重載深潛推進(jìn)器性能分析及設(shè)計(jì)

顏 翚，葛 彤，劉建民，趙 敏

（上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

1 引 言

通常深潛器具有阻力大，航速低，推進(jìn)器的負(fù)荷特別重的特點(diǎn)。當(dāng)載荷系數(shù)較大時(shí)，與普通槳相比，導(dǎo)管螺旋槳可以達(dá)到較高的效率[1]。但是，如果導(dǎo)管和螺旋槳的相互關(guān)系處理不當(dāng)會(huì)降低推進(jìn)系統(tǒng)效率，嚴(yán)重的還會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)管振動(dòng)和空泡剝蝕、噪聲等問題。關(guān)于導(dǎo)管槳水動(dòng)力性能的研究，有部分集中在導(dǎo)管槳的水動(dòng)力預(yù)報(bào)上，或用CFD軟件對(duì)導(dǎo)管槳的流動(dòng)特性和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析[2]，或用面元法、渦格法等分析導(dǎo)管槳性能[3-7]；還有部分研究是通過導(dǎo)管槳的系列敞水試驗(yàn)提供可供參考的設(shè)計(jì)圖譜或者定性結(jié)論[8-10]。導(dǎo)管槳通常采用剖面為某一翼型的導(dǎo)管與普通系列槳相配合的形式。對(duì)于某一特定加速型導(dǎo)管來說，與其配合的系列槳的參數(shù)不同，會(huì)明顯影響導(dǎo)管槳的性能。本文針對(duì)深潛器的特點(diǎn)，以DSN2導(dǎo)管為例，結(jié)合試驗(yàn)來預(yù)報(bào)其與不同槳型配合時(shí)的性能，并給出選型建議，從而可以快速地為某一特定重載情況下深潛器設(shè)計(jì)出滿足使用要求的推進(jìn)器。

2 導(dǎo)管槳推進(jìn)原理分析

從推進(jìn)器的性能原理來看，推進(jìn)器的負(fù)荷大小通常有兩種表示方法：功率系數(shù)BP和載荷系數(shù)σT。深潛器的功率系數(shù)BP值可大致取800左右，其表達(dá)式為

其中：N—螺旋槳轉(zhuǎn)速；PD—螺旋槳收到馬力；VA—螺旋槳進(jìn)速；KQ—螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J—螺旋槳進(jìn)速系數(shù)。

深潛器的載荷系數(shù)σT值可大至取12左右，其表示式為：

其中：T—螺旋槳發(fā)出推力；A0—螺旋槳槳盤面積；VA—螺旋槳進(jìn)速。

導(dǎo)管螺旋槳使重載螺旋槳效率提高的原因，不是由于在導(dǎo)管上產(chǎn)生了額外的推力，而是因?yàn)樵趯?dǎo)管上產(chǎn)生推力的同時(shí)，槳盤處的水流受到加速，螺旋槳產(chǎn)生的推力減小。螺旋槳一部分尾渦變成了導(dǎo)管的附著渦，這些渦引起導(dǎo)管上的環(huán)流，從而減少了尾流的能量損失，只要這種減小的損失在數(shù)量上超過導(dǎo)管本身阻力的損失，那么導(dǎo)管槳的效率就高于普通槳。這種導(dǎo)管稱為加速型導(dǎo)管。螺旋槳的載荷越重，尾流能量損失越大，采用加速型導(dǎo)管槳帶來的好處就越多。

