端板螺旋槳設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能分析

嚴(yán)亮 賴海清 方先進(jìn)

摘 要：端板螺旋槳自出現(xiàn)以來，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的市場競爭力。本文針對消拖兩用船的綜合舵槳系統(tǒng)，用升力線方法對端板螺旋槳進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）預(yù)報(bào)了該螺旋槳水動(dòng)力性能。與常規(guī)螺旋槳對比，端板螺旋槳對螺旋槳推力有積極影響。

關(guān)鍵詞：CLT；水動(dòng)力性能 ；壓力分布

中圖分類號(hào)：U661.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： CLT （Contracted and Loaded Tip） propeller has showed a strong market competitiveness since its appearance. Taking a towing and tugging ships rudder propeller system as research object， this paper designs a CLT propeller based on lifting line theory， forecasts the hydrodynamic performance by CFD and compares it with conventional propeller. The results show that the CLT propeller have a positive effect on propeller thrust.

Key words： CLT； Hydrodynamic performance； Total pressure distribution

1 前言

節(jié)能減排已經(jīng)成為舉世關(guān)注的議題，如何增加推進(jìn)效率、減少燃油消耗量，是船東考慮的主要因素，也是船舶設(shè)計(jì)者持續(xù)追求的目標(biāo)。研究表明，利用航空業(yè)慣用的端板理論，對螺旋槳葉稍加以改進(jìn)，可以使螺旋槳的推進(jìn)效率大大提高。

若在螺旋槳葉片稍部保持一定的弦長，并裝有一小塊端板（如圖1所示），則可以阻止葉稍的橫向繞流，從而使螺旋槳發(fā)出更大的推力，提高敞水效率，這就是端板螺旋槳（簡稱CLT螺旋槳）的節(jié)能原理。Gomez[1]等開發(fā)的這種葉稍有載螺旋槳，早期稱為TVF螺旋槳。

CLT螺旋槳具有以下四個(gè)特征：（1）螺距由根部至葉尖緩和的增加；（2）弦長在葉尖最長；（3）端板設(shè)置在葉尖且傾向于正壓面；（4）具有低至中度的側(cè)斜。端板螺旋槳在國外已有較多的實(shí)船應(yīng)用[2]，能提高10%～15%的效率，并且具有較好的空泡性能，改善船的振動(dòng)和操縱性，在給定的轉(zhuǎn)速條件下，螺旋槳的設(shè)計(jì)直徑較小，特別適用于吃水受限制的內(nèi)河船舶。

2 槳葉和端板的設(shè)計(jì)

目前，圖譜法和環(huán)流理論設(shè)計(jì)方法是研究螺旋槳的兩種主要方法：圖譜法是依據(jù)螺旋槳敞水系列試驗(yàn)繪制而成的專用圖譜來設(shè)計(jì)；環(huán)流理論方法是依據(jù)流體力學(xué)的機(jī)翼理論及各類槳葉切面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過研究螺旋槳的作用力及其周圍流場數(shù)據(jù)從而確定螺旋槳的水動(dòng)力性能。自從Prandtl[4]建立機(jī)翼理論之后，Betz[5]提出了在理想流體中螺旋槳能量損失最小的條件，之后該條件被用來求解最佳環(huán)量分布問題。采用升力線方法設(shè)計(jì)端板螺旋槳時(shí)，首先要知道其環(huán)量分布形式，因在葉稍處的環(huán)量為非零值，故其基本思想是在常規(guī)螺旋槳的環(huán)量分布上疊加葉稍環(huán)量，并將葉稍環(huán)量的影響線性化到各個(gè)剖面，因此其環(huán)量分布形式為[6]：

