流計算結果及試驗值的比較，從圖中可以看出，計算結果與試驗值的誤差均在5%以內，滿足研究精度要求。

2.2槳舵組合式推進器性能仿真

2.2.1水動力性能計算結果對設計工況下傳統(tǒng)槳舵推進器及新型槳舵組合推進器的定常性能進行了預報，如表4所示。由計算結果的對比可知，槳舵組合推進器使螺旋槳推力增加約1.5%，扭矩減小約2%，同時舵的阻力減小約13%，最終使得槳舵組合推進系統(tǒng)的效率增大約5%，有較好的節(jié)能效果。

2.2.2流線分布槳舵組合推進器的設計原理為優(yōu)化推進器與流場之間的匹配性，因此在計算收斂后，截取了槳后3個典型剖面（圖5）進行分析，以檢驗設計方案與流場的適配性。其中：z/L=-0.275剖面位于舵球下端；z/L=0剖面位于舵球中間；z/L=0.605剖面位于舵球上端。通過對比可以看出，槳舵組合式推進器翼型剖面具有更好的適伴流特性。在螺旋槳槳盤面后方（z/L=-0.275），新型舵剖面與流線的夾角較原型舵減小，舵球中心剖面的流線較原型舵均勻，且阻止了槳轂及舵后方流線的聚集，對螺旋槳轂渦有抑制作用。而在螺旋槳槳盤面外部，槳的誘導速度迅速減弱，流線與舵攻角較小，無需進行舵的扭曲設計。

2.2.3槳舵系統(tǒng)壓力分布進一步提取傳統(tǒng)槳舵推進器與槳舵組合推進器的螺旋槳表面壓力分布，并進行對比，如圖6所示。由圖6中螺旋槳表面壓力分布對比可知，舵優(yōu)化對螺旋槳內半徑（r/R<0.5）的壓力影響較明顯，而對螺旋槳外半徑的壓力影響則較小。這主要是由于舵球尺度與槳轂相近，它的存在覆蓋了原來槳轂后方的低壓區(qū)，對流場的擠壓作用使得螺旋槳內半徑流場的速度減小，壓力增大。進一步提取原型舵與新型舵不同剖面處的壓力分布，如圖7所示。從圖中可以看出，槳舵組合推進器的舵剖面壓力分布更為均勻，降低了舵表面的低壓峰值，有利于舵空泡性能。同時剖面壓力分布對比表明，剖面載荷高于傳統(tǒng)舵，因此舵效應變化不大。

3槳舵組合式節(jié)能推進器性能試驗

為驗證新型槳舵推進器設計方法的合理性、水動力仿真結果的準確性及節(jié)能效果，開展了不同推進器方案的快速性試驗。試驗船模采用雙槳推進，設計航速為12kn。試驗模型縮尺比為1∶11，縮尺后螺旋槳直徑為0.148m，為保證試驗結果的可靠性，試驗雷諾數超過臨界雷諾數3.5×105。在對應實船不同航速下分別測量了螺旋槳推力、扭矩及舵的3個分力（即舵的阻力、側向力及轉舵力矩），結果如表5和表6所示。其中：Vs為實船航速；TPx為螺旋槳x軸方向受力，朝向船艏為正；QPx為螺旋槳扭矩；TRx為舵沿x軸方向推力；TRy為舵?zhèn)认蛄ΑＳ稍囼灲Y果可知，新型組合式推進器使得螺旋槳的推力增加，而扭矩減小，因此螺旋槳的效率增加。由舵的受力對比可知，組合式推進器的舵阻力和傳統(tǒng)舵相比降低了10%~15%，而側向力變化較小，降低了5%左右，這主要是由于通過舵的偏轉及扭曲設計，舵與螺旋槳尾流場的匹配性更優(yōu)。由槳舵推進系統(tǒng)的效率對比可知，組合式推進器的效率較傳統(tǒng)槳舵最大提高了約2.7%，而隨著航速的增加，節(jié)能效果減弱，到16kn時節(jié)能效果約為1%。

4結語

本文以推進器減阻增效為目標，開展了槳舵組合式推進器的設計研究。通過對槳后舵適伴流設計，結合與槳轂光順連接的舵球，形成了組合式槳舵推進器方案；通過數值仿真獲得了敞水中組合式槳舵推進器的水動力性能、壓力分布、流場特性等細節(jié)，初步驗證了設計思路的正確性。進一步開展了原型及組合式槳舵推進器的船后水動力性能試驗。試驗結果表明，在各航速下,螺旋槳推力增大、扭矩減小，新型舵阻力減小10%以上，整體槳舵推進器效率增值最大達2.7%，槳舵組合式推進器確實具有減阻增效的作用。

作者：陳楊科 何苗 姜治芳 解學參 楊向暉 單位：海軍裝備部 駐武漢地區(qū)軍事代表局 中國艦船研究設計中心