3 普通B系列3葉槳性能分析

導(dǎo)管槳的設(shè)計(jì)通常使用導(dǎo)管槳系列實(shí)驗(yàn)圖譜，當(dāng)圖譜資料并不全面的時(shí)候，就需要一種簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)現(xiàn)有的圖譜資料，進(jìn)行初步估算，確定所需要的推進(jìn)器的參數(shù)，例如盤面比、螺距比等。為了解同樣的導(dǎo)管配合不同的槳使用時(shí)敞水性能特點(diǎn)，需要對(duì)現(xiàn)有的資料進(jìn)行分析，了解配套槳型對(duì)導(dǎo)管槳敞水效率的影響。本文僅針對(duì)B系列3葉槳參數(shù)進(jìn)行討論，圖1、圖2顯示了0.35、0.5和0.6盤面比下，普通B系列3葉槳在不同螺距比下的推力系數(shù)與效率的變化情況，根據(jù)圖中所示曲線分析其盤面比與螺距比變化對(duì)敞水性能的影響。

圖1 B3-35、3-50和3-65推力系數(shù)比較Fig.1 Comparison of the thrust factor of B3-35,3-50 and 3-6

圖2 B3-35、3-50和3-65效率5 Fig.2 Comparison of the efficiency of B3-35,3-50 and 3-65

3.1 盤面比對(duì)普通槳性能影響分析

很容易看出，在大部分情況下，螺旋槳的推力系數(shù)隨著盤面比的增大而不斷減小，這是合理的，一般情況下，盤面比越小，軸向誘導(dǎo)流速度越大，根據(jù)動(dòng)量定理可知，推進(jìn)器產(chǎn)生較大的推力。而在重載情況下，螺旋槳的推力系數(shù)隨著盤面比的增大而不斷增大；效率隨著盤面比的增大而減小。

3.2 螺距比P/D對(duì)普通槳性能影響分析

如圖3所示，取葉元體進(jìn)行分析，設(shè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速為n，進(jìn)速為VA，則其旋轉(zhuǎn)一周在軸向所欠近的距離hp=VA/n稱為進(jìn)程。螺距P和進(jìn)程hp之差 （P- hp）稱為滑脫比并以s來表示，即s=（P-hp）/P=1-hp/P=1-VA/（Pn）。 在滑脫比s一定的情況下，若不考慮誘導(dǎo)速度，螺距比P/D的大小標(biāo)志著攻角α的大小，螺距比P/D大時(shí)，攻角α大，螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩亦大，與圖1所示情況吻合。

由圖2可知，盤面比相同的槳，螺距比大的槳有較高的最大效率，但是在重載情況下情況正好相反，螺距比較小的槳推進(jìn)效率較高。

根據(jù)以上結(jié)論，容易得知設(shè)計(jì)重載情況下推進(jìn)器時(shí)，如果推力優(yōu)先，考慮較大盤面比與較大螺距比的槳；如果效率優(yōu)先，則需要考慮較小盤面比與較小螺距比的槳。

圖3 不同螺距比槳葉旋轉(zhuǎn)一周葉元體運(yùn)動(dòng)情況Fig.3 The propeller blade element motion under different P/D

4 DSN2導(dǎo)管槳性能分析

4.1 DSN2導(dǎo)管+B3-50導(dǎo)管槳與B3-50普通槳性能對(duì)比

上海交通大學(xué)深潛技術(shù)研究室考慮到特重負(fù)荷時(shí)螺旋槳的性能，發(fā)展了DSN導(dǎo)管+B3-50系列導(dǎo)管槳，進(jìn)行了敞水試驗(yàn)[2]并提供了設(shè)計(jì)圖譜，將DSN2導(dǎo)管+B3-50導(dǎo)管槳與B3-50普通槳性能進(jìn)行對(duì)比，如圖 4，5所示。

4.2 P/D

螺距比 對(duì)導(dǎo)管槳性能影響分析

由圖4和圖5可以看出，使用DSN2型導(dǎo)管的B3-50導(dǎo)管槳與普通槳相比，重載情況下（進(jìn)速系數(shù)較低時(shí)），在效率方面，DSN2導(dǎo)管槳具有較高的效率，并且，在特重載荷情況（功率系數(shù)>790），螺距比P/D越小，導(dǎo)管槳的敞水效率越高；在推力方面，當(dāng)螺距比P/D小于某一數(shù)值時(shí)，DSN2導(dǎo)管+B3-50導(dǎo)管槳系柱推力有一定程度的減小，而P/D足夠大時(shí)，DSN2導(dǎo)管推力比普通槳高出越多。

