大螺距對轉導管螺旋槳的水動力分析

梅蕾，周軍偉，倪豪良

哈爾濱工業大學（威海）船舶與海洋工程學院，山東威海264209

大螺距對轉導管螺旋槳的水動力分析

梅蕾，周軍偉，倪豪良

哈爾濱工業大學（威海）船舶與海洋工程學院，山東威海264209

基于葉柵理論設計了1臺單轉子導管螺旋槳和2臺不同螺距的對轉導管螺旋槳，并采用商用CFD軟件對流場進行了數值模擬。對轉導管螺旋槳的上游轉子螺距比分別為1.451和2.108，下游轉子螺距比按消除尾流旋流的原則進行設計。結果表明：隨著螺距比的增大，對轉導管螺旋槳的推力系數與扭矩系數顯著提高，效率略有提高，其最高效率點向右偏移。與單轉子導管螺旋槳的對比發現，對轉導管螺旋槳能夠在更大的螺距比下保持較高的推進效率。

螺旋槳；對轉導管螺旋槳；大螺距比；推進效率

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1343.028.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：梅蕾，周軍偉，倪豪良.大螺距對轉導管螺旋槳的水動力分析［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：42-47，54.

MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang.Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-ofratio［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：42-47，54.

0　引言

近十幾年來，船舶正在朝著大型化和高功率的方向不斷發展。為適應高速、高推力的性能要求，并保證推進器仍具有較高效率，采用導管螺旋槳（以下簡稱“導管槳”）是一種選擇［1］。導管槳能增加單位時間內通過槳盤的流量，減小尾流收縮，從而減小推進器的載荷系數，提高推進效率。此外，采用對轉推進形式是另一種選擇，這是因為對轉槳后槳能夠減小甚至消除尾流中的旋流，從而吸收前槳施加給水中的旋轉能量，提高效率［2-3］。結合導管槳和對轉槳的特點，可以構造出一種新型推進器——對轉導管槳，有可能進一步提高推進器的性能。

目前螺旋槳常規的水動力設計方法為升力線、升力面法［4-5］，對于對轉槳這樣的組合推進器而言，前后槳之間存在非定常的干擾速度，并且在對轉導管槳的設計中還涉及導管和螺旋槳之間的相互干擾，因此，其計算方法更加復雜、計算難度大。

作為一種葉輪機械，對轉導管槳的設計除了采用傳統方法外，還可以采用葉柵理論［6］，但這類方法在導管槳中的應用還較少。作者在前期的研究中發現，葉柵理論能夠較好地指導導管槳的設計［7-8］。本文將基于前期對轉導管槳的設計研究，探討在相同總推力下，對轉轉子和單轉子效率的區別，并對不同螺距比（P/D）對轉導管槳下的水動力性能進行初步對比分析。

1　導管槳的設計

本文在單轉子導管槳19A/Ka4-55的基礎上設計對轉導管槳，以進行兩者性能的對比研究。本文擬探討在相同總推力下，對轉轉子和單轉子的性能區別。為使其具備對比性，在設計階段設定如下：

1）對轉導管槳和單轉子導管槳采用同樣的翼型與盤面比；

2）單轉子導管槳采用和對轉導管槳相同的加長導管且轉子前后壓差相同，即在理想的鼓動盤假設下二者推力相同。

為簡化設計，并保證葉根處不會出現過大的螺距角θS，本文中的單轉子導管槳和對轉導管槳都采用等螺距分布。其螺距分布均采用葉柵理論方法重新進行設計。考慮到導管槳的半徑越大，做功能力越強，因此螺距計算在最大半徑處進行，而不是傳統螺旋槳中常用的0.7R或0.75R（R為槳葉半徑）位置。單轉子導管槳和對轉導管槳的具體設計方法如下。

1.1葉柵理論

根據葉柵理論，在內流中，不考慮摩擦損失，葉輪做功完全轉化為總壓能，即螺旋槳槳盤前后總壓升Δp與葉元體線速度U，切向誘導速度ΔVθ的關系可表示為

式中：線速度U指的是某半徑r處葉元體的切向速度，可以表達為U=ωr；切向誘導速度ΔVθ指的是轉子出口的切向速度分量；ρ為水密度。

單轉子導管槳螺距角θS，對轉導管槳前后槳螺距角θ1和θ2，及葉梢螺距比的計算公式分別為

式中，VZ為導管內槳盤位置的軸向速度。

根據設計推力要求，導管槳轉子前后壓差Δp的計算可依下式得出，單位為Pa。

式中：T為螺旋槳推力；KT為螺旋槳推力系數；n為轉速。

1.2對轉導管槳設計方案

對轉導管槳由于具有前后兩排轉子，因而做功能力遠大于單轉子導管槳。在相同的進速、轉速和推力要求下，對轉導管槳的負荷將明顯降低。為了在相同的進速和推力要求下對比兩者性能，必須改變對轉導管槳的負荷系數，本文通過降低轉速來實現。降低轉速后，對轉導管槳的轉子螺距明顯增大，進而將探討螺距增加對對轉導管槳的水動力性能的影響。

