基于PropCad的螺旋槳幾何建模研究

付軍濤，王建政，李善從

（滬東重機(jī)有限公司，上海 200129）

0 引言

在船用推進(jìn)器中，螺旋槳是效率較高、應(yīng)用最廣的一種。為縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，螺旋槳設(shè)計(jì)一般需借助專業(yè)軟件，但這些專業(yè)軟件通常僅能得到螺旋槳的主要參數(shù)和水動(dòng)力性能[1-2]，缺乏幾何建模功能。螺旋槳槳葉為空間螺旋面[3-4]，同時(shí)往往蘊(yùn)含縱傾及側(cè)斜[5-6]，螺距分布也往往不一致[7-10]。因此基于螺旋槳設(shè)計(jì)所獲取的主要參數(shù)進(jìn)行螺旋槳制圖，如借助通用CAD軟件，通常準(zhǔn)確性不高、快捷性不強(qiáng)。

本文基于PropCad軟件，以B型槳為例，進(jìn)行螺旋槳幾何建模研究，以求精確、高效地將螺旋槳設(shè)計(jì)所得到的主要參數(shù)和水動(dòng)力性能轉(zhuǎn)換為螺旋槳幾何模型[11]。

研究?jī)?nèi)容如圖1所示。

圖1 基于PropCad的螺旋槳幾何建模

1 建模輸入

螺旋槳設(shè)計(jì)所得到的螺旋槳主要參數(shù)和水動(dòng)力性能外加主要船舶參數(shù)，即為螺旋槳幾何建模輸入。本例輸入包括船舶參數(shù)和螺旋槳參數(shù)。

1）船舶參數(shù)

船舶設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)為21 ft（1 ft=0.304 8 m）；設(shè)計(jì)功率為150 HP；軸系設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 250 r/min。入級(jí)ABS，無冰區(qū)要求。

2）螺旋槳參數(shù)

槳型為B型定距槳；旋向?yàn)橛倚粯獜綖?0 in（1 in=2.54 cm）；參考螺距為20 in；盤面比為0.65；縱傾角為10°；螺旋槳材質(zhì)為鎳鋁青銅；螺距分布規(guī)律；側(cè)斜分布規(guī)律等。

2 幾何建模

螺旋槳幾何建模分為6步，依次為：?jiǎn)挝辉O(shè)置、螺旋槳主要參數(shù)設(shè)置、強(qiáng)度及材料設(shè)置、槳葉幾何建模設(shè)置、槳轂幾何建模設(shè)置、葉梢?guī)缀涡拚O(shè)置。

2.1 單位設(shè)置

螺旋槳設(shè)計(jì)所獲取的螺旋槳主要參數(shù)中有些需帶單位，比如槳徑、螺距等。因此在進(jìn)行螺旋槳幾何建模前，首先需進(jìn)行單位設(shè)置，以便統(tǒng)一。點(diǎn)擊“SI”可以一鍵實(shí)現(xiàn)國(guó)際單位制默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊“Imperial”可以一鍵實(shí)現(xiàn)英制單位制默認(rèn)設(shè)置，通過下拉框可以逐項(xiàng)進(jìn)行單位設(shè)置。本文單位設(shè)置如圖2所示。

2.2 螺旋槳主要參數(shù)設(shè)置

需要設(shè)置的螺旋槳主要參數(shù)包括：槳型、旋向、槳葉數(shù)、槳徑、參考螺距、后傾角、轂徑比等。該船槳型為定螺距螺旋槳，旋向?yàn)橛倚?，槳葉數(shù)選 4葉，槳徑為20 in，參考螺距為20 in，后傾角為10°，轂徑比采用標(biāo)準(zhǔn)B型槳推薦值0.18（換算后的槳轂中心直徑為3.6 in）。設(shè)置如圖3所示。

圖2 單位設(shè)置

圖3 螺旋槳主要參數(shù)設(shè)置

2.3 強(qiáng)度及材料設(shè)置

螺旋槳強(qiáng)度及材料設(shè)置的理論依據(jù)為船級(jí)社規(guī)范。目前，PropCad可依據(jù)的船級(jí)社包括：ABS、BV/RINA、KR、LR、CCS、NK、Baltic等。本文基于建模輸入中的入級(jí)要求，船級(jí)社選擇 ABS。該船設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)為21 ft，為鋼制海船，因此參照“Steel Under 90 m (2014)”規(guī)范進(jìn)行螺旋槳強(qiáng)度計(jì)算設(shè)置。該船螺旋槳槳型為適度側(cè)斜定距槳，因此參照“FPP[4-3-2/9.11]”進(jìn)行螺旋槳厚度分布設(shè)置。螺旋槳材質(zhì)選用通用螺旋槳材質(zhì)“Mn-Ni-Al bronze[Type5]”，調(diào)用該材質(zhì)的默認(rèn)密度0.27 ibm/in3。設(shè)計(jì)功率輸入150 HP。軸系轉(zhuǎn)速輸入1 250 r/min。船舶設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)輸入21 ft。強(qiáng)度及材料設(shè)置如圖4所示。

圖4 螺旋槳強(qiáng)度及材料設(shè)置

2.4 槳葉幾何建模設(shè)置

螺旋槳槳葉為空間螺旋面，同時(shí)往往蘊(yùn)含縱傾角及側(cè)斜角，螺距分布也往往不一致。因此需基于建模輸入分別從半徑分布、螺距、弦長(zhǎng)、后傾、縱斜、葉剖面最大厚度分布、葉剖面特征、導(dǎo)邊及隨邊特征、拱度以及槳葉隨邊彎折等方面對(duì)槳葉進(jìn)行精確設(shè)置以完成槳葉幾何建模。

