船舶螺旋桨毂帽鳍研究与进展

船舶螺旋桨毂帽鳍研究与进展
骆婉珍1，吴铁成2，孙瑜2
（1．集美大学轮机工程学院，福建厦门361021；
2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001）
摘要：螺旋桨毂帽鳍是在桨毂帽处安装整流鳍板的节能装置，具有结构简单、安装方便、故障可能性低以及造价低等诸多优点，并适用于旧船的改造，对提高船舶推进效率、减少船舶能耗有着积极的作用。

本文整理归纳了国内外关于螺旋桨毂帽鳍研究工作的文献，并把这些研究按实验研究和理论预报两个部分进行介绍，并对今后的研究方向提出了一些观点。

关键词：螺旋桨；毂帽鳍；实验研究；理论研究
Studies and Advances of Marine Propeller Boss Cap Fin
LUO Wanzhen1, WU Tiecheng2, SUN Yu2
(1. Institute of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen, 361021, China; 2. College of
Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China)
Abstract: The propeller boss cap fin is an energy-saving device which is installed an rectifying fin in the boss cap, it has the advantages of simple structure, convenient installation, hard to breakdown, and lower cost. It is suitable for transformation of old ships and can reduce the energy consumption. This paper summarizes the domestic and foreign articles about the research of propeller boss cap fin and divides these studies into two parts, one is experiment study, the other one is theory prediction, and also, we give some opinions about future research.
Keywords: propeller, boss cap fin, experiment study, theory study
1引言
近年来，我国船级社、研究设计院所、高等学校和船厂通过对中国船舶的EEDI指数计算验证。

并与MEPC提供的Baseline比较得出，中国63%散货船的EEDI指数大于Baseline；57%集装箱船的EEDI指数超过Baseline；73%的共同规范(CSR)散货船超标[1]。

2011年7月MEPC第62次会议上，正式通过《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ修正案，确定了EEDI和SEEMP两项船舶能效准则。

两项准则在2013年1月1日已经生效，2015年起强制执行[2]，EEDI指数超标的新设计船将不能通过船级社或IMO的审核，EEDI指数超标的运营船舶可能被强制报废或者无法进入国际航运市场。

届时我国船舶工业将面临着巨大挑战与严重的订单影响。

因此，船舶节能减排是一个需要重新搬到台面上并更加重视的一个方面。

螺旋桨毂帽鳍（Propeller Boss Cap Fins）作为重要的船舶附加水动力节能装置，是在1987年首先由日本大阪商船三井船舶株式会社等研制的，它是在桨毂帽处安装整流鳍板的一种节能装置[3]。

毂帽鳍具有结构简单、安装方便、故障可能性低以及造价低等诸多优点，并且适用于旧船的改造。

毂帽鳍的节能机理有
作者简介：骆婉珍，女，在读硕士研究生，主要从事新能源应用领域的研究。

E-mail: luowanzhen@。

两点：第一点是当船舶运行时，通常在螺旋桨的毂帽附近，有一股较强的毂涡，毂涡所产生的阻力，致使螺旋桨的性能降低。

在螺旋桨桨后加装毂帽鳍，对桨毂帽后的水流进行导流，使毂涡被扩散和减弱。

因此，涡流对螺旋桨所引起的阻力就会减小，而螺旋桨的推力也就相应地增大。

第二点是桨毂附近的流场，在PBCF处产生方向与螺旋桨旋转方向相同的转矩，使得桨轴上所需转矩减少，从而有利于提高螺旋桨效率[4-6]。

毂帽鳍的节能效果较好，这个效果在较大毂涡、较大螺距的桨后更为明显，因此是一种不错的节能附体。

2 毂帽鳍实验研究
1986年，日本三井造船公司开发出与螺旋桨叶数相同而直径为其1/4的毂帽鳍，通过模型实验证实其节能效果。

1991年，龚其福和周和玉[7]进行了PBCF的敞水实验研究，采用反向敞水实验法（即将桨轴及敞水箱置于螺旋桨上游的敞水实验），使用CP26型螺旋桨，并以螺旋桨效率为基础，对毂帽鳍的最佳参数进行研究。

