調(diào)距槳幾何參數(shù)對水動力性能影響研究＊

（海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033）

0 引 言

定距槳在設計條件下運行時，可充分利用主機功率達到預期航速，螺旋槳本身效率亦為最佳，但在非設計工況下則不能充分發(fā)揮主機功率．調(diào)距槳借助槳轂中的調(diào)距機構(gòu)改變槳葉螺距，在非設計工況下仍能充分吸收主機功率，具有較高的效率，并且在不改變軸的旋轉(zhuǎn)方向的情況下也能產(chǎn)生向后的推力．因此，調(diào)距槳已被廣泛應用于多工況運行、操縱和停船性能要求較高的船舶．

李方川等［1］通過與定距槳的對比分析，歸納了調(diào)距槳的結(jié)構(gòu)組成、動作原理及基本工作特性．胡健等［2］利用面元法分析調(diào)距槳的水動力性能，并給出了水動力性能隨螺距變化的規(guī)律．吳東興［3］、高鍵［4］、閆仁武［5］、劉麗飛［6］等對調(diào)距槳的控制系統(tǒng)進行了研究，上海交通大學開發(fā)了JDC調(diào)距槳系列，開展了相關(guān)的理論研究工作［7－8］．

文中以某槳的初始設計結(jié)果（見表1）為基礎，研究幾何參數(shù)對調(diào)距槳水動力和空泡性能的影響．槳的直徑5．69m，轉(zhuǎn)速160r／min，轂徑比0．28，設計進速系數(shù)為0．966，各方案的性能對比均在設計工況下進行．選用NACA葉切面，利用升力面理論設計螺距分布和拱弧面形狀，設計方案的性能通過面元法進行預報校核，揭示了幾何參數(shù)對調(diào)距槳水動力性能的影響規(guī)律．

表1 某槳初步設計結(jié)果

1 數(shù)學方法

采用面元法預報各調(diào)距槳方案的性能，進而研究幾何參數(shù)的影響，對方案進行改進設計時采用升力面理論．升力面設計螺旋槳是在給定的弦長、厚度、側(cè)斜、縱傾和環(huán)量徑向分布的情況下，設計槳葉拱弧面和徑向螺距分布．環(huán)量的徑向分布由升力線部分設計得到，弦向分布采用NACA a＝0．8拱弧線環(huán)量分布．在假定的拱弧面上沿徑向和弦向劃分若干四邊形網(wǎng)格，在每一網(wǎng)格的1／4弦長處布置展向渦及線源，弦向渦布置在展向渦端點的弦向連線上，控制點取在渦格的形心．由槳葉拱弧面上布置附著渦系及尾渦來模擬其升力效應，槳葉厚度的影響則由已知強度的源匯分布來模擬［9］．

調(diào)距槳通常具有較大的槳轂，采用理論方法預報其性能時，不能忽略槳轂的存在．面元法預報設計方案性能時考慮槳轂影響，控制點取在1號葉片及其連帶的轂表面（總稱1號物面）上，在其上滿足物面邊界條件，求解方程可離散如下：

式中：φi為1號物面上的i號控制點的速度勢（i為控制點編號，i＝1，2，…，N）；pi為控制點坐標；qjk為k號物面上j號場點的坐標；Z為葉數(shù)．

槳葉轉(zhuǎn)角時的轉(zhuǎn)葉力矩的大小是調(diào)距槳較為重要的水動力性能指標，文中以水動力轉(zhuǎn)葉力矩系數(shù)KSH表征其大小．KSH、推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ的定義如下：

式中：ρ為流體密度；D為螺旋槳直徑；n為轉(zhuǎn)速；QSH為水動力轉(zhuǎn)葉力矩；T為推力；Q為轉(zhuǎn)矩．

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)斜分布對性能的影響

在表1所列的設計結(jié)果基礎上，選取如圖1所示的7種側(cè)斜分布，采用面元法分別研究其對性能的影響．圖2～3給出了側(cè)斜對推力和效率的影響，圖中系列2是表1所列槳的性能值．可以發(fā)現(xiàn)，加入側(cè)斜后推力普遍增加（側(cè)斜較大的方案3除外），由于尚需考慮轉(zhuǎn)矩的影響，效率則不盡相同．計及側(cè)斜本身引起的縱傾后，螺旋槳的推力和效率均有所提高，并且均高于無側(cè)斜和縱傾時設計結(jié)果．

圖1 側(cè)斜分布

圖2 側(cè)斜對推力的影響

圖3 側(cè)斜對效率的影響

以上的比較是在無縱傾和側(cè)斜基礎上引入側(cè)斜之后的螺旋槳性能變化情況，在確保產(chǎn)生足夠推力前提下，各螺旋槳設計方案均有改進空間．將加入的側(cè)斜及其引起的縱傾作為輸入條件，采用升力面理論進行重新設計，并利用面元法預報其性能，改進后各設計方案的效率見圖4，側(cè)斜較大的分布3效果較差而未進行改進．從圖中可以看出，側(cè)斜較小的方案4，6，7效率相對較低，而相對較為適中的側(cè)斜分布1，2，5則具有較好的敞水性能．圖5是各側(cè)斜分布對轉(zhuǎn)葉力矩的影響，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，曲線變化較為平穩(wěn)，不同的側(cè)斜分布對轉(zhuǎn)葉力矩的影響較?。畧D6給出了各側(cè)斜分布對定?？张菪阅艿挠绊懬闆r，可以看出發(fā)生空泡的面元區(qū)域變化不大．究其原因則是，弦長分布未發(fā)生變化，各葉切面的壓力差基本不變，空泡發(fā)生的可能性趨同．上述分析表明，如果側(cè)斜選擇合理，螺旋槳的效率將有所提升，并且不會對空泡性能產(chǎn)生太大影響．

