某工程船艉部振动问题诊断及改进

某工程船试航时在恒转速低工况下艉部舵机舱存在异常局部振动现象,且振动频谱峰值并不对应机电设备主激励频率。为了诊断艉部振动的原因,在恒转速低工况下对艉部结构振动速度及螺旋桨脉动压力进行测量和分析。初步判断振动与螺旋桨桨叶相关,引起艉部较强振动的原因是恒转速小螺距工况下螺旋桨面空泡破裂,进而激发螺旋桨前2阶模态引起桨叶共振,然后通过桨轴传递给船体。改进建议是优化叶形以减小面空泡。该案例对船舶设计具有以下指导意义：螺旋桨设计时要考虑强度和刚度,尽量避免叶梢比刚度过低;对于调距桨,在螺旋桨0.7R～1.0R(R为螺旋桨半径)范围内螺距卸载要缓和,避免大幅度螺距卸载。     

斜流中船舶水动力及伴流场数值预报分析

船舶的斜航状态会造成船尾伴流场不均匀,使螺旋桨桨叶承受周期性的变化力,降低螺旋桨性能并导致空泡现象恶化和船舶振动.为预报斜航状态下船舶水动力及船尾伴流场,采用混合网格技术,利用RANS方法和VOF模型,考虑自由液面的影响对KCS船开展了直航和斜航状态下数值预报分析.首先对船舶直航状态进行数值分析,得到的结果与试验结果比较接近,进而对船体在斜航状态下进行了数值模拟.结果表明,漂角的存在会对船舶阻力产生较大影响,且对球首底部和船尾舭部压力分布影响较大,导致兴波阻力增大,船尾伴流场均匀性变差,对螺旋桨激振力不利.     

不均匀流场中串列螺旋桨的空泡、激振力分析

本文基于普通螺旋桨的准定常理论和有关空泡、激振力的理论,发展了不均匀流场中串列螺旋桨空泡、激振力的一个计算方法。主要内容包括:Sasajima加权平均对周向不均匀流场的处理;计及前桨尾流收缩影响的串列螺旋桨正问题计算;轴承力和表面力的谐调分析;前、后桨一对叶片推力偏心的计算和推力、扭矩脉动的谐调分析计算;前、后桨叶剖面空泡长度和面积计算;前、后桨对空间一场点脉动压力的计算。本文还计算了同一伴流场中负荷相同,但叶错角和前、后桨螺距匹配情况不同的串列螺旋桨空泡长度。结果表明:不同的叶错角和不同的螺距匹配对串列旋桨的空泡长度有明显的影响。本方法对不均匀流场中串列螺旋桨的设计以减少激振力有一定的实际意义。     

螺旋桨诱导船体表面脉动压力预报的试验研究

研究了螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报值随空气含量变化的规律及螺旋桨模型空泡形态随含气量变化的规律,并与实桨空泡对比分析;探索了脉动压力试验预报与实桨测量值最接近的空气含量控制准则;比较了螺旋桨模型在船模伴流场和修正后的伴流场中工作时,螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报值及螺旋桨模型空泡形态,与实船测量观察结果进行对比,并就伴流场修正对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报的影响作了探讨;研究了螺旋桨诱导的船体表面脉动压力的预报值随桨模试验转速变化的规律。     

船模伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响

介绍Hoekstra船模伴流修正方法、伴流模拟方法及螺旋桨激振力测量的试验过程。以第16届ITTC推荐的Sydney Express桨为研究对象，在上海船舶运输科学研究所空泡实验室用网格方法模拟船舶艉部流场，通过布置在桨模上方相应位置平板上的5个传感器进行了脉动压力测量。比较螺旋桨在船模伴流场和使用Hoekstra法换算得到的实船伴流场中工作时激振力的预报值及桨模空泡形态，并与实桨对比，就伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响作了探讨。     

DOE方法在螺旋桨几何参数优选中的应用

螺旋桨的几何外形是通过螺距、纵倾、侧斜、拱度、弦长、桨叶剖面等几何参数来表达的,这些几何参数影响着整个螺旋桨的水动力、噪声、空泡、振动等性能。定量地给出不同半径处各个几何参数对螺旋桨性能的影响,对螺旋桨的设计有重要的指导意义。论文采用试验设计(Design of Experiment,DOE)的拉丁超立方设计方法,结合螺旋桨定常水动力性能的面元理论预报程序,分别定量地研究了不同半径处的螺距以及盘面比与0.4、0.7、1.0半径处的纵倾、螺距、侧斜对敞水螺旋桨推力系数和敞水效率的影响;同时,结合螺旋桨非定常水动力性能的面元理论预报程序及傅里叶分析方法,定量研究了不同半径处侧斜以及0.5、0.8、1.0半径处的螺距、纵倾、侧斜对螺旋桨主桨叶在给定伴流场中非定常推力的影响。研究结果表明:DOE方法能够准确分析不同径向处的几何参数对定常和非定常螺旋桨性能的影响程度。     

