陈杨科，何苗，姜治芳，解学参，杨向晖

1 海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉430064

2 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

0 引 言

桨舵组合式节能推进器是一种新型组合节能推进装置。该装置以优化桨舵水动力干扰为原则，对桨后舵进行适伴流设计，从而使得舵前缘呈扭曲状；同时,采用舵球将舵与桨毂光顺连接起来，舵球可随舵一起转动，舵球前段与桨毂的咬合式设计能保证舵的回转性。桨舵组合式节能推进器通过节能装置间的有利干扰达到改善桨后尾流场、节约燃油消耗、提高推进效率的目的。

2008年，芬兰瓦锡兰公司最早推出了一款名为Energopac 的桨舵组合式推进器，其资料显示，不同船舶在安装了组合式节能推进装置后在设计航速下推进效率能提升2%～9%。随后，英国R-R公司、瑞典MJP 公司等均推出了类似的产品，近年来，该产品已经在国外得到推广应用。国内相关高校［1-2］和研究所已在开展该技术的跟踪研究，但在新型桨舵组合式推进器理论设计、试验研究方面与国外差距明显。

本文将以推进器减阻增效为优化设计目标，开展桨舵组合式推进器设计方法及试验验证研究。首先，对桨后舵进行适伴流设计，并与一首端削平的舵球结合形成组合式推进器方案，然后通过新型桨舵推进器的数值仿真分析，初步验证设计方案的合理性，最后，通过桨舵推进器船后水动力性能试验验证设计方法的正确性，获得组合式桨舵推进器的减阻增效效果。

1 桨舵组合式节能推进器设计

1.1 扭曲舵设计

于螺旋桨后方工作的舵，即使在零度舵角时，也能产生侧向力。这是由于螺旋桨尾流场对舵展向不同剖面处的诱导速度不同，因此各剖面受力的方向及大小均不一样。常规舵在设计时并未充分考虑螺旋桨的尾流作用，因此，根据螺旋桨来流方向调整舵剖面攻角是扭曲舵设计的初衷。本文针对原桨舵模型以减小舵阻力为设计目标，对原型舵进行扭曲设计［3］。

假设船速为Vs，螺旋桨转速为n，船体伴流诱导速度场在舵剖面位置处的三向分量分别为Vx，Vθ，Vr，螺旋桨诱导速度在舵剖面位置处的三向分量分别为ux，uθ，ur，若不考虑粘性耗散对伴流场的影响，当舵角为0 时舵翼剖面处来流速度在水平方向的分量为

式中：uRx表示舵翼型剖面位置处的轴向诱导速度，uRy表示周向诱导速度在水平方向的分量。

在来流VR作用下，舵翼剖面产生的升力定义为ΔLR，产生的阻力定义为ΔDR，在舵角为0 的情况下，沿螺旋桨轴向产生的力定义为

扭曲舵设计是指根据来流的方向将舵展不同高度处叶元体剖面偏转一定的角度，使之在保持船体操纵性能的情况下减小舵阻。假设螺旋桨后方工作的直舵，某个叶元体剖面旋转角度为αk，则舵沿螺旋桨轴向产生的力为

此时，舵剖面来流及受力情况如图1 所示。

图1 舵剖面受力示意图Fig.1 Forse on rudder section

可以看出，在已知舵剖面形状、舵前诱导速度的前提下，求舵阻力的关键在于确定叶元体剖面的偏转角αk。因此，对于每个叶元体剖面需要满足附加推力最大（阻力最小），即

最大。无量纲后可表示为

式中，CL和CD为翼型的升阻力系数。

1.2 舵球设计

舵球是一种简易、实用、有效的尾部节能附体，目前的研究证实舵球可填充螺旋桨毂帽后的低压区空间，减少因紊流、涡流引起的能量损失，减轻尾流对舵和船艉的激振力等。

舵球为简单回转体，其形状参数包括长度及直径，由于本研究的舵球前端与毂帽光顺过渡，因此根据桨舵的定位即可确定舵球长度。文献［4］研究认为舵球直径与螺旋桨直径之比在0.2～0.216 区间为宜，文献［5］研究认为舵球直径与螺旋桨直径之比为0.22 时节能效果较优，因此，本文的舵球直径取为螺旋桨直径的0.22 倍。

需要注意的是，实际的桨舵组合式推进器为保证舵的回转性，将舵球前端与桨毂尾端设计为凹凸咬合形式。在理论设计中，仅考虑了0°舵角时舵的水动力性能，因此只将桨毂后端与舵球前端简化设计成平端面。