為對(duì)槳葉幾何建模進(jìn)行精確控制，槳葉半徑分布設(shè)置為：0.16r/R、0.2r/R、0.3r/R、0.4r/R、0.5r/R、0.6r/R、0.7r/R、0.8r/R、0.9r/R、0.95r/R、0.975r/R、0.987 5r/R、1r/R；由于該槳為變螺距螺旋槳，其槳轂處的螺距減小為滿螺距的 80%，因此螺距分布選擇為“80%hub”；采用“BB-series”分布規(guī)律對(duì)槳葉弦長(zhǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化處理；該船螺旋槳盤面比為0.65；槳葉后傾取用“l(fā)inear”意為遵循直線分布規(guī)律；參照標(biāo)準(zhǔn)BB-series螺旋槳縱斜規(guī)律控制該槳縱斜，并由此推算出該槳葉梢總側(cè)斜值為 1.16 in；參照標(biāo)準(zhǔn)B-series螺旋槳葉剖面分布規(guī)律控制該槳葉剖面最大厚度的分布；參照標(biāo)準(zhǔn)B-series進(jìn)行該槳的葉剖面特征控制；導(dǎo)邊做倒角處理，倒角為 0.01 in，而隨邊做垂直處理；導(dǎo)邊和隨邊的厚度分布規(guī)律為定常分布，厚度值為0.06 in；采用 “C-shape (arc)”（即弓形分布）進(jìn)行葉剖面拱度增值形狀控制，梁拱增值峰值處于0.7r/R處；采用槳葉隨邊彎折技術(shù)以提升該槳性能，隨邊最大彎折值為0.2 in，彎折掃略角為30°，槳葉葉梢及槳轂區(qū)域無彎折，0.6r/R～0.8r/R區(qū)域?yàn)闈M彎折，并采用余弦規(guī)律過渡?；谏鲜龇治鲆?，槳葉幾何建模設(shè)置見圖5。

2.5 槳轂幾何建模設(shè)置

槳轂幾何建模，主要從槳轂前端面外徑、槳轂中心面外徑、槳轂后端面外徑、槳轂內(nèi)孔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)孔錐度、內(nèi)孔前端面直徑、軸名義直徑、有無鍵槽、葉根與槳轂的倒角、槳葉位置等方面考慮。槳轂前端面外徑取3.7 in，槳轂中心面外徑取3.6 in，槳轂后端面外徑取3.2 in；槳轂內(nèi)孔采用英制錐形設(shè)計(jì)，內(nèi)孔前端面直徑取1.75 in，軸名義直徑取1.75 in，槳軸采用無鍵液壓連接方式；葉根與槳轂的倒角為0.5 in，槳葉位置為距槳轂前端面2.54 in。基于上述分析，槳轂幾何建模設(shè)置見圖6。

2.6 葉梢?guī)缀涡拚O(shè)置

螺旋槳葉梢曲面較為復(fù)雜，通用CAD軟件較難處理。針對(duì)B型槳，可考慮其葉梢自導(dǎo)邊至隨邊為平滑過渡，因此葉梢?guī)缀涡拚O(shè)置見圖7。

3 建模輸出

根據(jù)以上設(shè)計(jì)參考思路及幾何輸入設(shè)置，運(yùn)行PropCad軟件，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可完成相應(yīng)螺旋槳的建模輸出。

3.1 螺旋槳2D圖

圖5 槳葉幾何建模設(shè)置

圖6 槳轂幾何建模設(shè)置

PropCad可輸出為“.dxf”格式的2D圖，如圖8所示。2D圖包括側(cè)投影圖、螺距分布圖、正投影圖、伸張輪廓圖以及包括螺旋槳主要參數(shù)的標(biāo)題欄。

圖7 葉梢?guī)缀涡拚O(shè)置

3.2 螺旋槳3D圖

基于PropCad的繪圖功能，可輸出多種3D模型格式，如圖 9所示。通常來說，為便于通用型的CAD/CAE軟件直接讀取3D圖，以便結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的工藝設(shè)計(jì)與分析，輸出“.igs”格式的3D圖較為適宜。

3.3 槳葉切面型值表

針對(duì)螺旋槳各半徑處葉切面，需精確計(jì)算出其型值，基于 PropCad的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯后完成型值報(bào)告表。

3.4 槳葉厚度送審報(bào)告

圖8 螺旋槳2D圖

圖9 螺旋槳3D圖

依據(jù)ABS船級(jí)社規(guī)范，需提供槳葉厚度送審報(bào)告?；赑ropCad并進(jìn)行相應(yīng)的編輯，本文依據(jù)ABS的具體要求，出具槳葉厚度送審報(bào)告，如圖11所示。

從槳葉厚度送審報(bào)告可以看出，在“Section Properties at 0.25r/R”章節(jié)中，螺旋槳實(shí)際最大厚度為0.832 in，而ABS要求是0.831 in，因此可判斷該螺旋槳的設(shè)計(jì)滿足ABS要求。

4 結(jié)論

PropCad軟件除了可以精確、快捷的繪制B型槳幾何模型，對(duì)AU槳、AUCPP槳、Gawn槳、Kaplan槳、SK槳、Thruster槳以及Wedge槳同樣適用，甚至其應(yīng)用可以擴(kuò)展至旋轉(zhuǎn)機(jī)械行業(yè)。

基于PropCad軟件輸出的螺旋槳2D/3D圖、槳葉切面型值表、槳葉厚度送審報(bào)告等可以進(jìn)行螺旋槳工藝設(shè)計(jì)并最終完成螺旋槳的生產(chǎn)制造。

圖11 槳葉厚度送審報(bào)告