2.2 縱傾的影響

以側(cè)斜分布2的優(yōu)化設計結(jié)果為基礎，選取如圖7所示的5種不同的縱傾分布，采用面元法預報設計方案的性能．縱傾對效率和推力的影響如圖8～9所示，圖中系列2為側(cè)斜分布2優(yōu)化設計結(jié)果的性能值．可以看出縱傾的變化對效率的影響不大，部分方案在設計工況未能產(chǎn)生足夠推力，因而縱傾和側(cè)斜的配合須適當，方能實現(xiàn)推力需求和效率的最大化．圖10～11所揭示的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，縱傾對空泡性能的影響較小，而轉(zhuǎn)葉力矩隨縱傾的變化較為明顯．

圖4 側(cè)斜對效率的影響

圖5 側(cè)斜對轉(zhuǎn)葉力矩的影響

圖6 側(cè)斜分布對空泡性能的影響

圖7 縱傾分布

圖8 縱傾對效率的影響

圖9 縱傾對推力的影響

圖10 縱傾分布對空泡性能的影響

盤面比的大小取決于弦長分布，本節(jié)以縱傾方案3的優(yōu)化設計結(jié)果為參考，通過調(diào)整弦長分

2.3 盤面比的影響

布設置一組盤面比（0．899 8，0．858 9，0．777 1，0．736 2）并研究其對性能的影響．各盤面比對推力和效率的影響見圖12～13，圖中系列2為縱傾方案3的值．從圖中可以得出一個基本趨勢，即與基準方案比較，盤面比增大時推力增加效率降低，而盤面比減小時推力減小效率增加．從圖14可以看出，盤面比的增加對空泡性能有利．盤面比減小時，由于葉切面壓差力增大，發(fā)生空泡的機會增加，同理可解釋盤面比增加的情況．從圖15可以看出，轉(zhuǎn)葉力矩一般隨著盤面比的增加而增大，盤面比增加到一定程度后轉(zhuǎn)葉力矩反而有減小的趨勢，但過大的盤面比將影響槳葉的轉(zhuǎn)動．

圖11 縱傾對轉(zhuǎn)葉力矩的影響

圖12 盤面比對推力的影響

圖13 盤面比對效率的影響

圖14 盤面比對空泡性能的影響

3 結(jié)束語

采用面元法預報各調(diào)距槳方案的水動力和空泡性能，研究幾何參數(shù)的影響，采用升力面理論對方案進行改進設計．研究表明：其他參數(shù)已定的情況下，側(cè)斜的變化對水動力和空泡性能的影響并不顯著，但側(cè)斜過大或過小都將對性能產(chǎn)生不利的影響；縱傾的變化對效率和空泡影響不大，而對轉(zhuǎn)葉力矩的影響較大，且縱傾與側(cè)斜必須與側(cè)斜配合適當，否則效率和轉(zhuǎn)葉力矩都會不如預期；盤面比對推力和效率的影響可得出一個基本趨勢，即與基準方案比較，盤面比增加時推力增加效率降低，盤面比減小時推力減小效率增加；盤面比對空泡和轉(zhuǎn)葉力矩的影響較為顯著，盤面比減小時葉切面壓差力增大，發(fā)生空泡的區(qū)域隨之增大；盤面比較小時，葉根處易于發(fā)生空泡，但是如若盤面比過大會導致槳葉寬度增大從而不利于槳葉轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)葉力矩一般隨著盤面比的增大而增大，但盤面比增大到一定程度后轉(zhuǎn)葉力矩反而下降．

圖15 盤面比對轉(zhuǎn)葉力矩的影響

［1］李方川，王 鵬，劉 飛．可調(diào)螺距螺旋槳的特性分析［J］．中國水運，2008，8（1）：57－58．

［2］胡 健，黃 勝，王培生，等．可調(diào)螺距螺旋槳水動力性能分析［J］．船舶工程，2007，29（6）：41－45．

［3］吳東興，李 眾，李 彥．可調(diào)螺距螺旋槳船舶航速模糊控制系統(tǒng)［J］．華東船舶工業(yè)學院學報：自然科學版，2001，15（3）：25－28．

［4］高 鍵，李 眾，王建華，等．可調(diào)螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)［J］．船舶工程，2000（1）：32－34．

［5］閆仁武，虞平良．可變螺距螺旋槳的一種機槳聯(lián)合優(yōu)化控制方法［J］．華東船舶工業(yè)學院學報，1997，11（2）：8－14．

［6］劉麗飛，衛(wèi)建兵，胡 哲．某船可調(diào)螺距螺旋槳推進裝置應急系統(tǒng)改進［J］．船海工程，2009，38（2）：12－15．

［7］楊晨俊，王國強，玉島正裕．提高調(diào)距槳水動力性能預估精度的一個途徑：計及槳轂的影響［J］．中國造船，1992，33（1）：19－26．

［8］ZHANG J H，WANG G Q．Prediction of hydrodynamic performance of ducted controllable pitch propellers［J］．Journal of Ship Mechanics，2002，6（6）：18－27．

［9］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，2007．