由（3）式可知，φ=π時(shí)， =1， =0。代入（1）式得到葉稍環(huán)量為kk1π，其中k值可由給定的推力載荷系數(shù)解一元二次方程求得。環(huán)量分布一經(jīng)確定后，與經(jīng)典的Lerbs升力線理論類似，由誘導(dǎo)因子法求出誘導(dǎo)速度及水動(dòng)力螺距角，從而計(jì)算得出幾何螺距角。計(jì)算中忽略了端板上的環(huán)量，因?yàn)閺奈墨I(xiàn)[7]得知，端板的環(huán)量大小要比槳葉的環(huán)量小兩個(gè)數(shù)量級。對于端板螺旋槳，關(guān)鍵是確定k1值，k1的大小意味著葉稍環(huán)量的大小。本文通過計(jì)算得到葉稍系數(shù)k1對應(yīng)于葉稍環(huán)量Gtip為槳葉徑向最大環(huán)量的80%，如圖2所示。

當(dāng)給定螺旋槳葉數(shù)、設(shè)計(jì)航速、推力和直徑時(shí)，運(yùn)用以上方法，可以求出螺旋槳沿徑向的環(huán)量分布、誘導(dǎo)速度與水動(dòng)力螺距角，接下來就是端板設(shè)計(jì)。

端板螺旋槳由于在葉稍承受更大的推力，因此槳葉要比常規(guī)螺旋槳厚，葉稍厚度一般為（0.005～0.008）D；葉根也要比常規(guī)槳厚。端板的大小與葉稍環(huán)量密切相關(guān)，本文采用航空上機(jī)翼帶端板的回歸公式[8] 來設(shè)計(jì)螺旋槳。由于端板的速度很不均勻，可以假設(shè)整個(gè)端板的平均速度等于葉稍切面的合速度V，則附加推力與附加扭矩由下式求出：

3 端板螺旋槳建模

端板螺旋槳除端板外其他定義與傳統(tǒng)螺旋槳完全相同，故需要對端板另作定義，如圖3所示。端板為對稱翼型，其弦線中點(diǎn)位于0.975 R拱高線中點(diǎn)向外1.5倍0.975 R最大厚度向上0.5TMAX-0.975R處，以此點(diǎn)作為端板位置計(jì)算原點(diǎn)，即為圖中O點(diǎn)；端板內(nèi)側(cè)中點(diǎn)與壓力面中點(diǎn)的倒角半徑約為TMAX-0.975R，外側(cè)約為2TMAX-1.0R；span所指為端板向船尾的長度，從原點(diǎn)向船尾方向計(jì)算，最大值為直徑的2.93%。

定義完成后，由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法[9]求得螺旋槳的三維坐標(biāo)（以下僅對端板做推導(dǎo)）。端板未轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)前，可視為位于Y-Z剖面上的二維對稱翼，由二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)為三維坐標(biāo)與1.0R處的弦長（C1.0R）、最大厚度（TMAX-1.0R）、螺距角（ψ）、拱高比（f1.0R）有關(guān)。轉(zhuǎn)換步驟如下：（1）依據(jù)翼型、弦長、最大厚度的定義，先求得二維翼型坐標(biāo)；（2）端板翼型對壓力面的彎曲變化，可由1.0 R處的拱高變化乘上端板每一span處弦長與1.0 R處弦長的比例，即可得到端板每一span處翼型對壓力面的彎曲變化，并依1.0 R處螺距角，每一span弦長中點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心做旋轉(zhuǎn)，加入端板的span值和1.0R處傾斜和最大厚度0.5倍；（3）將旋轉(zhuǎn)之后的二維翼型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至圓柱坐標(biāo)面，并加入側(cè)斜變化。

通過以上推導(dǎo)轉(zhuǎn)化，我們將得到的螺旋槳定義為CLT01。為了與端板螺旋槳做對比，依靠OpenProp[10] 單個(gè)螺旋槳設(shè)計(jì)模塊，在同一工況條件下，設(shè)計(jì)了一常規(guī)螺旋槳編號(hào)為Kap00。最終兩螺旋槳三維模型如圖4所示。

4 端板螺旋槳分析

本文研究所選用的網(wǎng)格是較為特別的多面體網(wǎng)格，它是多面體形狀的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，與一般的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不同。多面體網(wǎng)格的主要目的是確保網(wǎng)格的品質(zhì)性，由于多面體網(wǎng)格接近圓球狀，不至于變成狹長型網(wǎng)格，而此種多面體網(wǎng)格一般收斂速度非常快，且收斂性也很好[11]。

