風力助推轉子和氣層結構對船體穩性的影響

王 偉,劉希洋,闞甜甜,郭峰山,2

(1.中國船舶科學研究中心 上海分部,上海 200011;2.中船重工(上海)節能技術發展有限公司,上海 200011)

0 引言

國際海事組織(IMO)從技術角度針對未來新造船在船舶設計和建造上提出了EEDI-III階段和海運溫室效應氣體(Greenhouse Gas,GHG) 減排能效指標要求。為適應這一目標,利用風力助推船舶航行和船體氣層減阻力技術,逐漸成為目前較為實際理想的船舶節能減排措施。

風力助推轉子利用馬格納斯(Magnus)效應,在橫風或斜風狀態下,調整轉子的旋轉方向可使船舶產生前進方向上的推力[1],從而達到助推效果。相比風箏、風帆等風力助推裝置,風力助推轉子對風速和風向的適應性強,體積和受風面積相對較小,安全性更強,也有利于船舶布置。但是風力助推轉子沿著船長方向產生推力的同時,根據風向的變化,也會在船寬方向產生相應的橫向側傾力,這增加了船舶的橫向力矩,帶來不利的影響,尤其是對于噸位較小的船舶影響較大。因此,如何在轉子的布置和尺寸設計中保障船舶穩性滿足設計法規的要求,保障船舶在規定海況下安全航行,需要重點分析。

船舶氣層減阻技術是一項新型節能技術,以實船節能效果及EEDI指標降低均達10%以上而成為節能減排技術的重要技術手段。氣層減阻技術通過專門設計的裝置,向船底噴入適量氣體,在船舶底部形成并保持一薄氣層,使船底與水有效分離,減小船底濕表面積,從而顯著降低船舶阻力。這需要在船體底部構建大型氣穴(氣層結構),通過一定量的空氣形成穩定的氣層,從而將部分船底表面與水隔開,達到減阻效果。氣穴可分為外掛式和內凹式[2]。一般來說,內凹式氣穴適用于新建船舶,而外掛式氣穴適用于舊船改造。外掛式氣穴一般只增加吃水,不影響靜水力特性。內凹式由于改變了船體排水量和靜水力特性,對船舶穩性有一定影響。

本文對55 m中尺度試驗船開展轉子和氣層影響船體穩性的分析,研究轉子在不同風向角下對穩性的影響,以及內凹式氣穴對穩性的影響。

1 船舶概況

本文研究的中尺度試驗船結構為鋼質全焊接結構,推進方式采用單機單槳電力推進,電機功率為450 kW。本船的主尺度如下:總長～55.50 m,兩柱間長54.43 m,型寬10.00 m,型深5.08 m,結構吃水3.42 m,設計吃水2.60 m,試驗航速(結構吃水)6.0 kn,最大航速(設計吃水)10.0 kn,航區國內近海航區,船級符號★ CSA Research Ship; R1; SPS;★ CSM BRC; Electrical Propulsion System。

本船按《國內航行海船法定檢驗技術規則》(2020)(下文簡稱《法規》)和《國內航行海船建造規范》(2020)(下文簡稱《海規》)設計。

2 轉子對船體穩性的影響

2.1 轉子的布置設計

設計初期為了驗證轉子和氣層的減阻效果,對于本船的上層建筑和轉子安裝位置也進行了多輪的設計和優化,最終選定上層建筑靠船體甲板中前部分。轉子安裝在甲板尾部,這樣不會影響船舶的駕駛視線,而且艉部甲板面積較為寬敞,有利于試驗裝備的加裝和使用。同時由于上層建筑可以阻擋一部分艏向風速,這可以減少風速沿著艏向方向時產生側向力的不利工況。轉子布置于甲板以下的橫艙壁上,有利于結構底座的加強,見圖1。

圖1 轉子布置示意圖

2.2 風力助推轉子的力學原理

轉子工作時運用馬格納斯效應,旋轉的圓柱體受來流作用,將會受到垂直于來流方向的側向力作用[1]。馬格納斯效應中旋轉圓柱的受力見圖2。風力轉子受力示意圖見圖3。

圖2 氣流中旋轉圓柱受力示意圖

V1—帆船航行時人在船上感受到的風稱為感覺風(相對風速);V2—船速;θ—V1與V2間的夾角(航向角);R—V1方向上的阻力;L—與R垂直的升力;F—空氣動力;T—航向方向上的分力即推力;N—與垂直航向的分力即橫側力。圖3 風力轉子受力示意圖

轉子合力F是轉子升力L與阻力R的合力,而總側向力采用線性疊加方式Fy=FN。根據機翼理論可以得到,轉筒的升力系數CL與阻力系數CD為

(1)

(2)

式中:ρa為空氣密度;V為來流速度;A為迎風投影面積。

采用CFD方法計算不同轉速比α下風力助推轉子的升力系數CL與阻力系數CD,具體計算結果見圖4。

圖4 轉子CL與CD計算結果

2.3 轉子力矩和船體穩性計算分析

本試驗船需要根據《法規》計算該船的穩性。本文評估設計吃水2.6 m壓載出港工況下轉子對穩性的影響。初始裝載工況參數如下:吃水2.6 m,排水量1 107 t,縱傾-0.26 m,重心高度3.34 m,橫穩性高1.32 m。

