桨后能量回收舵球-涡轮装置的构型设计及其对船舶快速性的影响

摘要

螺旋桨旋转推动流体向后运动使其产生推力，同时也使流体旋转造成能量损失，研究者给出了各种各样的措施对这部分能量进行回收。桨后能量回收舵球-涡轮装置由涡轮叶片、舵球、传动轴、发电机和变频器组成。舵球头部为半椭球型，尾部与舵光顺连接在一起，涡轮叶片安装在舵球上。螺旋桨旋转尾流作用在涡轮叶片上推动其旋转，并带动舵球头部一起旋转，从而驱动发电机发电，实现对螺旋桨尾流旋转能量的回收，为船舶操作提供用电。桨后能量回收舵球-涡轮装置具有一般舵球的优点，可以填补桨毂后方低压区、减少桨毂后方乱流引起的能量损失，此外，涡轮直径比螺旋桨直径小，对船艉设计产生的影响小，而且由于其位于螺旋桨尾流中，避免了螺旋桨梢涡对涡轮叶片的冲击。本文通过螺旋桨升力线理论与面元法相结合对涡轮进行设计，采用 CFD技术计算舵球几何参数对桨-舵系统水动力性能的影响确定舵球的尺寸，从而实现舵球-涡轮装置的构型设计；为了进一步研究其对船舶快速性的影响，对快速性预报方法进行了研究，分析了舵球-涡轮装置对自航因子、实船功率性能及船艉流场的影响。 为了对某大型集装箱船的螺旋桨及桨-舵系统水动力性能进行计算，首先采用本文的CFD计算方法对已知的KP505螺旋桨水动力性能进行数值计算，计算结果和试验值吻合良好。采用该数值方法对敞水条件下该大型集装箱船桨的水动力性能进行计算并给出了其敞水性征曲线，分析了进速系数对桨叶压力分布的影响，并给出了在某进速系数下螺旋桨尾流的速度分布情况；通过对桨-舵系统水动力性能的计算，研究了随着进速系数的变化舵对螺旋桨水动力系数的影响、桨-舵表面压力分布情况和舵对螺旋桨尾流速度分布的影响，结果表明舵对螺旋桨能够产生有利干扰。 为了对涡轮进行设计，首先通过升力线理论对涡轮叶片进行初步设计，然后再通过升力面理论进行修正，采用面元法对前桨和桨后涡轮的水动力性能进行预报，并且考虑相互之间的干扰，循环迭代直到系统水动力性能收敛。通过对某大型集装箱船的螺旋桨进行桨后涡轮设计，研究了涡轮与螺旋桨转速比以及涡轮设计功率对系统水动力性能的影响。结果表明，在设计工况下，桨后涡轮节能效果可达4.49%，给出了节能效果最大时涡轮的设计结果。采用 CFD方法针对桨和涡轮之间的流场进行了细致研究，表明所设计涡轮可以很好的回收螺旋桨尾流能量。 为了确定舵球-涡轮装置中舵球的尺寸，对舵球几何尺寸进行变参数计算，研究了舵球对桨-舵系统水动力性能的影响，获得了舵球的最佳短轴半径，使得桨-舵系统效率最大，节能效果最佳可达3.86%。通过对加装舵球前后桨舵表面压力、桨后流线和桨后涡量的分布进行分析，并对舵球的节能原理进行了探讨。通过对敞水情况下桨后舵球-涡轮能量回收装置的水动力性能进行计算表明，舵球-涡轮装置的节能效果随着进速系数的增加先增后降，并在设计工况下达到5.59%，舵球-涡轮装置的节能效果要大于单独舵球或者涡轮。 为了获得计算船舶阻力性能及粘性伴流场的数值方法，通过对国际标准船模 KCS船进行计算并与试验结果对比，探讨了网格划分方式对自由液面模拟的影响、艉部边界层网格对桨盘面标称伴流场模拟的影响、时间步长的选择和自由液面对阻力计算结果的影响，最后给出了 KCS船不同横截面处速度场和船艉压力系数分布的模拟结果，可知计算结果具有相当高的精度；最后针对某大型集装箱船船模的阻力性能和粘性绕流场进行了计算，给出了其自由液面、船艉不同横截面处速度分布以及船体表面压力系数分布，计算结果与试验测量结果吻合良好，进一步验证了计算方法的可靠性，为后续进行船模自航数值模拟和快速性预报奠定了基础。 为了进行快速性预报，首先对 KCS船模进行自航模拟，将流场模拟结果与试验结果进行对比，验证了自航模拟方法的可靠性。然后采用1978ITTC标准预估方法对KCS船的快速性进行预报，通过与试验预报结果相对比，验证了基于 CFD方法进行快速性预报的可行性。通过对某大型集装箱船未加装和加装舵球-涡轮装置进行船模自航数值模拟，并对两种情况下的快速性进行预报，结果表明：设计航速下，舵球-涡轮装置回收能量进行发电的输出功率为1200kW，具有较大的经济效益；最后对某螺旋桨转速下自航的船艉流场进行研究发现：舵球-涡轮装置的安装使得船艉流场速度分布情况更复杂，缩小了轴向速度高速区面积，减小了横向速度矢量的大小，使得螺旋桨尾流中的一部分旋转能量被回收并被转化为舵球-涡轮装置的机械能，从而最终转化为电能；舵球-涡轮装置可对船体产生有利干扰，使船艉压力系数稍微增加，从而使船体压差阻力降低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 舵球-涡轮装置工作原理

1.3 研究现状

1.4 本论文主要研究内容

1.5 本论文的创新点

第2章 桨及桨-舵系统的水动力性能预报

2.1 概述

2.2 CFD理论基础

2.3 螺旋桨敞水性能的计算

2.4 桨-舵系统水动力性能计算

2.5 本章小结

第3章 桨后能量回收涡轮的设计及水动力性能预报

3.1 概述

3.2 理论基础

3.3 理论设计方法

3.4 桨后涡轮设计实例研究

3.5桨后涡轮水动力性能研究

3.6 本章小结

第4章 舵球几何参数及舵球-涡轮装置对桨-舵系统水动力性能的影响

4.1 概述

4.2 舵球的几何描述及数值模型

4.3 舵球参数化计算结果分析

4.4 舵球节能机理分析

4.5 舵球-涡轮装置对桨-舵系统水动力性能的影响

4.6 本章小结

第5章 船舶粘性流场数值计算方法研究

5.1 概述

5.2 自由液面的数值模拟方法

5.3 数值计算方法研究

5.4 KCS船计算结果分析

5.5 某大型集装箱船数值模拟结果分析

5.6 本章小结

第6章 舵球-涡轮装置对船舶快速性的影响研究

6.1 概述

6.2 理论基础

6.3 KCS船自航模拟及快速性预报

6.4 大型集装箱船自航模拟及快速性预报

6.5 舵球-涡轮装置对船艉水动力性能的影响

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