基于图谱设计法的11 300 DWT 油船螺旋桨优化设计

2020-10-13赵丽娜焦鹏祥杨志宏全向宏

机电设备 2020年4期

赵丽娜，焦鹏祥，杨志宏，全向宏

（1. 上海海关动植物与食品检验检疫技术中心，上海 200135； 2. 上海海事大学商船学院，上海 201306； 3. 中外运集装箱运输有限公司，上海 200001；4. 深圳华威近海船舶运输股份有限公司，广东深圳 518067）

关键字：螺旋桨；图谱设计法；油耗率；设计优化

0 引言

全球90%的贸易依赖海运，船舶则是促进其发展重要的运输工具。近年来，由于世界经济的低迷，船舶运价急剧下降，船舶航运企业营运压力增大，降低船舶能耗成为提高航运企业盈利能力的重要途径。船舶设计过程中，在船型优化的基础上对推进装置螺旋桨及其相关位置进行优化设计是降低船舶能耗的重要手段之一。由此，优化方法在螺旋桨设计中的应用研究开始出现，采用系列桨性能试验回归公式或升力面、CFD 等数值方法、优化采用遗传算法、序列二次规划法、DOE 方法等进行性能计算，优化目标包括推力、效率、激振力或其组合，但尚未形成较为成熟的体系，与工程应用的要求也有较大距离。

JANG 等[1]开发了无限维优化方法，根据希尔伯特空间理论证明了优化解的唯一性，螺旋桨性能计算采用升力面方法进行计算；以效率为目标对桨叶螺距进行了优化，但得到的螺距分布出现较大波动，实用性存在问题。TAKEKOSHI 等[2]基于升力面方法，应用非线性序列二次规划算法在非定常工况下对桨叶形状进行了优化设计；作者用Fourier 多项式表达桨叶螺距、拱度及厚度分布，设计出的参数分布光顺、合理，优化结果经模型试验验证，效率及空泡性能均得到改进。

本文基于螺旋桨水动力性能，采用图谱设计法，选定MAU5 叶桨型进行螺旋桨图谱设计，利用CFD 方法对螺旋桨优化后的淌水性能与节能效果进行了数值模拟，并将计算结果与试验数据进行了比较分析和实船验证。

1 螺旋桨优化设计

1.1 螺旋桨的基本参数

某轮是一艘11 300 载重吨的单桨油船，该船螺旋桨的主要信息及参数如表1 所示。

表1 原螺旋桨主要参数

1.2 MAU 图谱桨设计法简介

目前螺旋桨的设计方法一般有2 种，分为理论设计法和图谱设计[3]。

1）理论设计法。按环流理论设计螺旋桨的方法。

2）图谱设计法。顾名思义，它是根据螺旋桨模型系列法试验结果绘制的图谱进行设计的。

按图谱设计螺旋桨即根据已知条件，在图谱所提供的螺旋桨资料范围内选择最适宜的方案。前者无法直接用于适伴流及大侧斜桨的设计，后者的设计结果可靠、计算方法简便，应用也比较广泛。

目前采用最多的图谱设计方法即通过实验得到的推力系数、转矩系数与进速系数的关系，用近似的线性函数或用最小二乘法拟合，然后再通过拟合后的曲线选取所需要的螺旋桨参数。

根据船模试验获得的有效功率和自航因子等数据资料，应用MAU 图谱设计图谱桨，图谱桨参数为：螺旋桨直径D＝4.27 m；螺距比P/D＝0.696 7；盘面比Ae/A0＝0.4，桨叶数Z＝5 片。根据MAU 图谱桨敞水性能结果和库存桨模型试验数据进行实船航速预报，当螺旋桨收到功率为2 515.6 kW时，最大航速为12.38 kn。