導管空氣螺旋性能計算與繪圖的一體化實現*

張宗科

(七○八研究所 上海 200011)

導管空氣螺旋性能計算與繪圖的一體化實現*

張宗科

(七○八研究所 上海 200011)

導管空氣螺旋槳;LISP;CATIA;二次開發

在Excel中編程實現了導管空氣螺旋槳的性能計算,使得計算過程更加直觀可視,并將計算結果較快轉化形成導管槳性能計算書中的表格形式。在AutoCAD中編制了LISP程序,利用Excel中生成的剖面型值,較為方便的繪制槳葉圖,并自動加密剖面輪廓線控制點以形成CATIA中建模所需數據文件。在CATIA中通過二次開發,實現了槳葉三維模型的自動繪制,該模型不僅可用于整艇的三維建模,亦可用作CFD計算的輸入模型。對設計過的氣墊船導管空氣螺旋槳進行匯總,形成了設計數據庫。

0 引 言

全墊升氣墊船在墊態航行時,艇基本懸浮在運行表面上。因此,其推進方式一般采用空氣螺旋槳,為減小槳的直徑及降低運轉噪音,大多使用導管來提高推力。為在不同的航速下,均能獲得較高推進效率以及提高操縱性,又采用可變距方式。七○八研究所從事氣墊船研究已有40多年,共設計了30多型氣墊船,建造百余條,使用的導管空氣螺旋槳翼型主要為NACA-16 Series[1]與西北工業大學開發的NPU翼型[2]。

1 推力性能計算

在性能計算中,基于葉素理論與升力線理論,沿槳半徑方向進行典型剖面升力/阻力分量的積分來獲得導管槳的計算推力與所吸收的功率。參照美國空氣螺旋槳設計手冊,NACA-16 Series槳的性能計算過程見圖1。

可以發現,圖1中計算表格為一迭代計算過程,其中有些參數需查圖表曲線獲取,本文對這些圖表曲線進行了數字化處理以方便使用(參見圖3),并編制了MATLAB程序進行迭代計算。

圖1 NACA-16 Series槳性能計算表

圖2 螺旋槳性能計算書中的表格

圖3 NACA-16 Series翼型槳性能計算參數曲線

螺旋槳初始推力可參照英協法的經驗公式加以估算,根據導管的翼型以及槳在導管中的安裝位置,換算出槳的推力作為初始迭代值;根據經驗公式或母型船相關數據,給定設計所需要的初始參數,包括沿徑向不同位置處的典型剖面的t′(無因次厚度t/b)、φi(槳葉初始安裝角)與CLi(翼型升力系數)。

為使計算更加直觀,編制VBA程序實現了Excel表格計算,僅需調節槳葉假定初始推力Tp0與槳葉安裝角調節量Δφ,其余計算可一鍵自動完成。對計算中的一些中間值可即時進行查看,判斷合理與否,從而部分實現了計算過程的可視化。并可方便將計算表格輸出到導管槳計算書的Word文件內(見圖2)。

2 槳葉圖的繪制

在Excel中編程實現槳葉剖面翼型參數的自動計算,并形成剖面翼型數據文件。用AutoCAD中編制的LISP程序自動繪制出各剖面的形狀,進而繪制出槳葉圖。其中表格翼型參數表中的數值通過LISP程序用數據文件中的數值自動加以替代。

繪制NACA-16 Series翼型槳葉剖面輪廓時,先繪制導邊圓與隨邊圓,再由型值點的首端點向導邊圓作兩條切線,依據此切線對導邊圓作剪切,導邊圓剩余部分圓弧與型值點連接成polyline曲線。對隨邊圓作同樣處理,可得到整條輪廓曲線。將其繞剖面形心旋轉φi角度,繪制輪廓曲線的包絡框(BoundingBox),可得到其在旋轉槳平面內相應的投影邊界控制點(參見圖4a),不同剖面處的投影邊界控制點連接而成槳葉投影圖(參見圖4b)。而且,從槳葉圖中投影輪廓線的光順程度可反映原先初步設定的槳葉初始安裝角φi值是否合適。

圖4

3 CATIA中槳葉三維立體圖的繪制

CATIA是法國達索系統公司(Dassault Systemes)的CAD/CAE/CAM一體化軟件,在世界CAD/CAE/CAM領域中處于領先地位。CATIA內嵌了VBA等二次開發工具,便于用戶按照實際工作需要進行二次開發[3]。需要對NACA-16 Series翼型槳葉每個剖面的輪廓曲線的控制點進行加密,這樣在CATIA中用Spline來表示翼型剖面時才不會變形走樣[4,5]。用Vsiual LISP中的vlax-curve-get-ParamAtPoint與vlax-curve-getPointAtParam函數編程來對輪廓線加密控制點,并將控制點的坐標輸出到數據文件內。