本文擬采用2種設計原則來重新分配對轉導管槳的轉子負荷，分別介紹如下。

方案1：等出口處切向誘導速度。

本方案目的是盡量保證對轉的第一級轉子和單轉子具有相似的上、下游流場。將總壓升平均分配給對轉槳的前、后槳，保持單轉子導管槳和對轉導管槳的前槳出口切向誘導速度ΔVθ不變。根據式（1），對轉槳前后槳的轉速變為單轉子導管槳的1/2。根據式（2）和式（3）可分別計算對轉導管槳葉梢處的螺距比，由葉梢處的螺距比確定整個槳葉各個半徑處的螺距角。

方案2：等加功量比。

將葉梢處葉元體壓升無量綱化，得

簡化后，得

這個比值c定義為葉元體的加功量比。于是在任意半徑位置

對轉槳整體壓升Δp平均分配到前后轉子，此時為保持與單轉子Δp一致，對轉槳前后槳轉速為單轉子導管槳的12。

1.3設計結果

單轉子導管槳的設計要求如表1所示。

表1　單轉子導管槳主要設計參數Tab.1Main design parameters of SR

根據前期對19A加長導管的研究，當槳盤處速度與來流速度之比在1.4左右時，導管槳能夠達到最高效率。由于本文中設計導管槳的進速為14 m/s，因而近似選取導管喉部速度VZ=20 m/s。

表2所示為不同徑向位置r/R時2種方案設計的對轉導管槳葉梢螺距比P/D和螺距角θS分布情況，其中，CR1和CR2分別表示由方案1和方案2得到的對轉導管槳，SR表示單轉子導管槳。設計完成的單轉子導管槳SR和對轉導管槳CR1分別如圖1和圖2所示。

表2　單轉子導管槳和對轉導管槳的螺距角分布Tab.2Pitch angle distribution of single rotor（SR）and contra-rotating（CR）ducted propeller

圖1　單轉子導管槳Fig.1Single rotor ducted propeller

圖2　CR1對轉導管槳Fig.2Contra-rotating ducted propeller

2　數值計算

螺旋槳外流場的網格劃分可分為旋轉域和靜止域兩部分。流場采用多塊結構化網格對流場進行離散，以保證良好的網格正交性和計算收斂性。由于螺旋槳在均勻來流下運轉，流場呈現旋轉周期性特性，為了提高運算效率，僅模擬1/4的流場，即網格劃分僅在單流道中進行（圖3），整個靜止域的范圍包括螺旋槳槳盤上游5倍螺旋槳直徑，下游15倍直徑，徑向10倍半徑。單轉子導管槳和對轉導管槳的旋轉域網格分別如圖4與圖5所示。

圖3　流場網格Fig.3Flow region grid

圖4　單槳旋轉域網格Fig.4Rotation domain grid of SR

圖5　對轉槳旋轉域網格Fig.5Rotation domain grid of CR propeller

采用適用的商用CFD軟件ANSYS13.0/CFX對單轉子導管槳和對轉導管槳的流場進行了求解［9-10］。數值計算時，設定螺旋槳在固定位置以恒定的轉速旋轉，通過改變進口流速得到不同的進速系數J。采用MRF（Moving Reference Frame）方法，靜止域在全局靜止的坐標系下求解，旋轉域在相對旋轉坐標系計算，在轉靜接觸面上進行數據傳遞。

3　模擬結果

3.1敞水性能

由于導管槳屬于組合式推進器，推力和效率均需要以組合體的形式分析。因此，此處推力系數KT按總推力進行計算，包括導管推力和轉子推力。敞水效率則定義為推進功率與對轉轉子總消耗功率之比。

圖6分別給出了單轉子導管槳SR和方案1的CR1和方案2的CR2設計的對轉導管槳的推力系數、轉矩系數KQ和敞水效率η。SR最高效率0.6，對應進速系數J=0.7；CR1最高效率0.68，對應進速系數1.4；CR2最高效率0.64，對應進速系數J= 0.99。從結果來看，對轉導管槳的效率要高于單轉子導管槳，并且隨著螺距比的增大，對轉導管槳的效率也在提高，且最高效率點也在向右偏移。

圖6　敞水性能曲線Fig.6Open water performance curves

除此之外，從單轉子導管槳到對轉導管槳，最明顯的變化是推力系數和扭矩系數有了大幅度的提高，并且隨著螺距比的增大，其增加幅度持續上升。

3.2尾流分析

圖7中給出了進速系數J分別為0.3，0.7和0.9時，單轉子導管槳槳盤后旋流分量的分布曲線。其中，Vθ/Vd為導管槳第一級轉子出口旋流速度和槳盤位置軸向速度的比值。從圖中可以看出，槳盤后旋流分量隨進速系數的降低而增大。這是因為當進速系數較低時，螺旋槳做功更多，根據動量定理，其旋流分量必然增大。由圖8可以看出，隨著流速增大，對轉導管槳與單轉子導管槳的效率差逐漸增大。