螺旋桨梢部卸载和叶片侧斜对降低脉动压力的作用

在中国船舶科学研究中心的空泡水筒中进行了螺旋桨空泡诱导的船体脉动压力试验。 为15000吨单桨货船设计了梢部卸载和叶片侧斜的螺旋桨。几种方案的模型试验表明,梢部卸载能使螺旋桨有较好的空泡性能,脉动压力大幅度下降。增加叶片侧斜能使空泡性能进一步改善,脉动压力进一步下降。 本文讨论了叶片上不定常空泡和伴流场模拟对脉动压力的作用。空泡体积变化和空泡破灭是产生脉动压力高频分量的原因。     

涡流发生器在民船减振上的应用研究

介绍了船用涡流发生器在改变船艉部流场、降低某多用途船船体振动方面的成功应用.在大型循环水槽中进行了涡流发生器的优化试验研究,并进行了相关的理论分析.模型试验结果表明,合适的涡流发生器能降低螺旋桨空泡诱导脉动压力的一阶叶频分量20% ～ 30%,二阶叶频分量超过50%.实船试航结果表明,在船体艉部安装优选的涡流发生器能够降低船体振动20% ～60%.     

基于粒子群算法的螺旋桨侧斜分布优化

为了降低螺旋桨激振力,减小螺旋桨对船体的诱导振动,采用粒子群优化算法,结合螺旋桨非定常面元法预报程序,对螺旋桨的侧斜分布进行优化设计。给出侧斜分布的数学表达形式以及粒子群优化算法的数学模型,并以Seiun-Maru HSP螺旋桨为母型桨进行优化设计,得到3种优化方案。其中,最优方案在不损失螺旋桨推力和扭矩的情况下,轴向一倍叶频、二倍叶频推力系数和扭矩系数明显降低,达到了优化目的,即通过改变螺旋桨侧斜分布形式,能够有效改善非均匀流场中螺旋桨的性能,验证了粒子群优化算法用于螺旋桨侧斜分布优化的可行性,可以实现工程化应用。     

双导管螺旋桨船的艉部振动与治理

本文基于某双导管螺旋桨船船体的线型特点，详尽分析了该船在试航中产生振动的原因；并通过模型试验进一步证实该船振动的成因主要是由于螺旋桨在不均匀流场中运转时产生的激振力所致。在实船已经建成，船体线型无法修改的情况下，在艉部设计并加装整流鳍，改善了该船桨盘面伴流分布的不均匀性，从而降低由螺旋桨脉动压力所引起的剧烈振动，使该船最终得以顺利交船。     

基于振动测量的船舶首侧推振动特征及原因分析

为分析某船首侧推振动强烈原因,采用正负螺距交替增加方案,在锚泊状态下测量首侧推的振动数据。振动速度随着螺距角的增加而变大,当螺距小于70%时,振动速度在桨叶叶频处幅值最大,随着螺距继续增加,振动速度幅值转移至低于叶频区域。首侧推桨叶进流均匀度与桨叶空泡是引起振动的主要原因。因首侧推导臂增加了桨叶负螺距时进流的不均匀度,造成负螺距时振动强度大于正螺距;数值模拟结果显示,70%螺距时,桨叶叶梢区域存在明显空泡,随着螺距的增加,空泡逐渐向叶背区域扩展。根据振动测试分析结果,新设计船舶应优化设计进流条件,增加进流的均匀度。适当选取额定推力较大的侧推型号,以减小电机最大功率的桨叶螺距,降低空泡激励的振动。     

大侧斜对转螺旋桨在鱼雷上的应用研究

文章从鱼雷螺旋桨设计过程中的噪声性能分析和强度分析两个方面研究了大侧斜对转螺旋桨应用于鱼雷的设计方法,并通过一个具体的鱼雷大侧斜螺旋桨设计实例和试验验证来说明此设计方法在鱼雷大侧斜螺旋桨设计中的应用前景及设计过程中的改进措施.研究结果表明,采用大侧斜桨叶可以得到良好的推进性能和更好的空泡噪声性能,而且振动小.同时也指出了大侧斜螺旋桨所存在的不足.文章对鱼雷用螺旋桨的设计和实际应用具有参考价值.     

