2023, Vol. 45
2. 上海船舶设备研究所系统总体部，上海 200031
2. System General Department, Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China
船舶推进系统设计时，理论上配合点即100%负荷和100%转速的MCR点，但船舶营运一段时间后由于船体表面、螺旋桨表面附着海生物、腐蚀，同时海洋水流、风浪以及航道变浅变窄等因素也会引起船体阻力增加，船舶航速就会降低。因此在新造船舶螺旋桨设计时需要考虑实际运行情况以消除设计偏差，这需要根据实船的阻力变化规律进行机桨匹配储备设计，负荷点的选择直接影响螺旋桨和原动机的匹配问题。近年应用推进电机驱动的船舶越来越多，推进电机由变频器驱动，具有恒扭矩/恒功率运行的能力，电力推进系统的机桨匹配设计可以应用功率储备，也可以转速储备设计。
国内船舶电力推进应用尚处于起步阶段，多集中于吊舱式电力推进理论研究。刘波[1]通过应用编程和仿真工具Simulink对电力推进的船机桨匹配进行静态和动态分析；张伟[2]通过UG建模，利用CFD技术对吊舱推进器的水动力性能进行模拟分析；秦业志[3]利用常规螺旋桨等效设计吊舱螺旋桨的方法，用LabVIEW编程语言开发船机桨匹配分析软件，优化匹配设计方案；胡兴富[4]通过螺旋桨推进和交流电机的推进特性分析，对勘探312船不同工况下的机桨匹配问题进行了研究。
国内对于异步电机带定距桨推进系统的机桨匹配研究较少，本文采用数值模拟方法开展某型电力推进船舶机桨匹配设计，充分考虑长期运营后的污底影响，分析对比了2种螺旋桨设计下的实船模拟效果，对于直轴电力推进系统设计具有借鉴意义。
1 研究对象及建模本文研究对象船的船型参数和螺旋桨数据如表1所示。
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表 1 船型主要参数 Tab.1 Main parameters of ship type |
根据船型、推进电机、螺旋桨和附体参数，建立船体及附体三维几何模型，形成的全附体模型如图1所示。
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图 1 全附体船体几何模型 Fig. 1 Fully attached hull geometry model |
船舶污底通常分为软污垢和硬污垢，软污垢通常是藻类，粘质物粘液和草类，对涂层系统和船舶性能的影响最小。具有钙质结构的硬污垢更顽强，可能会损害船舶和涂层系统的性能。复合污垢包括硬污垢和软污垢生物，对船舶的性能、涂层和机械系统极为不利[5-6]。
根据美海军舰艇技术手册中描述[7]，污底可以划分为0～100污底等级，数值越大表明污底情况越严重。其中0～30为软质附着物，草状附着物长度短于76 mm高度不超过6.4 mm，40～90为硬质，100为软硬复合附着物是最为严重的。40～60的钙化物直径或高度小于6.4 mm。70～80则高于6.4 mm，并出现重叠生长。在船舶日常运营中应当周期性检查船体污底，当污底等级为50时需要入坞进行全面清理，因此本文数值模拟将只考虑污底等级0～50之间的情况。
根据涂层粗糙度和生物淤积对船舶阻力和动力的影响研究结果[8]，污底等级与等效粗糙度的关系如表2所示。
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表 2 污底等级与等效粗糙度关系 Tab.2 Relationship between fouling grade and equivalent roughness |
数值模拟只考虑污底等级0～50，因此对应的粗糙度考虑0～1000。按照文献对应的状态和污底等级对等效粗糙度0，30，100，300，1000进行实尺度阻力计算，数值计算分别在航速24 kn和26 kn下开展。
2.2 污底增阻数值计算 2.2.1 计算域划分与网格生成计算域为立方体，半船模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，对称面亦设为对称面，对称面位于船体中纵剖线。水流从x正方向流动到x负方向。
网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在自由液面附近加密，船体周围网格密集，远离船体方向网格较为稀疏。
2.2.2 数值模拟设置数值模拟计算采用STAR-CCM+软件，控制方程为连续性方程和动量方程，对控制方程进行有限体积法离散，采用雷诺平均法作为湍流数值模拟方法（RANS）；计算采用Simple算法，采用可实现 K-Epsilon湍流模型，流体为不可压缩恒密度流体，自由液面用VOF方法捕捉。
本次计算在实船尺度下进行，污底增值数值模拟形成结果如表3所示。
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表 3 污底增值数值模拟计算结果 Tab.3 Relationship between fouling grade and equivalent roughness |
在污底等级为50时，26 kn相比无污底增阻25.4%，而24 kn时增阻28.2%。
在污底等级为30时，26 kn相比无污底增阻15.6%，而24 kn时增阻17.3%。
与文献[8]描述的情况类似，低速时增阻较多，原因可能是低速时摩擦阻力占比重较大而高速时兴波阻力占比重较大。数值模拟的后处理波形图如图2所示。
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图 2 波形图（实尺度） Fig. 2 Waveform diagram (real scale) |
数值水池虚拟试验分为敞水、阻力、自航三部分，试验结果处理与实体的物理水池一致。
数值模拟计算采用STAR-CCM+，控制方程为连续性方程和动量方程，对控制方程进行有限体积法离散，采用雷诺平均法作为湍流数值模拟方法（RANS）；计算采用Simple算法，采用可实现K-Epsilon湍流模型，流体为不可压缩恒密度流体。
3.1 敞水虚拟试验分别设计2种螺旋桨，用于比较考虑转速储备后的机桨匹配特性。
1）常规桨
常规桨（代号1711）即考虑新船工况下，电机功率与转速都运行在设计点的螺旋桨。根据船体阻力数据，此常规设计螺距比为1.32。
2）优化桨
优化桨（代号1711m）即考虑新船工况下，电机额定功率下转速高于额定转速5%以上。优化桨设计螺距为1.22，比常规桨螺距比低。