設計初期考慮了2種轉子參數的設計方案。初始方案為參考船長為300 m左右大型散貨船或油船適配的高度為24～30 m的風力助推轉子,并按照1∶6縮放到本船的對應安裝尺寸?？s放后的初始方案轉子高度只有4～5 m高,尺寸過小,驗證轉子助推效果不明顯,故將轉子尺寸進行了加大,但加大尺寸后的轉子產生的橫向力也會變大,對船體穩性帶來不利影響。轉子升力和阻力計算參數見表1。

表1 轉子升力和阻力計算參數

在分析轉子橫向力對船體穩性影響時,考慮轉子工作時極限風速為50 kn,以及風向角為3種角度方向,計算分析轉子關閉和開啟后對船體產生的橫傾角影響。不同風向角下轉子的升力示意圖見圖5。轉子力矩對船體穩性影響計算見表2。具體分析如下:

表2 轉子力矩對船體穩性影響計算

圖5 不同風向角下轉子的升力示意圖

(1)風速50 kn、艏向迎風10°工況見圖5(a)。此時轉子的升力L與阻力R的合力F沿著船寬方向,轉子無縱向推力,轉子產生的合力F(40 kN)全部轉化為船體的橫傾力N。同時,船體橫向風傾力主要來自于艏向迎風10°的橫向分力,此時風傾力矩[3]很小,轉子關閉狀態,船體受到橫向風傾力矩僅僅橫傾約0.2°,而轉子開啟后船體橫傾角增大到1.934°,見表2?？梢姶斯r下船體橫傾角主要來自于轉子的橫向力矩。

(2)風速50 kn、艏向迎風45°工況見圖5(b)。此時轉子的升力L與阻力R的合力F產生推力T為22.9 kN,橫向側傾力N為32.8 kN,見表2。轉子關閉狀態,船體受到橫向風傾力,船體橫傾角為2.1°。轉子開啟后,船體同時受到風傾力和轉子橫向力的影響,橫傾角達到了3.516°。

(3)風速50 kn、橫向迎風90°工況見圖5(c)。此時轉子的升力L全部轉化為推力T(39.4 kN),助推效果最好。轉子的橫向力N只有6.9 kN,但是船體橫向受風最大,風傾力矩較大。轉子關閉狀態船體由于風傾力矩的影響,橫傾角已經達到了4.117°,而開啟轉子后,加上轉子的橫向阻力,船體橫傾角也僅僅增加了0.298°。

根據以上計算分析可以看出,轉子工作的極限風速50 kn工況下:

(1)橫向來風對船體橫傾和穩性影響最大,但轉子橫向力影響較小,主要來自于船體風傾力矩。但根據規范對該工況的穩性校核結果可以看出,計算結果滿足規范要求,轉子開啟只對氣象衡準k值和船體橫傾角θ有影響,見表3。

表3 船體完整穩性校核結果

(2)轉子橫向力矩對船體橫傾影響最大的風向角是艏向10°左右,轉子產生的合力全部轉化為船體的橫傾力,可使船體產生約1.7°的橫傾角。

3 氣層結構對船體穩性的影響分析

本船屬于新建船舶,在船體底部的平底部分以內凹形式構造一階梯式氣層結構(氣穴)。氣層結構內階梯式布置4道噴氣孔,使氣層結構內形成一層氣膜,見圖6。構造的氣穴面積為249 m2,占底部平底面積的92.2%,船底板內凹深度為100 mm。

圖6 船底氣層結構布置圖

在船底設置內凹式氣穴,除了帶來布置變化和設備的增加,還會對靜水力帶來以下2個變化:

(1)排水量減小,吃水增大。

(2)橫穩性高的變化。

以上2個變化都會對船舶穩性產生影響。布置氣穴前后排水量和橫穩性高的變化見表4。

表4 船體完整穩性校核結果

以上變化可以看出,船體設計氣穴結構后,由于排水量減少(排水量減少約2.4%),致使吃水增加了0.055 m,但提高了橫穩性高和初穩性高。根據規范對該工況的穩性校核結果可以看出,計算結果均滿足規范要求,帶氣穴結構的船體穩性衡準計算值均比無氣穴船體有所提高。

4 結論

(1)橫向來風對船體橫傾和穩性影響最大,但轉子橫向力影響較小,船體橫傾力矩主要來自于船體的風傾力矩。轉子開啟只對穩性的氣象衡準值和船體橫傾角有影響。

(2)本船轉子橫向力矩對船體橫傾影響最大的風向角為艏向10°左右,轉子產生的合力全部轉化為船體的橫傾力。

(3)船體設計氣層減阻結構(氣穴)后排水量減少約2.4%,對應的吃水增加了0.055 m。但橫穩性高和初穩性高均增加了,提高了船體的穩性。經過穩性計算可以看出,船體設置氣層結構不會降低船體穩性性能,反而比無氣穴的船體有所提高。