特殊導管螺旋槳槳葉強度校核方法

郭 婷，羅 薇，廣超越

(武漢理工大學 交通學院，武漢430063)

近年，國外出現(xiàn)了一種新型動力電機和泵噴射推進器結構一體化的水下推進裝置——集成電機推進器(integrated motor propulsor IMP)，也稱電機/螺旋槳一體化推進器(IMP)［1］。IMP推進方式中，電機的定子(電樞)安裝在導管中，轉(zhuǎn)子(永磁磁極)安裝在帶環(huán)螺旋槳的外環(huán)上［2］，這種方式本質(zhì)上是以徑向聯(lián)結取代軸向聯(lián)結，使得螺旋槳和電機成為不可分離的集成整體［3-4］。IMP推進方式已逐漸得到廣泛的推廣，但國內(nèi)現(xiàn)階段還沒有關于這類特殊導管槳強度校核的規(guī)范供設計所用。為此，對這類特殊結構的導管槳強度校核方法進行研究。

1 特殊導管螺旋槳的基本幾何參數(shù)

1)導管幾何參數(shù)。導管長徑比L/D為0.655 2;平行中體與導管長度比Lpp/L為0.465 3;收縮系數(shù)α為1.424 9;擴張系數(shù)β為1.269。

2)螺旋槳幾何參數(shù)。螺旋槳采用的是ka寬葉系列槳，其螺旋槳要素為:葉數(shù)Z=4，盤面比Ae/Ao=0.7。

3)環(huán)幾何參數(shù)。環(huán)寬為105 mm，環(huán)內(nèi)徑與螺旋槳直徑相同。

4)支撐筋幾何參數(shù)。導管前緣及后緣安裝了支撐筋，前緣4根，后緣6根。前后支撐筋剖面選用的都是NACA0012的翼型。槳后支撐筋展弦比λ=3.91，弦長b=94.3 mm，最大厚度t=11.32 mm;槳前支撐筋展弦比λ=6，弦長b=61.5 mm，最大厚度t=7.38 mm。

特殊導管螺旋槳導管剖面見圖1。

圖1 特殊導管螺旋槳導管剖面示意

2 特殊導管螺旋槳厚度徑向分布及螺距徑向分布

2.1 切面厚度修正

特殊導管螺旋槳的槳葉按ka型設計，具有標準的槳葉厚度分布。但其標準的厚度分布不一定滿足螺旋槳的強度要求，需要增加槳葉各剖面的厚度以滿足螺旋槳強度要求。或者螺旋槳標準厚度分布使螺旋槳槳葉強度過于富裕，則需要適量減小槳葉剖面的厚度，在保證強度前提下，減輕螺旋槳槳葉的重量。

某半徑r切面厚度，在滿足螺旋槳強度要求條件下將葉面厚度減至最小。設tmin為滿足強度要求的最小厚度，對應最小厚度切面應力為σ，令剖面4個典型點A，B，C，D(見圖2)應力滿足下式［5］。

圖2 切面分區(qū)情況

式中:［σ］——螺旋槳材料的許用應力。

求解后得到滿足各點應力要求的最小厚度(tmin)A、(tmin)B、(tmin)C、(tmin)D。

2.2 切面螺距修正原理

螺旋槳任意剖面有標準的葉厚和設計螺距。當由于強度要求改變?nèi)~厚時，為了保證水動力性能不變，必須相應修正該剖面的螺距。

修正計算通常是根據(jù)各切面的螺距角θ與無升力角α0之和等于常數(shù)這一原則進行，即

切面的無升力角α0可按下式計算。

式中:K——系數(shù)，與各剖面的切面形式有關。

修正后的螺距為

2.3 螺旋槳厚度徑向分布及螺距徑向分布的計算

用Fluent軟件對特殊導管螺旋槳進行數(shù)值模擬計算。計算處理得到螺旋槳葉面沿徑向分布的軸向推力T(r)=f(r)和周向力F(r)=g(r)，基于強度計算的分析方法，對螺旋槳各個剖面進行等強度厚度修正。