该试验所研究的参数有鳍板与螺旋桨的半径比（r/R），鳍板的安装角度（α），鳍板相对螺旋桨的位置（a，b），鳍板的倾斜角（γ），鳍板的截面形状以及鳍板的数量。

图1为安装PBCF前后螺旋桨敞水性能的对比。

然后将PBCF安装到11艘船舶上进行反复实验，所得结果与敞水实验存在一定差异，产生此种差异的原因除去尺度效应和流场因素外，还存在实船中PBCF的制造精度更高等因素。

图1PBCF对螺旋桨敞水性能曲线的影响
中船重工七○二研究所上海分部进行了50余型螺旋桨配毂帽鳍的模型性能实验[8]。

实验观察图像如图2所示。

实验结果表明毂帽鳍节能效果在2%以上，实船应用节能效果可达到3.0%—4.0%。

该试验采用激光测速技术（LDV）成功测量了安装毂帽鳍前后螺旋桨的尾流场，得到了毂帽鳍对螺旋桨尾流场的改善效果的流场实验数据。

图2 毂帽鳍性能实验
上海708研究所对一艘60000吨散货船进行了模型自航实验，在较大的航速范围内安装毂帽鳍节能效果为3~5.5%。

各种商船的平均节能效果大约为4%[9]。

Yuichi Tamura[10]等人对导管和毂帽鳍相结合的高性能螺旋桨进行模型实验，毂帽鳍模型如图3所示。

实验结果显示毂帽鳍使导管桨的水动力性能提高7%以上。

实验结果如图4所示。

图3 毂帽鳍模型图4 水池实验结果
2013年CAI Haopeng，MA Cheng[11]等人为了使PBCF获得更高的水动力节能效果，在模型试验中选取了两种方案，方案参数如表1所示，实验观察图像如图5所示。

表1 两种方案参数比较
方案参数方案A 方案B
螺旋桨直径（m） 5.5 5.5 叶数 3 3 （P/D)0.7R 0.8058 0.7865 （P/D)0.2R 0.7202 0.8601 面积比0.85 0.85
毂帽鳍
安装角（°）46 49 叶数 3 3 半径比（R鳍/R桨）0.28 0.28
图5 空泡观察结果
实验结果显示两种方案都能起到消除毂涡并提高螺旋桨的敞水性能的作用，其中在进速系数为0.44的情况下，方案A能将推进效率提高2.9%而方案B能达到4.1%。

另外，由MARIN开始的Joint Industry Project (JIP) [12]中对多种节能附体的尾部精细流场以及节能机理进行了探索研究，该试验采用了粒子图像测速技术（PIV），测量结果如图6所示。

图中可以直观的看出桨中心毂涡部分的速度减小。

（a）螺旋桨（b）桨+预旋定子+毂帽鳍
图6 PIV测量结果
ITTC组织自第25届开始专门成立了精细流场测量研究组（detailed flow measurement），组织世界各国致力于流体力学基础研究的专家、学者开展对此问题的深入研究。

3 理论预报方法
对于吊舱推进器水动力性能的理论计算一般可分为两种，分别为基于势流理论的计算方法和基于粘性流的计算方法[13]。

3.1 基于粘性流的计算方法
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)形成于20世纪60年代中期，涉及经典流体力学、计算方法、数值分析、程序编制和资料处理等学科。

将已知的流体动力学基本定律用数学方程进行描述，在一定的定解条件(初始条件和边界条件)下求解这些数学方程，从而模拟某个流体动力学问题或工程实际问题。

熊鹰[14]等人利用CFD进行了毂帽鳍对可调螺距螺旋桨效率的影响研究，通过改变毂帽鳍的形状来确定其最优参数，并且计算其桨毂部分的流线得到其节能机理，桨毂流线如图7所示。