计算域为立方体，桨模3D模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，另一侧亦设为对称面。水流从x正方向流动到x负方向。
在桨模周围的圆柱型区域可以旋转，旋转域与立方体的大计算域进行数值交换。
外部边界距离螺旋桨足够远，可以认为基本不会产生影响。分别对代号1711螺旋桨和代号1711 m螺旋桨进行数值模拟。
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图 3 两类螺旋桨侧视图 Fig. 3 Side view of two types of propeller |
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图 4 网格划分 Fig. 4 Mesh generation |
网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在交接面附近加密，桨叶周围网格密集，远离桨叶方向网格较为稀疏。常规桨模型敞水试验结果如表4所示。
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表 4 常规桨模型敞水特性 Tab.4 Open water characteristics of conventional propeller model |
J=0.95时常规桨压力面、吸力面积速度场后处理图如图5和图6所示。
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图 5 J=0.95时常规桨叶压力面与吸力面 Fig. 5 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface of conventional propeller |
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图 6 J=0.95时常规桨前后速度变化与速度场 Fig. 6 When J=0.95, velocity variation and velocity field of conventional propeller |
优化桨模型敞水特性结果如表5所示。
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表 5 优化桨模型敞水特性 Tab.5 Open water characteristics of optimized propeller model |
J=0.95时优化桨压力面、吸力面积速度场后处理图如图7和图8所示。
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图 7 J=0.95时优化桨叶压力面与吸力面 Fig. 7 WhenJ=0.95, blade pressure surface and suction surface of optimized propeller |
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图 8 J=0.95时优化桨前后速度变化与速度场 Fig. 8 When J=0.95, velocity variation and velocity field of optimized propeller |
与实尺度阻力数值模拟类似，模型尺度阻力计算域为立方体，半船模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，对称面亦设为对称面，对称面位于船体中纵剖线。水流从x正方向流动到x负方向。
与实尺度阻力数值模拟类似，网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在自由液面附近加密，船体周围网格密集，远离船体方向网格较为稀疏。
虚拟试验结果如表6所示。
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表 6 模型阻力虚拟试验结果 Tab.6 Results of virtual test of model resistance |
与阻力数值模拟类似，模型尺度阻力计算域为立方体，全船模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，对称面亦设为对称面，对称面位于船体中纵剖线。水流从x正方向流动到x负方向。
与实尺度阻力数值模拟类似，网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在自由液面附近加密，船体周围网格密集，远离船体方向网格较为稀疏。
自航时螺旋桨旋转域如图9所示。自航时的网格划分，螺旋桨、船体周围较为密集，远场较为稀疏，如图10所示。
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图 9 自航时螺旋桨旋转域展示 Fig. 9 Display propeller rotation field when ship is sailing |
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图 10 自航时的网格划分 Fig. 10 Meshing during self - navigation |
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表 7 常规桨自航虚拟试验 Tab.7 Virtual experiment of conventional propeller self - navigation |
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表 8 优化桨自航虚拟试验 Tab.8 Virtual experiment of optimized propeller self - navigation |
优化桨转速高于常规桨，与预期一致，二者伴流分数和推力减额基本一致。
优化桨轴纵剖面速度场后处理图如图11所示。
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图 11 优化桨轴纵剖面速度场 Fig. 11 Velocity field in longitudinal profile of optimized propeller shaft |
数值模拟的分析方法与物理水池试验一致。