設t0(r)為原始模型等強度修正后的厚度分布，在此基礎上為保證厚度分布的光順性，用多項式來擬合螺旋槳的徑向厚度分布t1(r)。由于需要滿足所有半徑處剖面的強度要求，即多項式擬合厚度需滿足t1(r)≥t0(r)。根據(jù)t0(r)的變化規(guī)律，采用多項式擬合，需要多個剖面的厚度值。以排列組合方式計算任取其它剖面厚度，擬合成多項式。在這多種組合中，排除不滿足t1(r)≥t0(r)的組合，余下的組合中，選取最優(yōu)的組合作為最終結果。

由于厚度的變化，如要保證水動力性能與原螺旋槳相同，還需對螺距進行修正。基于螺距修正的分析方法，對螺旋槳各個剖面進行螺距修正，P/D0(r)為修正后的螺距。修正后的螺距也需要對其光順處理，與厚度光順不同的是，厚度光順需要滿足各剖面的強度要求，螺距修正則需要滿足水動力性能的不變，因此螺距光順不能夠?qū)π拚蟮穆菥嘧鎏笞儎印２捎米钚《朔▽π拚蟮穆菥喾植歼M行光順，擬合得到新的螺距徑向分布P/D1(r)。

最后用擬合后的厚度分布t1(r)與螺距徑向分布P/D1(r)建立新的特殊導管螺旋槳模型。

計算流程見圖3。

圖3 厚度修正和螺距修正計算流程

2.4 計算結果

以特殊導管槳P/D=0.985模型為例，取電機功率Pb=75 kW，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n=550 r/min，編程計算滿足強度要求的厚度沿徑向分布和螺距比沿徑向分布。修正對比見圖4、5。

圖4 修正前后厚度徑向分布對比

圖5 修正前后螺距比徑向分布對比

由圖4和圖5可見，0.2 r/R剖面厚度修正為最大，其螺距變化也最大。修正后厚度的不光順用多項式擬合方法得到光順，基本上即保證的厚度的修正又保證的厚度分布沿徑向分布的光順性。螺距對應于厚度修正也做了相應的修正，保證了各剖面水動力性能的不變。

3 結果分析

按照上述方法，滿足強度要求下，修正系列特殊導管螺旋槳厚度徑向分布，螺距徑向分布修正得到系列新特殊導管螺旋槳，建立新的特殊導管螺旋槳，用Fluent軟件分別計算J=0.100，0.200，0.300，0.375，4個進速系數(shù)水動力性能［6］。選取電機功率Pb=75 kW，轉(zhuǎn)速n=550 r/min。螺旋槳的水動力性能如推力、轉(zhuǎn)矩、效率用無因次表達，即螺旋槳推力系數(shù)kt和旋轉(zhuǎn)阻力矩系數(shù)kq分別為

式中:T——螺旋槳推力;

Q——螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩。

各螺距比修正前后水動力性征曲線對比見圖6～9。圖中kt0與kq0分別為原型螺旋槳推力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)阻力矩系數(shù)，kt1與kq1分別為修正模型螺旋槳推力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)阻力矩系數(shù)［7-8］。

4 結論

圖6 P/D=0.8特殊導管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

圖7 P/D=0.9特殊導管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

圖8 P/D=0.985特殊導管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

圖9 P/D=1.1特殊導管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

原特殊導管螺旋槳模型與修正模型水動力結果比較，推力和轉(zhuǎn)矩誤差最大為2.5%，都在工程應用范圍以內(nèi)。修正厚度后既可以保證強度分布的合理性，又滿足了水動力性能的不變性。此螺旋槳厚度修正和螺距修正方法是合理且可行的。

［1］李錫群，王志華.電機/推進器一體化裝置(IMP)介紹［J］.船電技術，2003(2):5-6.

［2］安 斌，石秀華，宋紹忠.新型水下集成電機推進器的特種電機研究［J］.微特電機，2005(1):8-10.

［3］劉文峰，胡欲立.新型水下集成電機推進裝置的泵噴射推進器結構原理及特點分析［J］.魚雷技術，2007，15(6):5-8.

［4］羅曉園，李 新，鄭銳聰，等.基于CFD分析的調(diào)距槳水動力性能研究［J］.船海工程，2012(4):81-84.

［5］盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.下冊.上海:上海交通大學出版社，2004.

［6］王福軍.計算流體力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］葉 姍.電力推進導管槳水動力性能研究［D］.武漢:武漢理工大學交通學院，2009.

［8］劉 飛.導管螺旋槳定常水動力性能預報［D］.武漢:武漢理工大學交通學院，2007.