图中可以明显看出毂涡变小，螺旋桨旋转能量得到重新利用，从而使桨的效率增加。

（a）螺旋桨（b）桨+毂帽鳍
图7 螺旋桨桨毂处流线
Takafumi Kawamura等[15]通过模型实验和实船上的测量，发现不同雷诺数下的毂帽鳍对螺旋桨的影响不同，因此对船模和实船尺度下的PBCF进行水动力性能分析，其中图8为一片桨叶和一片鳍的计算域，图9为实船上的PBCF。

图8 一片桨叶和一片鳍的计算域图9 实船尺度下的PBCF
计算结果发现实尺度下的PBCF比模型尺度下更能提高螺旋桨的推力和效率，文章中认为导致该种情况出现的原因除了尺度效应还有船体和舵的干扰作用，桨表面粗糙度，毂涡空泡的影响，图10为毂帽表面的压力云图。

图10 为毂帽表面的压力云图
上海船舶运输科学研究所[16]基于CFD对桨-毂帽鳍-舵的水动力性能进行研究，分析了有舵和无舵情况下有无毂帽鳍时螺旋桨流场特点，并从能量的角度出发，考察了桨后尾流能量组成，计算结果表明毂帽鳍在有舵情况下的节能效果要低于无舵情况下的节能效果。

图11为三种情况下桨后涡量分布云图。

（a）无舵无毂帽鳍（b）有舵无毂帽鳍（c）有舵有毂帽鳍
图11 桨后涡量分布云图
3.2 基于势流理论的计算方法
桨后节能附体水动力性能的理论研究同样可以用基于势流理论的计算方法，所采用的方法为升力线、升力面理论和面元法。

由于CFD方法计算周期长，目前设计优化问题中仍以势流理论为主，CFD方法可用来检验设计结果。

哈尔滨工程大学苏玉民教授采用面元法对桨-毂帽鳍的水动力性能进行分析。

在建立桨-毂帽鳍性能预报程序时，分别采用了将桨和鳍的速度势置于一个矩阵的直接求解方法和通过诱导速度考虑桨、鳍之间相
互干扰的迭代计算方法。

建立的桨-毂帽鳍模型和面元法计算模型如图12。

计算结果如图13所示。

图12 毂帽鳍模型及其面元法计算模型
图13 安装毂帽鳍前后螺旋桨效率的比较
伊朗Amirkabir科技大学的Hassan Ghassemi[17]以及他的学生采用面元法对螺旋桨以及安装毂帽鳍后的螺旋桨的水动力性能进行分析，面元法所建模型如图14所示。

文章中讨论了毂径比，安装角，轴向安装位置等参数对螺旋桨水动力性能的影响。

图14 带有尾涡的PBCF模型
4 未来的研究趋势
4.1实验方面
（1）PBCF的水动力性能预报大多数是采用螺旋桨敞水实验，但实船实验中PBCF所提高的水动力性能要比敞水实验的要高。

因此未来进行实验测量时应多采取船模自航实验，使PBCF所处伴流场要更接近实际情况。

（2）导管和毂帽鳍的节能附体组合已经通过实验得到证明，而且毂帽鳍的安装也十分简便，因此应把毂帽鳍和多种节能附体进行组合并加以验证，这对于提高船舶推进效率有十分重要的意义。

（3）螺旋桨尾部精细流场的观察是研究推进器水动力性能的有效手段，然而国内水下图像粒子测速技术（PIV）还不成熟，这方面的实验研究应该重点进行。

4.2理论计算方面
（1）与实验研究一样，CFD所计算的PBCF水动力性能都是敞水条件下的，结果无法显示出实际情况的节能效果，以后应尽量将PBCF模型置于船尾进行计算。

（2）鳍板与螺旋桨的半径比，安装角度，相对螺旋桨的位置，倾斜角，截面形状以及数量等参数都进行了计算，在螺旋桨毂帽鳍几何参数优选方面仍然需要很多的工作。

5 总结
在螺旋桨水动力性能的研究中，国内理论预报方面已经十分成熟，而实验方面相比于国外还有一些差距，为确保我国船舶领域在国际竞争中占据有利地位，必须采取有效措施来应对这场挑战，国内应在船舶节能附体技术应用等方面做出更多的工作。

参考文献
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（责任编辑刘蕾）。