本文的螺旋槳計(jì)算，選用的紊流模型為k‐ω SST 模型，流體介質(zhì)為水，密度為998.2 kg/m3、黏性系數(shù)為1.003×10-3 kg/m-s。至于邊界條件的設(shè)定，可分為入流條件、出流條件、螺旋槳無滑動(dòng)流體條件、流場邊界的壁面邊界條件，以及螺旋槳與流場間的交界面，在圖5中標(biāo)示出各邊界條件，圖6為局部流域網(wǎng)格劃分圖。

圖7 CLT01與Kap00水動(dòng)力數(shù)據(jù)對比圖，從圖中可以看出，在設(shè)計(jì)航速J=0.5下，Kap00推力系數(shù)為0.141，即產(chǎn)生的推力為134 860 N，并未達(dá)到設(shè)計(jì)值147000N；而CLT01螺旋槳在設(shè)計(jì)點(diǎn)推力系數(shù)為0.161，此時(shí)產(chǎn)生的推力為153594N，滿足了原始的優(yōu)化目標(biāo)。

整體來看，端板螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都比常規(guī)螺旋槳大，且隨著進(jìn)速系數(shù)的增大而增大，在J=0.7時(shí)達(dá)到最大增幅，分別為38.9%和33.04%。從理論上講，螺旋槳的推力隨著壓力差的增大而增大，CLT螺旋槳便是利用葉稍邊界元隔開兩個(gè)壓力場，有效阻止葉稍部分的壓力干擾，使整個(gè)槳葉維持較大的壓力差；在效率方面，端板螺旋槳較常規(guī)螺旋槳并沒有較大增幅，在設(shè)計(jì)點(diǎn)比螺旋槳敞水效率增大1.26%。為了更深層次的探討以上各種變化量產(chǎn)生的原因，下面對螺旋槳的壓力特性進(jìn)行分析。

螺旋槳的推力和扭矩是螺旋槳的宏觀受力，為了深入研究流場中螺旋槳的受力情況，分別考察進(jìn)速系數(shù)為0.3和0.5時(shí)CLT01螺旋槳槳葉的壓力分布（見圖8和圖9）。

在吸力面：壓力從葉根到葉稍逐漸降低，隨著導(dǎo)邊到隨邊的推移，壓力逐漸升高，并在導(dǎo)邊邊緣附近出現(xiàn)了長條狀的低壓區(qū)，根據(jù)螺旋槳空泡理論，此處最易發(fā)生空泡現(xiàn)象。對比兩種不同的J值，最低壓力隨著J的升高而降低；在壓力面：最高壓出現(xiàn)在靠近葉稍的導(dǎo)邊處，并在端板與葉片連接處出現(xiàn)了極值。在同樣壓力參照下，可以看出，J為0.3時(shí)葉面葉背壓差較J為0.5時(shí)大，這也正是在J=0.3時(shí)推力較大的原因。

5 結(jié)論

本文以某消拖兩用船為應(yīng)用目標(biāo)，采用升力線和CFD數(shù)值模擬結(jié)合的方法，對端板螺旋槳槳葉進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對這種新型螺旋槳進(jìn)行了參數(shù)化建模，預(yù)報(bào)了該螺旋槳的敞水動(dòng)力性能。與常規(guī)螺旋槳相比，得到以下結(jié)論：

（1）通過對葉稍的改進(jìn)，端板螺旋槳能夠增大螺旋槳的有效直徑，在對槳徑有限制的船舶上其優(yōu)勢顯著。

（2）在對端板螺旋槳進(jìn)行建模時(shí)，與常規(guī)槳相比需要對葉稍端板另作處理，不能采用原有的三維轉(zhuǎn)化坐標(biāo)公式。

（3）端板螺旋槳能夠有效阻止葉稍處壓力的相互干擾，維持整個(gè)槳葉有較大的壓力差，從而改善螺旋槳的推力性能。

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