由于接近旋轉軸,槳葉翼面與槳根之間過渡一般不考慮氣動性能,而是要求光順過渡并兼顧強度方面的要求。可采用圖5中所示的方式來繪制過渡曲面。即先確定槳葉翼面與槳根端面圓過渡面導引線,再由CATIA中的多截面放樣(Loft)形成過渡曲面。

圖5 NACA-16 Series翼型槳葉與槳根過渡面

CATIA中繪制的典型三維槳葉見圖6,包括直徑1.3m、1.8 m、2.0 m、2.8 m、3.2 m的NACA-16 Series翼型槳與直徑1.5 m、2.0 m的NPU翼型槳。

圖6 CATIA中繪制的NACA-16Series翼型與NPU翼型槳葉模型

圖7為1.81m NACA-16 Series翼型導管槳組合模型。有了導管槳的三維模型,即可方便轉化為CFD計算所需的輸入模型,減少CFD計算準備的工作量。美國CDIM-SDD公司(原Band,Lavis＆Associations)為芬蘭海軍設計的T-2000Combat ACV時,利用CFD軟件對包含槳前船體在內的導管槳進行了優化設計,得出其最佳槳葉數為6葉、槳后整流支架葉片數為7片[6,7],相應計算模型見圖8。

圖7 CATIA中繪制的導管槳模型

圖8 帶槳前船體的導管槳CFD計算模型[7]

4 形成導管槳設計數據庫

在船舶設計中,已有船的數據是寶貴的參考資料。對目前有資料可查的20多例氣墊船用空氣螺旋槳進行了匯總,形成導管槳設計數據庫。這樣可以方便借鑒以前設計的成功經驗,從而減少設計工作量。導管槳設計數據庫包含以下幾個方面的內容:船名、翼型、槳直徑(m)、槳葉數、轉速(rpm)、功率(kW)、剖面參數、型值表、槳葉圖、性能計算書、三維模型圖、導管線型圖。以上形成一張Excel表格,見圖9。對于不能直接在Excel中加以表述的部分,則通過HyperLink方式加以鏈接融合。

圖9 導管槳設計數據庫

5 結 語

本文對七○八研究所設計過的氣墊船用空氣螺旋槳進行了匯總,形成設計數據庫。將NACA-16 Series翼型空氣螺旋槳計算所需的曲線圖表作了數字化處理,實現了Excel中性能計算的自動化,并可方便轉化為計算書中的Word表格形式。AutoCAD中編制的LISP程序可自動繪制沿槳葉徑向不同位置處的剖面輪廓,進而形成整個槳葉圖。在CATIA中開發的VBA程序可自動繪制各剖面的形狀,經多截面放樣繪出槳葉三維模型,可以方便地轉化為導管槳CFD計算的輸入模型。利用CFD軟件對包含氣墊船船體在內的導管槳性能進行優化設計,導管內壁與槳尖之間的最優間隙以及導管內壁動載荷的計算確定,將是下一步工作的重點。

[1] ANC-9Bulletin Aircraft Propeller Handbook[M].1955.

[2] 喬志德等.函道螺旋槳翼型與函道螺旋槳設計報告[R].西北工業大學.1992.

[3] 胡挺,吳立軍.CATIA二次開發技術基礎[M].電子工業出版社.2006.

[4] 胡添元,余雄慶.基于CATIA二次開發的飛翼外形參數化建模[J].飛機設計.2007,Vol.27No.6:10～13.

[5] 尤春風等.CATIA V5曲面造型[M].清華大學出版社.2002.

[6] J.A.Allison,B.G.Forstell,D.R.Lavis,et al.The Influence of New Technology on the Design and Manufacture of High Speed Craft with Special Reference to Recent Monohulls,Multihulls,Air Cushion Vehicles and Surface Effect Ships[C].High Speed Craft:Design＆Operation,RINA,2004:1～19.

[7] D.R.Lavis and B.G.Forstell Air Cushion Vehicle(ACV)Developments In the U.S.FAST2005[C],Russia,2005.

Integration of performance calculation and drawing for air-ducted propeller

Zhang Zongke

air-ducted propeller;LISP;CATIA;secondary development

This paper implements the performance calculation for air-ducted propeller by Excel program,which makes the calculation process more directly visible,and makes the results more quickly to the sheet in performance calculation report.Then,it makes LISP program in Auto CAD to conveniently work out the blade drawing based on section offsets from Excel,and automatically encrypt the control points of section outline to get the data for CATIA modeling.It also implements the automatically drawing of blade 3-D model through CATIA secondary development.This model can not only applied for overall 3-D modeling for the ship,but also for input model in CFD calculation.At last,the designed air-ducted propellers have been summarized as a design database.

U 662.9

A

1001-9855(2010)02-0049-05

2009-12-21

張宗科(1973.11-),男,漢族,山東人,工程師,主要從事船舶設計與軟件開發工作。