圖4 B3-50導(dǎo)管槳與普通槳推力系數(shù)Fig.4 Comparison of the thrust factor of common propeller with duct propeller

圖5 B3-50導(dǎo)管槳與普通槳效率Fig.5 Comparison of the efficiency of common propeller with ducted propeller

圖6 B3-50導(dǎo)管槳與普通槳推力系數(shù)偏差Fig.6 Comparison of the thrust factor deviation of common propeller with duct propeller

圖7 B3-50導(dǎo)管槳與普通槳推效率偏差Fig.7 Comparison of the efficiency deviation of common propeller with duct propeller

圖6和圖7表示不同螺距比下，使用DSN2型導(dǎo)管的B3-50導(dǎo)管槳與普通槳敞水性能偏差百分比，其中，偏差百分比的計(jì)算公式為

其中：deviation—偏差；para_n—導(dǎo)管槳性能參數(shù)值；para—普通槳性能參數(shù)值。

由圖6和圖7可以看出，加上DSN2導(dǎo)管后，在重載情況（進(jìn)速系數(shù)較低）下，推力方面B3-50導(dǎo)管槳與B3-50普通槳推力系數(shù)偏差百分比隨著螺距比的減小而減小，螺距比小于0.8時(shí)，導(dǎo)管槳系泊推力系數(shù)小于普通槳，即在螺距比小于0.8時(shí)，同樣進(jìn)速系數(shù)下，導(dǎo)管槳發(fā)出的推力比普通槳小，這種推力性能的偏差百分比隨著螺距比的減小而降低；在效率方面同樣進(jìn)速系數(shù)下導(dǎo)管槳的效率卻比普通槳高，導(dǎo)管槳顯示出來優(yōu)秀的敞水效率性能，這種效率性能的偏差百分比隨著螺距比的減小而增大。

在螺旋槳載荷減小至一定程度時(shí)，導(dǎo)管槳的敞水效率反而比普通槳更低，推力系數(shù)也迅速減小至小于普通槳，并且螺距比小的槳效率下降更快。此時(shí)，意味著導(dǎo)管本身阻力的損失已經(jīng)大于由于導(dǎo)管存在而減小的尾流損失。

所以，當(dāng)螺旋槳需要工作在重載（低進(jìn)速系數(shù)）情況下時(shí)，如果推力優(yōu)先，考慮較大螺距比的槳；如果效率優(yōu)先，需要選擇螺距比P/D較小的螺旋槳，這點(diǎn)與第3節(jié)結(jié)論吻合。

5 DSN2導(dǎo)管與普通槳配合設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

5.1 DSN2導(dǎo)管與普通槳配合設(shè)計(jì)選型及試驗(yàn)

為特定的深潛器設(shè)計(jì)推進(jìn)器時(shí)，可以根據(jù)第4節(jié)的結(jié)論來快速選擇推進(jìn)器的型式。為某極限海深潛器設(shè)計(jì)推進(jìn)器：其航速較低，載荷系數(shù)σT約為11，功率系數(shù)BP約為790，由自帶電池供電，并且對(duì)設(shè)備重量要求比較嚴(yán)格。

針對(duì)這樣的深潛器，設(shè)計(jì)推進(jìn)器時(shí)需要在滿足設(shè)計(jì)航速時(shí)優(yōu)先考慮效率，選擇重載情況下效率較優(yōu)的推進(jìn)器，使用DSN2導(dǎo)管配套普通螺旋槳，由第4節(jié)結(jié)論知道，需選擇螺距比P/D較小的螺旋槳。此深潛器工作在壓力較大的環(huán)境中，航速較低，可以忽略可能產(chǎn)生空泡的因素，由第4節(jié)推論，效率優(yōu)先時(shí)，考慮盤面比和螺距比都較小的螺旋槳。