圖7　單轉子導管槳尾流切向速度分布Fig.7Tangential velocity distribution of SR in wake

圖8　敞水效率隨來流速度變化Fig.8Open water efficiency of two kinds of ducted propellers at different advanced velocities

為分析原因，圖9中給出了來流速度VA=6和14 m/s時，對轉導管槳、單轉子導管槳槳盤后的切向速度Vt云圖，圖中右下角點為導管槳旋轉軸，左上角點為導管內壁位置。圖10為螺旋槳槳盤前后切向速度沿半徑的分布，用來定量描述圖9。可以看出，由于槳葉旋轉的擾動，對轉導管槳和單轉子導管槳槳盤前有大小接近的旋流，當來流速度VA=14 m/s時，對轉槳后的尾流旋量幾乎減為0。

圖9　尾流切向速度分布云圖Fig.9Contours of tangential wake velocity

圖10　槳盤前后切向速度沿半徑分布圖Fig.10Upstream and downstream tangential velocity distribution of propeller along radical direction

3.3槳葉表面壓強分析

圖11為設計來流速度情況下對轉導管槳和單轉子導管槳槳葉的壓強分布云圖。從圖中可以看出，在對轉槳和單槳產生相同推力的前提下，對轉槳槳葉壓力面和吸力面之間壓強差明顯較小。

圖11槳葉壓強分布云圖Fig.11Pressure contours on blade surface

圖12給出了設計來流下對轉槳前后槳葉和單槳在0.4R和0.9R處的壓強沿弦長方向的分布，其中，縱坐標Cp為壓力系數，橫坐標x/c為無量綱弦長。從圖中可以看出，雙槳的壓強分布更均勻，導邊和隨邊附近壓強梯度更為平緩。槳葉負荷的減少，壓強分布的改善將帶來優越的空泡性能。在提供相同推力的情況下，對轉槳槳葉壓強差低于空化臨界壓強的概率，即形成空泡的可能性大幅降低。

圖12　壓強沿弦長分布Fig.12Distribution of pressure along the chord length

4　結論

本文基于葉柵理論設計了1臺單轉子導管槳和2臺不同螺距的對轉導管槳。2臺對轉導管槳的設計分別采用等出口處切向誘導速度和等加功量比的方案進行設計。為保證三者在相同設計航速下的推力相當，降低了對轉導管槳的設計轉速，即提高了對轉轉子的螺距比。在相同的進速和推力條件下，即不同轉速條件下，通過對3臺導管槳的水動力性能分析，可以得出如下結論：

1）通過對對轉槳轉速降低的設計，在本文設計的3臺導管槳中，對轉導管槳方案1和方案2分別比單轉子導管槳效率提高了8%和4%。

2）對轉導管槳最高效率點對應的進速系數高于單轉子導管槳，且推力系數與扭矩系數明顯提高，做功能力提高顯著。

3）對轉導管槳對尾流中旋流動能的回收效果明顯，在設計航速下，甚至可以消除尾流中的旋流。

4）在產生相同推力的前提下，對轉槳槳葉負荷更低。

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Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-of-ratio

MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang
School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China

A Single Rotor（SR）ducted propeller and two Contra-Rotating（CR）ducted propellers with different pitch-of-ratios are designed on the basis of the cascade theory，and the numerical simulation of the flow field is carried out using commercial CFD software.The upstream rotor pitch ratios of the two CR ducted propellers are 1.451 and 2.108 respectively，and the pitch ratios of the downstream rotors are designed according to the principle of eliminating the swirl flow.The simulation results show that both the thrust coefficient and the torque coefficient of the CR ducted propellers are improved significantly with the increase of pitch ratio，while the efficiency increases slightly and the maximum efficiency point of the propeller is offset to the right.Compared to the SR propeller，the CR ducted propeller can maintain higher propulsive efficiency at a higher pitch ratio.

propeller；Contra-Rotating（CR）ducted propeller；large pitch-of-ratio；propulsion efficiency

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.007

2016-03-08網絡出版時間：2016-9-21 13:43

國家自然科學基金資助項目（51309070）；山東省科技廳資助項目（2013GGA10065）；山東省自然科學基金資助項目（ZR2012EEQ004）

梅蕾，女，1981年生，博士，講師。研究方向：復合材料螺旋槳增效降噪，復合材料高速船艇

設計建造。E-mail：mlsmile81@163.com

周軍偉（通信作者），男，1981年生，博士，副教授。研究方向：船舶推進葉輪機水動力學。

E-mail：zhou_junwei@foxmail.com