吊舱推进器敞水推进性能研究

摘要

吊舱推进器越来越受到人们的关注，已逐渐应用在各个工程领域的船舶推进系统上。吊舱推进器相比于传统推进器具有众多优点:吊舱推进器采用电力推进系统，避免了传统机械式能量传递的方式;节省了舱室空间，有利于舱室的布置和优化;并且可以使船尾型线的设计约束减小，增大船型效率;此外，吊舱推进器成功地将推进与操纵集于一体，可以按任意角度进行偏转操纵，大大提高了其操纵的灵活性。吊舱推进器的推进性能决定船舶的直航速度和回转机动性，所以对于其水动力性能有必要加以深入研究。
　　吊舱推进器主要有三种形式，本文研究双桨式吊舱推进器的水动力性能。首先研究吊舱推进器上单桨的敞水推进性能，基于CFD方法计算了其上单桨的敞水性征曲线，并与试验结果相比较，验证了CFD方法计算的准确性。通过压力云图从微观上分析其压力特性，与计算所得宏观表征一致。进一步使用涡粘模型下的五种两方程湍流模型计算螺旋桨敞水推进性能，并分别比较推力、转矩和敞水推进效率，分析不同湍流模型的优缺点，选择了SST k-ω模型作为本文计算的湍流模型。
　　其次，对吊舱推进器进行整体水动力性能计算，得到吊舱推进器敞水性征曲线。将吊舱推进器与螺旋桨的敞水推进性能进行比较，发现吊舱推进器相比于螺旋桨的推力与转矩均得到提升，而敞水推进效率有所下降，说明吊舱推进器的转矩比推力提升得更快。吊舱推进器在进行回转操纵时处于非设计工况，水动力性能会发生剧烈变化。本文研究其在回转状态下的水动力性能，分别计算偏转角度为10°、20°、30°、40°的推力系数KT、转矩系数KQ、敞水推进效率η。研究发现，偏转角度越大，推力与转矩越大。在小角度偏转时，敞水推进效率变小;在大角度偏转时，敞水推进效率逐渐有所回升。并且高进速可以放大由偏转所引起的水动力性能变化。
　　最后，对吊舱推进器进行优化设计。主要从阻力与推进两个方面着手，减小阻力，提升推进性能，分别改进了吊舱推进器的螺旋桨、吊舱与支架的型线与尺寸。通过计算分析，优化后的吊舱推进器的敞水推进效率得到提升。