船用螺旋槳水動力性能優化設計*

王 波 張以良 熊 鷹

(海軍工程大學艦船工程系1) 武漢 430033) (92196部隊2) 青島 266000)

船用螺旋槳水動力性能優化設計*

王 波1)張以良2)熊 鷹1)

(海軍工程大學艦船工程系1)武漢 430033) (92196部隊2)青島 266000)

為尋找效率和空泡性能優良的螺旋槳，利用螺旋槳多參數協同優化系統對某吊艙螺旋槳開展迭代優化，并對優化結果進行試驗驗證.螺旋槳各參數分布曲線采用貝塞爾樣條曲線擬合，以確保各參數在優化過程中的光順性；應用遺傳算法，結合螺旋槳面元法的定常水動力性能預報工具，以提高螺旋槳效率及空泡性能為優化目標，對螺旋槳各參數分布進行優化及相關分析探討.結果表明，優化槳較原槳效率略低，但空泡初生更晚，相同條件下空化面積更小，空泡性能得到有效改善.

螺旋槳；優化；遺傳算法；定常面元法；貝塞爾樣條曲線

0 引 言

在螺旋槳設計中，眾多的幾何參數與螺旋槳各性能之間關系非常復雜，傳統設計方法中，很多參數往往是根據設計者的經驗進行多次調整后形成最終設計方案.該“修改-驗證-修改”的人工嘗試方法得到螺旋槳方案可能達到效率及空泡性能都較佳的效果，但并不一定是最佳效果；而且該方法需要大量的實際經驗.近些年來，通過智能優化算法對螺旋槳綜合性能進行優化研究越來越多[1-6].

本文利用螺旋槳多參數協同優化系統[7],以螺旋槳效率及空泡性能為優化目標，對某吊艙螺旋槳進行優化設計研究，并對優化結果進行模型試驗驗證.

1 螺旋槳多參數協同優化系統

1.1 簡介

本螺旋槳多參數協同優化系統是通過調整原槳的幾何形狀，建立起優化計算的樣本空間，再利用遺傳算法[8]配合面元法定常水動力預報工具從中尋找最優方案的方式實現螺旋槳的優化.為保證優化過程中螺旋槳各參數的光順性，螺旋參數化建模采用貝塞爾樣條曲線擬合[9].其優化流程見圖1.

圖1 螺旋槳綜合性能優化設計系統流程圖

1.2 優化原理及方法

1) 優化目標的建立 以螺旋槳效率及空泡性能為優化目標，空泡性能以0.7R半徑處葉背最小壓力系數為判斷依據.

(1)

式中：η0為螺旋槳效率；Cp為0.7R半徑處葉背最小壓力系數.定義壓力系數為

(2)

式中：p0為葉背面某處的壓力，Pa；pv為水的氣化壓力，Pa；n為螺旋槳轉速，r/s；D為螺旋槳直徑，m.

利用權重系數法建立螺旋槳效率和空泡性能的多目標函數，總的目標函數可以表示為

f=w1f1+w2f2

(3)

式中：w1為螺旋槳效率權重系數；w2為空泡性能權重系數.

2) 約束條件的建立 在優化過程中，必須對優化設計方案進行評估分析及篩選，以保證最終得到的方案合理，符合實際要求.對不符合要求的方案的目標函數實行懲罰.從以下3個方面進行約束.

(1) 幾何約束.基于貝塞爾樣條曲線擬合實現螺旋槳參數化建模后，建立起了擬合曲線控制點與參數分布曲線的對應關系，在優化過程中，調整控制點的位置既可以改變參數分布曲線的形狀.在這一過程中，為避免曲線出現纏繞等不合理現象，對新生成的控制點位置進行約束;(2) 水動力約束.為保證優化后的螺旋槳產生的推力符合要求，需對螺旋槳的推力系數進行約束;(3) 強度約束.優選過程中，為保證優化后的螺旋槳滿足強度要求，對槳葉最大厚度進行約束.

(4)

式中：VXi為擬合曲線控制點的X坐標值；kt為螺旋槳推力系數;σ1為推力系數誤差限；t為螺旋槳槳葉最大厚度，約束優化方案的槳葉最大厚度不小于初始槳.

