無(wú)梢渦螺旋槳試驗(yàn)研究

張海泉 萬(wàn)國(guó)橋

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.武漢市船舶檢驗(yàn)所，湖北武漢 430033）

為了提高螺旋槳自身效率，使螺旋槳葉梢處不產(chǎn)生梢渦，以減少螺旋槳葉梢處能量的損失，因此開(kāi)展了無(wú)梢渦螺旋槳的試驗(yàn)研究。螺旋槳的升力線模型，是以一根升力線代替一個(gè)槳葉，其環(huán)量沿徑向是變化的，記為Г（r），由于環(huán)量沿徑向變化，其后逸出自由渦片，在半徑r處的dr區(qū)域逸出的自由渦強(qiáng)度等于Г｀（r）＝r（r）dr＝－（dГ（r）／dr）＊dr。

因此，我們探索在螺旋槳葉梢處增加葉片的方法，使葉梢不產(chǎn)生旋渦，減少葉梢處能量損失，也稱無(wú)梢渦螺旋槳。早在八十年代，日本造船界就已經(jīng)對(duì)旋槳葉梢處增加葉片的方法進(jìn)行過(guò)探討，并在《日本造船學(xué)會(huì)編文集86》中發(fā)表過(guò)相關(guān)的內(nèi)容。

1 無(wú)梢渦螺旋槳原理分析

對(duì)于B4－66槳來(lái)說(shuō)，有4個(gè)槳葉，共有4根升力線及相應(yīng)的4個(gè)螺旋自由渦面。由于螺旋槳葉梢處存在橫向繞流（槳葉相當(dāng)于三元翼展），使同一葉片的梢部上的壓力面和吸力面之力趨于相同，造成葉梢處升力為零，環(huán)量Г（r）＝0，使渦強(qiáng)也為零。而且在r半徑的葉梢處逸出自由渦線，這種模型的自由渦可以渦片的形式延伸到遠(yuǎn)后方，實(shí)際在槳后不很遠(yuǎn)的地方將因變形而破裂、卷曲，形成處于梢、根處兩個(gè)渦卷。如果在葉梢處的截面上安裝一個(gè)與螺旋槳同軸旋轉(zhuǎn)面相切的的弧面封板，由于該封板能起著升力線徑向等值面的作用，使葉梢渦的強(qiáng)度有可能不會(huì)失效。由于封板的存在，使葉片端截面上的壓力面和吸力面之間存在一壓差，致使葉梢不產(chǎn)生旋渦，減少葉梢處能量損失。

2 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

首先我們選定試驗(yàn)?zāi)Ｐ停篕a4－70槳和AU－3型槳。

（1）Ka4－70 槳。據(jù)有關(guān)資料研究，在推輪上廣泛使用的Ka系列槳，減少梢渦的方法是在槳葉梢加裝封板。因此我們選定Ka4－70槳為試驗(yàn)槳，比較槳葉加裝封板后敞水性能的變化。

加裝封板后，整個(gè)槳的推力與轉(zhuǎn)矩為：

T＝ρZ∫RrhГ（r）｛2∏rn－UT（r）｝｛1－εtgβi（r）｝dr－⊿T

Q＝ρZ∫RrhГ（r）｛VA＋UA｝｛1＋εctgβi（r）｝rdr＋⊿Q

⊿T 和⊿Q 為封板產(chǎn)生的負(fù)推力和對(duì)漿軸中心線的附加力矩

⊿T＝SZρ｛VA2＋（∏Dn）2｝A·sinβ

⊿Q ＝1／2·SZρ｛VA2＋（∏Dn）2｝· A·Dcosβ

封板寬度的選擇，要使因葉梢有限環(huán)流存在而產(chǎn)生的正效果，大于由于封板本身粘性阻力所造成的負(fù)效果，因此過(guò)大的寬度將使A 增大，從而⊿T 和⊿Q 增大，過(guò)小的寬度，又使Г（r）沒(méi)有明顯增加，起不到減少梢渦的作用。因此采用三種寬度的封板：B1＝2.8%D＝5mm，B2＝5.6%D＝10mm，B3＝8.4%D＝15mm。

采用平板式的封板，能減輕葉片自身的重量，減少螺旋槳在葉梢處的負(fù)荷。封板與槳葉梢垂直安裝，這樣封板與螺旋槳同軸旋轉(zhuǎn)面完全相切，才能起到升力線徑向等值面的作用。如圖1所示。

圖1 葉片的安裝位置

（2）AU－3型槳。

AU－3型槳的葉梢是園弧形的，對(duì)這種漿減少槳葉梢渦損失的最有效方法是在漿葉兩側(cè)的梢端加裝小翼。參照書(shū)［1］中介紹的最佳安裝角為本次試驗(yàn)研究的安裝角。即在AU－3型槳（DM＝0.178m）、0.9R 處，安裝小翼。

安裝工況為：上反角r1＝r2＝45°；安裝角α1＝－4°，α2＝6°；后掠角β1＝10°，β2＝30°。小翼安裝在葉梢后，其投影高度應(yīng)與原槳葉梢高度（0.1R）一致，因此小翼的高度為h＝0.1R／sinr＝0.0126（m）。小翼側(cè)斜角根據(jù)后掠角β1＝10°，β2＝30°來(lái)定，因此設(shè)計(jì)兩種形狀的小翼。如圖2、圖3所示。

圖2 翼剖面形狀

圖3 安裝位置圖

3 無(wú)梢渦螺旋槳試驗(yàn)結(jié)果分析

我們選用Ka4－70槳做敞水試驗(yàn)，P／D＝1.21，實(shí)槳D＝1.88米，表1 為不加葉片和加葉片的敞水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：

表1 敞水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在Ka系列和B 系列螺旋槳上安裝葉片，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J增大到0.6以后敞水效率有一定提高，但當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J小于0.6時(shí)敞水效率反而下降了，說(shuō)明葉片的安裝位置和角度還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究，以及在不同的螺旋槳上安裝葉片，也會(huì)產(chǎn)生不同的效果。此次試驗(yàn)研究為今后相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步深入研究打下了一定基礎(chǔ)。

1 日本造船學(xué)會(huì)編文集