污底增阻发生在实船尺度上，因此预报过程中模型值不变，将增阻增加在实船的阻力系数上。Cp=1.000，Cn=1.000实船航速预报结果如表9～表14所示。
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表 9 常规桨实船预报结果 Tab.9 The forecast results of conventional propeller |
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表 10 常规桨20%增阻实船预报结果 Tab.10 The forecast results of conventional propeller 20% increase resistance |
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表 11 常规桨25%增阻实船预报结果 Tab.11 The forecast results of conventional propeller 25% increase resistance |
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表 12 优化桨实船预报结果 Tab.12 The forecast results of optimized propeller |
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表 13 优化桨20%增阻实船预报结果 Tab.13 The forecast results of optimized propeller 20% increase resistance |
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表 14 优化桨25%增阻实船预报结果 Tab.14 The forecast results of optimized propeller 25% increase resistance |
综合上述各表数据，对预报结果绘制转速-功率趋势图，如图12所示。
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图 12 转速-功率图 Fig. 12 RPM -power diagram |
可以看出：
1）常规桨（代号1711）在转速约280 r/min，在无污底时航速为26.30 kn；在25%增阻的情况下，推进电机降功率运行，螺旋桨转速在约266 r/min，常规桨航速为24.45 kn。
2）优化桨（代号1711 m）在转速约294 r/min，在无污底时航速为26.25 kn；在25%增阻的情况下，推进电机恒功率运行，螺旋桨转速在约286 r/min，常规桨航速为24.75 kn。
对转速功率图分析表明，本次数值模拟中常规桨对比优化桨，降速分别为1.85 kn和1.5 kn，优化桨减小航速降为0.35 kn（为0.35/1.5=23.33%）。这是由于常规桨在增阻后曲线向左移动，从而导致推进电机无法在额定功率下运行，而优化桨在曲线左移后推进电机依旧可以在额定功率运行。
转速储备，即轻转裕度（light running margin）指考虑到新船在未来使用条件下吸收100%主机功率时螺旋桨转速的余量，国际拖曳水池协会ITTC建议预留5%～7%[9]。因而可以利用电机设定的超过额定转速之后恒功率的特性，在电机配合定距桨的时候预留较大的轻转裕度。建议在7%以上，但也不宜过大，过大的轻转裕度将会使得设计出的螺旋桨敞水效率下降。
4 结 语本文对某船的全附体开展建模，并进行了实尺度阻力数值模拟，建立了船舶污底数值模型构建方法，并对比了2种设计螺旋桨敞水数值模拟及两对桨的自航数值模拟，得出以下结论：
1）污底等级在30时，该船26 kn航速增阻15%左右；污底等级在40～60时，该船26 kn航速增阻25%左右。
2）通过在设计阶段减小定距螺旋桨的螺距比，可以使新船的螺旋桨以较轻的负荷运转，吸收100％主机功率时螺旋桨转速高于主机额定转速。
3）本文数值模拟中常规桨对比优化桨，降速分别为1.85 kn和1.5 kn，优化桨减小航速降为0.35 kn（为0.35/1.5=23.33%）。
4）推进电机+定距桨的电力推进系统，推进电机特性与常规柴油机主机存在较大不同，同时定距桨在装船后无法通过调节螺距进行船机桨匹配。因此在船舶设计阶段中确定螺旋桨转速-功率设计点时需全面考虑、谨慎选择，综合考虑但不限于设计航速指标、长期运行时污底、转速储备、功率储备等因素。
| [1] |
刘波. 船舶电力推进及船机桨工况配合[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2005.
|
| [2] |
张伟. 吊舱推进器水动力性能模拟与分析[D]. 上海: 上海交通大学, 2008.
|
| [3] |
秦业志, 阮礽忠. 吊舱式电力推进船舶螺旋桨匹配设计仿真研究[J]. 中国舰船研究, 2014, 9(6): 8. |
| [4] |
胡兴富. 全电力推动海工船舶推进系统的机-桨经济性匹配及操控应用研究[J]. 中国水运月刊, 2016, 16(5): 115-117. |
| [5] |
卢宏亮, 龙腾腾. 关于水下清理船舶污底的几点思考[J]. 世界海运, 2021, 44(1): 3. DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2021.01.008 |
| [6] |
宋立国, 杨金刚, 于树博, 等. 减少船舶污底提高船舶能效的分析[J]. 中国水运:下半月, 2019, 19(4): 2. |
| [7] |
Naval Sea System Command (USA). Waterborne underwater hull cleaning of navy ships[C]//Naval Ships' Technical Manual, 2006, 081: 1–2.
|
| [8] |
SCHULTZ M P. Effects of coating roughness and biofouling on ship resistance and powering[J]. Biofouling, 2007, 23(5–6): 331-341. |
| [9] |
SCALING E W . ITTC – Recommended Procedures and Guidelines.
|