2 算例與分析

2.1 優化對象

本文以某吊艙槳模型為母型，利用螺旋槳多參數協同優化系統進行優化.該母型槳主要參數見表1.

表1 槳的主要參數

2.2 優化設置

優化時保持螺旋槳直徑不變，將所有徑向參數(弦長、螺距、縱傾、側斜、最大厚度及最大拱度)和剖面參數(弦向厚度分布和弦向拱度分布)作為優化參數.其中螺旋槳徑向參數分布采用三階貝塞爾曲線擬合[10-12]，剖面參數采用五階貝塞爾曲線擬合.限制條件設置：推力系數誤差限設置為±0.1%；強度約束條件設置槳葉最大厚度分布不小于原槳槳葉最大厚度分布.優化目標設置：效率和空泡性能.其中空泡性能以0.7R半徑處葉背最小壓力系數為判斷依據，采用權重系數法，權重系數分別取為0.5.遺傳算法設置：種群大小設置為30；優化代數設置為500；交叉概率設置為0.8.

2.3 優化結果

表2 槳優化結果

表2表明，優化槳較原槳推力系數保持不變，效率下降0.129%；而0.7R處葉背最小壓力系數較原槳提高了5.9%.可見，優化槳效率略低，但具有更優良的空泡性能.

圖2為是優化前后螺旋槳徑向參數的變化.圖3為優化前后剖面參數的變化情況.

圖2 優化前后螺旋槳徑向參數分布的比較

圖3 優化前后剖面參數分布的比較

圖2表明，弦長分布、螺距分布及最大拱度分布變化較明顯，對螺旋槳性能變化較為敏感.弦長在內半徑有所減小，在外半徑有所增大；螺距在槳轂附近有所降低，在徑向其他位置均有所增加；縱傾在槳轂至0.7R半徑有所增加，但從0.7R半徑至葉梢有略微的減小；側斜在槳轂至0.5半徑處有所增加，其他半徑處保持不變，側斜平衡度有所降低；最大厚度在槳轂附近有所增加；最大拱度分布在槳轂附近有所增加外，在徑向其他位置均是減小.

圖3表明，剖面最大厚度略微的往導邊方向靠近，而最大拱度略微的往隨邊方向靠近.

2.4 試驗驗證分析

本實驗在海軍工程大學空泡水洞實驗室完成.空泡水洞工作段封閉，長2.6 m，截面為0.6 m×0.6 m帶圓角的矩形.上下水平段中心線的高度約為10 m，2個垂直段中心線間距為18 m，收縮比6.25∶1，調壓范圍0.05～2 bar，空泡數0.2～3.

試驗目的是比較優化前后螺旋槳模型的空泡性能，以此驗證優化的合理性.原槳模型采用合金銅材質，優化模型采用鋁合金.模型見圖4.

圖4 試驗槳模型

本次試驗從2個方面來比較螺旋槳空泡性能的優良性.(1) 比較優化前后槳模的空泡初生的早晚；(2) 比較優化前后螺旋槳在相同水速空化數和相同進速系數下空化面積大小.

(5)

(6)

式中:V為水洞水流速度，m/s；D為槳模直徑，m；n為槳模轉數，r/s；ρ為水密度,kg/m3；p0為水洞中心壓力，Pa；pv為水汽化壓力，Pa.

1) 空泡初生速度對比 在常壓下，保持水洞水流速V=4.2 m/s，增加轉速，直至產生初生空泡，比較空泡初生的早晚.兩槳模產生初生空泡的工況見表3.表3表明，優化槳空泡初生較原槳要更晚些.

表3 空泡初生試驗實測工況

2) 相同水速空化數和進速系數下空化面積大小對比 保持水流速度4.2 m/s，同時保持水洞在負0.76 bar，即保持相同的水速空化數σV=2.50.相同水速空化數下的試驗觀測工況見表4.

表4 空泡對比試驗實測工況

根據觀測到的結果，描繪出螺旋槳葉背空泡示意圖.通過觀察并對比不同工況下2螺旋槳的空化狀態，可以反映出優化前后螺旋槳的空化效果.如圖5～圖8所示.