基于Boltzmann方法的手动可调螺距桨敞水特性

针对船舶长期服役后出现的船、机、桨不匹配问题,采用Boltzmann方法建立手动可调螺距螺旋桨的数学模型,对手动可调螺距螺旋桨进行敞水特性计算,结果表明:手动可调螺距螺旋桨随着螺距角的增大,其推力、转矩逐渐增大,当进速较小时,桨叶螺距角小的效率高,进速较大时桨叶螺距角大的效率高,并且桨叶螺距角有一定的工作范围,另外随着桨叶螺距的增大,桨叶吸力面低压区逐渐减小,桨叶压力面高压区逐渐增大,叶根及桨毂附近的低压区逐渐减少,手动可调桨发生空化的可能性将降低。     

船艉整流鳍在实船上的应用与研究

本文对某灵便型散货船的后体船形及其伴流分布作了分析研究，证实了该船在实船航行时因伴流峰值过大，分布欠佳且尾流场异常而引起螺旋桨转速不稳定及产生艉部剧烈振动。为了降低伴流峰值，改善其分布及艉部流场，在船体线型无法改动的情况下，设计加装了艉整流鳍，取得了十分明显的效果。再次证明了采用艉整流鳍是一个简便、可靠的改善艉流场及艉部激振的措施。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

不均匀流中螺旋浆侧斜对空泡性能的影响

为了阐明在不均匀流中船用螺旋浆侧斜对不定常空泡性能的影响，选用了六只等螺距不同侧斜角分布的螺旋浆。用这些螺旋浆，通过试验研究了侧斜角和侧斜分布对螺旋浆空泡性能的影响。并在两种不同的伴流下进行了空泡观测、螺旋浆上方船体上的脉动压力测量、空泡厚度测量、油膜法试验和噪声测量。一种伴流分布是第十七届ITTC作为剥蚀比较试验的汽车运输船的模型伴流分布，另一种是用世岛(Sasajima)和田中（Tanaka）的方法修正的实船伴流分布。实验结果表明，随着侧斜角的增大，船体的脉动压力振幅减小，随着侧斜角的增大空泡体积按比例增大。侧斜增大的影响似乎使在非定常空泡溃灭时产生云状空泡的冲击压力范围减小并且减弱。这一点可从油膜法试验和空泡噪声测量结果中得到证实。随着侧斜角增大，在浆叶吸力面上的涂料脱落的面积和声压级减小。     

两艘多用途船的螺旋桨设计研究

以2艘多用途船螺旋桨设计为例，运用螺旋桨理论设计与模型试验为手段，探索了特定条件下加大桨叶后倾角（增加桨叶梢与船底板间隙）、改变螺旋桨叶面积以及增加桨叶侧斜角对诱导脉动压力和效率的影响。结果表明：采用减小空泡裕度增加盘面比的措施，对降低脉动压力的效果最为显著；增大侧斜角措施的效果居中；通过改变后倾角增大叶梢与船底板间隙的措施，降低脉动压力效果相对要小一些。     

某伴流补偿导管对螺旋桨空泡及 空泡剥蚀性能影响研究

文章介绍了中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展的某散货船有、无伴流补偿导管下螺旋桨空泡、空泡剥蚀性能对比试验研究,并深入分析某伴流补偿导管对空泡形态、空泡剥蚀性能影响及导管设计过程中需注意的问题。试验结果表明:前置伴流补偿导管会增加螺旋桨表面空泡面积及空泡诱导的船体脉动压力一阶叶频分量,且不合适的伴流补偿导管安装方式会增加桨叶空泡剥蚀风险。     

初步估算螺旋桨所引起的诱导脉动压力和振动的简单方法

在瑞典国家水池(简称SSPA)多年来一直广泛地运用简化的估算螺旋桨激振力和船体总振动的方法。这两种方法近年来得到了进一步地发展。其基础是建立在大量空泡筒和全尺度试验结果上的。为了估算脉动压力的幅值,SSPA采用了一种简单的图谱用以考虑螺旋桨桨叶叶梢间隙,伴流分布以及空泡数的影响。最近又提出了一种用以决定桨叶盘面比,径向负荷分布以及螺旋桨桨叶侧斜影响的简易图谱。估算自由液面的存在对脉动压力的影响也是近年来SSPA的一项发展成果。本文将对上述完整方法扼要地作一介绍,并提供与模型和全尺度试验的比较结果。在许多年以前,为了估算一定量级的脉动压力幅值而产生的总振动量,SSPA发展了一种新的估算方法,这种方法当时仅局限于大吃水的单桨船舶。本文将对此方法以及最近的一些修改和补充作一简单的叙述。补充后的上述方法不仅适合于单桨船还适用于双桨以及双导流尾鳍的船舶,还考虑到船舶吃水,长度的影响。     

基于粘势耦合方法的空泡水筒阻塞效应数值模拟与分析

阻塞效应修正是提高空泡水筒水动力测量结果精度的重要措施。本文以上海交通大学新空泡水筒为研究对象,采用粘势耦合方法预报某7叶螺旋桨盘面处的实效伴流场,以此修正螺旋桨进速实现空泡水筒的阻塞效应修正。首先采用面元法对螺旋桨进行敞水预报,建立体积力模型将其力场插值到RANS网格中进行计算,得到桨盘面的实效伴流场。然后根据实效伴流分数归纳进速修正公式对螺旋桨推力和扭矩曲线进行修正,从而实现了空泡水筒到敞水结果的阻塞效应修正。结果表明,空泡水筒中计算的推力和扭矩曲线修正后与敞水中的计算吻合良好。