1.3 桨舵组合式推进器设计方案

以某船传统桨舵推进器为研究对象，其螺旋桨和原型舵参数分别如表1 和表2 所示。

表1 螺旋桨几何参数Tab.1 Propeller geometry parameters

表2 原始舵几何参数Tab.2 Rudder geometry parameters

以桨舵相互干扰的流场计算为基础，根据增大扭曲舵理论设计原理，重新设计舵不同展向位置的剖面，不同位置的剖面偏转角如表3所示。

表3 扭曲舵偏转角Tab.3 Twist angle of new rudder

基于扭曲舵设计结果并与舵球进行组合，获得了桨舵组合式推进器方案，传统桨舵推进器与桨舵组合式推进器设计方案对比如图2 所示。

图2 桨舵系统三维轮廓图Fig.2 3-D vision of propeller and rudder systems

2 桨舵组合式推进器性能数值仿真

为了验证设计方法的正确性及设计方案的节能效果，对黏性流场中桨舵组合式推进器的水动力性能进行了数值仿真，对比分析了传统桨舵推进器及桨舵组合推进器的受力、压力分布及流场特性。

2.1 数值验证

2.1.1 计算域及网格划分

桨舵组合推进器水动力性能仿真的计算域采用与螺旋桨同轴的内外两个圆柱形流域，内域包含螺旋桨，如图3所示。计算域长度为［-4D，8D］，半径为4D。采用速度入口及压力出口的边界条件，螺旋桨及舵表面为不可滑移壁面。采用定常、多参考坐标模型（MRF），外域采用绝对静止坐标系，内域旋转参考坐标系固定于螺旋桨中心，并以-600 r/min 的角速度旋转，两个域之间利用Interface边界连接，流场信息通过插值进行传递［6］。

计算采用混合网格，包含螺旋桨的内域划分非结构网格，其余区域采用结构网格。为方便捕捉到重要的流场信息，对关键区域（如螺旋桨桨叶的导随边、叶梢、叶根以及扭曲舵舵球位置、舵的导随边等）进行加密，对距离桨舵推进器较远的区域，则适当降低网格密度以便于控制总网格数［7-8］，整体计算域网格约为300万。

图3 桨舵系统数值计算的计算域Fig.3 Simulation domain of propeller and rudder system

2.1.2 湍流模型及边界条件设置

计算螺旋桨流场的数值方程为三维不可压缩RANS 方程，计算时采用有限体积法进行离散，扩散相采用中心差分格式，对流相采用一阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC 算法。连续性曲线小于0.000 1时认为计算收敛。

2.1.3 桨舵组合式节能推进器计算结果

为验证数值计算结果的准确性，首先对某MAU 桨舵［4］模型进行了计算。计算进速为0.3，0.4，0.5，0.6和0.7，计算结果如图4 所示。

图4 计算值与试验值的比较Fig.4 Comparison between the calculatio results and experimental results

图4所示为桨舵系统的推力KT、扭矩KQ、效率η 计算值与势流计算结果及试验值的比较，从图中可以看出，计算结果与试验值的误差均在5%以内，满足研究精度要求。

2.2 桨舵组合式推进器性能仿真

2.2.1 水动力性能计算结果

对设计工况下传统桨舵推进器及新型桨舵组合推进器的定常性能进行了预报，如表4 所示。其中：

KTx=KTPx+KTRx,为桨舵系统推力系数；

Δ为不同桨舵系统系数之间的差值。

表4 桨舵系统性能对比Tab.4 Hydrodynamic performance comparison of two propeller-rudder systems

由计算结果的对比可知，桨舵组合推进器使螺旋桨推力增加约1.5%，扭矩减小约2%，同时舵的阻力减小约13%，最终使得桨舵组合推进系统的效率增大约5%，有较好的节能效果。

2.2.2 流线分布

桨舵组合推进器的设计原理为优化推进器与流场之间的匹配性，因此在计算收敛后，截取了桨后3 个典型剖面（图5）进行分析，以检验设计方案与流场的适配性。其中：z/L=-0.275 剖面位于舵球下端；z/L = 0 剖面位于舵球中间；z/L = 0.605剖面位于舵球上端。

图5 不同舵展剖面处流线对比Fig.5 Comparison of streamlines at different spanwise sections of rudders

通过对比可以看出，桨舵组合式推进器翼型剖面具有更好的适伴流特性。在螺旋桨桨盘面后方（z/L=-0.275），新型舵剖面与流线的夹角较原型舵减小，舵球中心剖面的流线较原型舵均匀，且阻止了桨毂及舵后方流线的聚集，对螺旋桨毂涡有抑制作用。而在螺旋桨桨盘面外部，桨的诱导速度迅速减弱，流线与舵攻角较小，无需进行舵的扭曲设计。

2.2.3 桨舵系统压力分布

进一步提取传统桨舵推进器与桨舵组合推进器的螺旋桨表面压力分布，并进行对比，如图6所示。

图6 不同方案桨叶弦向压力分布对比Fig.6 Comparation of propeller pressure distribution at different radial sections

由图6 中螺旋桨表面压力分布对比可知，舵优化对螺旋桨内半径（r/R＜0.5）的压力影响较明显，而对螺旋桨外半径的压力影响则较小。这主要是由于舵球尺度与桨毂相近，它的存在覆盖了原来桨毂后方的低压区，对流场的挤压作用使得螺旋桨内半径流场的速度减小，压力增大。