圖5 工況1下原槳與優化槳試驗對比

圖6 工況2下原槳與優化槳試驗對比

圖7 工況3下原槳與優化槳試驗對比

圖8 工況4下原槳與優化槳試驗對比

圖5～圖8表明，優化槳在槳葉葉背上空泡面積比原槳的小.尤其是在高進速系數的時候.

試驗表明，優化后的螺旋槳空泡初生較原槳更晚，同時在相同條件下優化槳空化面積較原槳更小，有效地改善了優化槳的空泡性能.

3 結 束 語

以提高螺旋槳效率及0.7R半徑處葉背最小壓力系數為優化目標，利用本單位自行編制的螺旋槳多參數協同優化系統對某吊艙模型槳各參數進行迭代優化.數值優化結果表明，效率降低0.129%，0.7R半徑處葉背最小壓力系數提高5.9%.空泡試驗對比驗證，優化槳較原槳空泡初生更晚；在相同條件下優化槳的空化面積較原槳小，從而表明螺旋槳空泡性能得到有效改善.

[1]王國強，董世湯.船舶螺旋槳理論與應用[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社.2005.

[2]CHEN Jenghorng， SHIH Yushan．Basic design of a series propeller with vibration consideration by genetic algorithm[J]．Marine Science and Technology，2007(12)：119-129.

[3]BERTETTA D，BRIZZOLARA S． CPP propeller cavitation and noise optimization at different pitches with panel code and validation by cavitation tunnel measurements[J]．Ocean Engineering，2012(53)：177-195．

[4]TAHERI R， MAZAHERI K．Hydrodynamic optimization of marine propeller using gradient and non-gradient based algoritnms[J]．Acta Polytechnica Hungarica，2013，10(3)：221-237．

[5]黃樹權．基于遺傳算法的螺旋槳性能優化研究[D]．大連：大連理工大學，2009．

[6]趙 威，楊晨俊．船舶螺旋槳螺距及拱度的優化設計研究[J]．中國造船，2010，51(1)：1-8．

[7]張以良，熊 鷹.螺旋槳多參數協同優化系統V1.0：中國，2014SR038756[P].2014.

[8]雷英杰，張善文．MATLAB遺傳算法工具箱及應用[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[9]朱心熊．自由曲線曲面造型技術[M]．北京：科學出版社，2000.

[10]張以良，熊 鷹，時立攀．一種螺旋槳參數化建模的方法[J]．艦船科學技術，2015，37(1)：34-38.

[11]姚震球，高 慧，楊春蕾，螺旋槳三維建模與水動力數值分析[J]．船舶工程，2008(6)：55-58.

[12]王 超，黃 勝，解學參.基于CFD方法的螺旋槳水動力性能預報[J]．海軍工程大學學報，2008(4)：48-52.

Design and Optimization of Hydrodynamic Performance of Marine Propeller

WANG Bo1)ZHANG Yi liang2)XIONG Ying1)

(DepartmentofNavalEngineering,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)1)(TheUnit92196thofPLA,Qingdao266000,China)2)

In order to seek for a propeller that both good at efficiency and cavitation performance, an iterative optimization design of a pod propeller was accomplished by using propeller comprehensive performance optimization design system-with independent intellectual property rights, and model tests were conducted to verify the optimization results. The propeller parameters distributions are described by Bezier-spline, so that the curve fairing can be ensured. Aiming at improving the efficiency and cavitation performance, genetic algorithm combined with a prediction method of steady hydrodynamic characteristics of propeller based on surface panel method is utilized to optimize and analyze propeller parameters distribution. The optimization results show that the efficiency of the optimized propeller is slightly lower, but the cavitation inception is later and the cavitation area is smaller at the same condition comparing to the original propeller, the cavitation performance have been improved.

propeller; optimization; genetic algorithm; steady surface panel method; Bezier-spline

2015-04-10

*海洋工程國家重點實驗室研究基金項目資助(批準號：1106)

U644.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.022

王 波(1990- ):男，碩士生，主要研究領域為艦船流體動力性能