為檢驗(yàn)實(shí)際情況是否如上所述，本文根據(jù)上文推論，選擇螺距比為0.5的B3-35螺旋槳與DSN2導(dǎo)管配合，導(dǎo)管長徑比取1，導(dǎo)管與槳葉稍間隙2 mm。試驗(yàn)裝置如圖8所示。

取其敞水實(shí)驗(yàn)結(jié)果和普通導(dǎo)管槳相比，如圖9所示。顯見，在相同進(jìn)速系數(shù)下，導(dǎo)管槳的推力與普通槳相比，有所減小，但是在進(jìn)速系數(shù)小于0.23的范圍內(nèi)，推進(jìn)效率明顯高于普通槳。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該推進(jìn)器主要工作點(diǎn)在進(jìn)速系數(shù)0.18附近，設(shè)計(jì)完全符合使用要求。

圖8 敞水試驗(yàn)裝置Fig.8 The device of open water test

圖9 B3-35導(dǎo)管槳與普通槳性能對(duì)比Fig.9 Comparison of the performance of common propeller with duct propeller

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證盤面比對(duì)導(dǎo)管槳性能影響，分別取B3-35導(dǎo)管槳和B3-50導(dǎo)管槳與普通槳的敞水性能的偏差進(jìn)行對(duì)比（都取螺距比P/D為0.5），偏差計(jì)算公式為：

其中：deviation—性能偏差；para_n—導(dǎo)管槳性能參數(shù)值；para—普通槳性能參數(shù)值。

對(duì)比結(jié)果如圖10所示，顯見，在同樣的進(jìn)速系數(shù)下，具有較小盤面比的B3-35的導(dǎo)管槳比B3-50導(dǎo)管槳具有更高的敞水效率。與普通槳相同，當(dāng)與導(dǎo)管配合后，在重載情況下，螺距比相同時(shí)盤面比較小的推進(jìn)器具有更高的推進(jìn)效率。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)深潛器所需的推進(jìn)器需要綜合考慮深潛器的要求，例如：推進(jìn)器負(fù)載情況、重量要求、尺寸要求、效率要求、空泡性能和振動(dòng)要求等等。通常情況下，深潛器都工作在重載情況下，可以選擇導(dǎo)管與普通槳配合使用，再根據(jù)其設(shè)計(jì)要求確定其他參數(shù)。通過以上分析，我們可以得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）螺距比大的推進(jìn)器可以提供較大的推力，并

且在輕載情況下有較高的效率，而重載情況下，螺距比較小的推進(jìn)器有較大的推進(jìn)效率。

圖10 B3-35與B3-50導(dǎo)管槳性能偏差比較Fig.10 Comparison of the performance deviation of common propeller with duct propeller

（2）與導(dǎo)管配合后，螺距比相同時(shí)盤面比較小的推進(jìn)器具有更高的推進(jìn)效率。

（3）只有在重載情況下，才能體現(xiàn)出導(dǎo)管槳的優(yōu)勢(shì)，提供比普通槳更高的效率，而在輕載情況下，導(dǎo)管槳自身的阻力已經(jīng)超過它所能減小的能量損失，反而比普通槳效率更低。

（4）導(dǎo)管槳在重載情況下提供了更大的效率，但是并不意味著可以提供更大的系泊推力，只有當(dāng)與其配合的槳的螺距比大到某一程度時(shí)才可以提供比普通槳更大的系泊推力，例如，當(dāng)與B3-50槳配合時(shí)，當(dāng)螺距比大于0.8時(shí)，導(dǎo)管槳提供更大的系泊推力。

根據(jù)本文分析得到的結(jié)論，可以比較容易地將設(shè)計(jì)參考選定在一個(gè)較小并且準(zhǔn)確的范圍內(nèi)，從而快速地設(shè)計(jì)出滿足使用要求的推進(jìn)器。

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