进一步提取原型舵与新型舵不同剖面处的压力分布，如图7 所示。从图中可以看出，桨舵组合推进器的舵剖面压力分布更为均匀，降低了舵表面的低压峰值，有利于舵空泡性能。同时剖面压力分布对比表明，剖面载荷高于传统舵，因此舵效应变化不大。

图7 不同方案舵展向位置压力分布对比Fig.7 Comparation of rudder pressure distribution at different spanwise sections

3 桨舵组合式节能推进器性能试验

为验证新型桨舵推进器设计方法的合理性、水动力仿真结果的准确性及节能效果，开展了不同推进器方案的快速性试验。试验船模采用双桨推进，设计航速为12 kn。试验模型缩尺比为1∶11，缩尺后螺旋桨直径为0.148 m，为保证试验结果的可靠性，试验雷诺数超过临界雷诺数3.5×105。在对应实船不同航速下分别测量了螺旋桨推力、扭矩及舵的3 个分力（即舵的阻力、侧向力及转舵力矩），结果如表5 和表6 所示。其中：Vs为实船航速；TPx为螺旋桨x 轴方向受力，朝向船艏为正；QPx为螺旋桨扭矩；TRx为舵沿x 轴方向推力；TRy为舵侧向力。

表5 桨舵推进器推力及扭矩对比Tab.5 Comparison of thrusts and torques

表6 桨舵推进器舵受力对比Tab.6 Comparison of rudder forces

由试验结果可知，新型组合式推进器使得螺旋桨的推力增加，而扭矩减小，因此螺旋桨的效率增加。

由舵的受力对比可知，组合式推进器的舵阻力和传统舵相比降低了10%～15%，而侧向力变化较小，降低了5%左右，这主要是由于通过舵的偏转及扭曲设计，舵与螺旋桨尾流场的匹配性更优。

定义桨舵推进系统的效率为

其中:kTP为螺旋桨推力系数；kR为舵的轴向力系数；kQ为螺旋桨的扭矩系数。传统桨舵推进器和组合式推进器效率对比如表7 所示。

表7 桨舵推进器效率对比Tab.7 Comparison of efficiencies

由桨舵推进系统的效率对比可知，组合式推进器的效率较传统桨舵最大提高了约2.7%，而随着航速的增加，节能效果减弱，到16 kn 时节能效果约为1%。

4 结 语

本文以推进器减阻增效为目标，开展了桨舵组合式推进器的设计研究。通过对桨后舵适伴流设计，结合与桨毂光顺连接的舵球，形成了组合式桨舵推进器方案；通过数值仿真获得了敞水中组合式桨舵推进器的水动力性能、压力分布、流场特性等细节，初步验证了设计思路的正确性。进一步开展了原型及组合式桨舵推进器的船后水动力性能试验。试验结果表明，在各航速下,螺旋桨推力增大、扭矩减小，新型舵阻力减小10%以上，整体桨舵推进器效率增值最大达2.7%，桨舵组合式推进器确实具有减阻增效的作用。

［1］何苗. 一体化节能推进装置的构型设计及水动力性能预报［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［2］WANG C，HE M，WANG G L，et al. Design and per⁃formance analysis of twisted rudder based on the maxi⁃mum reduction of rudder resistance［J］. Journal of Ship Mechanics，2014，18（3）：238-247.

［3］聂云凌. 节能助推扭曲舵研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，1992.

［4］张大有，逢吉春，王振府. 襟翼舵舵球技术研究［J］.武汉交通科技大学学报，1997，21（6）：595-599.ZHANG Dayou，FENG Jichun，WANG Zhenfu. On the technical research of rudder ball［J］. Journal of Wuhan Transprotation University，1997，21（6）：595-599.

［5］裴为民，杨怀蜀.舵球对螺旋桨敞水效率的影响［J］.交通部上海船舶运输科学研究所学报，1994，17（1）：6-14.PEI Weimin，YANG Huaishu. The effect of rudder bulb on propeller open water efficiency［J］. Journal of SSSRI，1994，17（1）：6-14.

［6］胡小菲，黄振宇，洪方文.螺旋桨非定常力的黏性数值分析［J］. 水动力学研究与进展（A 辑），2009，24（6）：734-739.HU Xiaofei，HUANG Zhenyu，HONG Fangwen. Un⁃steady hydrodynamics forces of propeller predicted with viscous CFD［J］. Journal of Hydrodynamcis（Ser.A），2009，24（6）：734-739.

［7］GHASSEMI H，GHADIMI P. Computational hydrody⁃namic analysis of the propeller–rudder and the AZI⁃POD systems［J］. Ocean Engineering，2008，35：117-130.

［8］ZHANG J H，WANG G Q，JIANG S J. Unsteady hy⁃drodynamic performance of propeller and rudder system［J］.Journal of Ship Mechanics，2003，7（3）：48-57.