Kappel螺旋槳參數(shù)化建模分析

賴海清，徐慧澤，包國治，劉 煒，陳 寧

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

2013年12月中國國際海事展覽會上，德國曼恩動(dòng)力設(shè)備有限公司展出了他們力推的新產(chǎn)品——Kappel螺旋槳，如圖1所示。自2013年初，MAN 公司就收到許多市場上來自船東、船舶營運(yùn)商、設(shè)計(jì)公司以及船舶制造企業(yè)的關(guān)注。他們表達(dá)了對尋求盡可能低的燃料運(yùn)營成本以及最佳船舶EEDI 指數(shù)的推進(jìn)系統(tǒng)解決方案的強(qiáng)烈興趣。Kappel螺旋槳在槳葉末梢端承載的特殊設(shè)計(jì)，就解決這一挑戰(zhàn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。Cheng和孫群［1-2］等利用RANS 方法對Kappel螺旋槳與傳統(tǒng)螺旋槳進(jìn)行了水動(dòng)力性能分析，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，新型Kappel螺旋槳槳葉設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)螺旋槳，如圖2所示，能節(jié)省燃油消耗高達(dá)3%～6%。姚震球［3］推導(dǎo)了頁面型值點(diǎn)從平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到空間坐標(biāo)表達(dá)式，吳利紅［4］利用Matlab和ProE 對螺旋槳的三維建模進(jìn)行了分析研究，但這些研究都是針對傳統(tǒng)螺旋槳來展開的，因?yàn)镵appel螺旋槳與傳統(tǒng)螺旋槳幾何定義有所不同，因此，有必要對其建模方法進(jìn)行進(jìn)一步研究。從傳統(tǒng)螺旋槳建模過程中發(fā)現(xiàn)，螺旋槳幾何參數(shù)所形成的曲線平滑度，將直接影響三維曲面平整度，這對Kappel螺旋槳尤為明顯。新型Kappel螺旋槳的出現(xiàn)無疑對造船業(yè)的節(jié)能減排起到了極大的推進(jìn)作用。所以，要推廣該類型螺旋槳的運(yùn)用，首要問題就是解決如何快速且精確的對其槳葉進(jìn)行幾何建模，以便后續(xù)的生產(chǎn)加工和研究。

圖1 曼恩公司展出的Kappel螺旋槳Fig.1 Kappel propeller

圖2 傳統(tǒng)螺旋槳Fig.2 Traditional propeller

1 螺旋槳幾何外形及特征

1.1 螺旋槳特征描述

槳葉的外形輪廓可以用圖3 表示。從船尾向船首看為螺旋槳正面，反面稱為背面;螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為右旋，反之為左旋;槳葉邊緣在前面者稱為導(dǎo)邊，另一邊稱之為隨邊;從螺旋槳正面看去，葉面的歪斜稱為側(cè)斜;從側(cè)面看到的槳葉傾斜稱為縱斜;螺旋槳旋轉(zhuǎn)1 周前進(jìn)的距離定義為螺距。

圖3 螺旋槳各部分名稱及定義Fig.3 Propeller parts names and definitions

以上定義只能獲得螺旋槳大致輪廓，要精確描述螺旋槳的幾何結(jié)構(gòu)，還需螺旋槳葉片數(shù)Z，直徑D，使用的翼型，每個(gè)截面位置r/R，各截面處弦長直徑比C/D，螺距比P/D，最大厚度直徑比T/D，最大拱高弦長比F/C，縱傾以及側(cè)斜(逆時(shí)針為正，單位(°))。

Kappel螺旋槳與傳統(tǒng)螺旋槳最大的區(qū)別就在于，傳統(tǒng)螺旋槳的縱傾用Rake/D 表示，此處傾斜用mm 計(jì)算而非角度，定義為每個(gè)截面沿軸向前后傾斜的距離;而Kappel螺旋槳?jiǎng)t用Xs/D［5］表示，但每個(gè)截面與參數(shù)Xs/D所形成的曲線在節(jié)點(diǎn)處相垂直，而不是單純的前后軸向移動(dòng)，否則葉稍處的厚度將得不到保證。

1.2 螺旋槳空間幾何表示

在空間表示之前，需先對螺旋槳坐標(biāo)進(jìn)行定義，X 軸為螺旋槳軸，其方向指向流場下游方向;Y 軸正向向上;Z 正向?yàn)閄，Y 軸外積(X×Y)方向。

1.2.1 計(jì)算翼型坐標(biāo)

依據(jù)F/C、T/D、C/D 分布求得各翼型截面處最大拱高、最大厚度、弦長，由以上定義可由下列方程式求得不同節(jié)點(diǎn)上下翼面坐標(biāo)值，進(jìn)而獲得二維翼型的外形。此處設(shè)弦線中點(diǎn)為原點(diǎn):

1.2.2 按螺距角旋轉(zhuǎn)，加入Xs/D 斜率影響后翼面坐標(biāo)

依據(jù)螺距比P/D，可以得到螺距角:

為求得二維翼面隨螺距角φ 旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)，引進(jìn)

取ξz和ηx形成的斜率夾角

則二維翼面隨螺距角φ 旋轉(zhuǎn)后可得到:

Xs/D 曲線斜率傾角對Y 方向的影響

1.2.3 轉(zhuǎn)換至圓柱坐標(biāo)面，得三維坐標(biāo)

式中:“+”為右旋螺旋槳;“-”為左旋螺旋槳;δk=2π(k－1)/Z。

至此，Kappel螺旋槳已經(jīng)定義完全。

2 Kappel螺旋槳的三維建模實(shí)現(xiàn)

從螺旋槳造型的角度說，計(jì)算出所有空間型值點(diǎn)，就可以得到滿足造型的全部數(shù)據(jù)信息。本文以Matlab和Solidworks 為工具，在前一節(jié)螺旋槳三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，通過編程計(jì)算，得到螺旋槳槳葉的三維坐標(biāo)，首先讀入一輸入文本文件，里面包含有直徑D、二維翼型、以及各截面r/R 處的C/D、P/D、T/D、F/C、縱傾Xs/D和側(cè)斜Skew 等基本數(shù)據(jù)，這樣方便今后螺旋槳尺寸或參數(shù)更改之后，可以快速改寫;然后利用螺旋槳空間幾何定義轉(zhuǎn)換計(jì)算得到各截面的三維坐標(biāo)，并以Txt 格式輸出;接著通過編寫Solidworks 宏文件，實(shí)現(xiàn)讀入Txt 文件中三維坐標(biāo)點(diǎn)到曲線的連接;最后，在Solidworks 完成螺旋槳的曲面合并的三維實(shí)體。建模流程如圖4所示。

圖4 建模流程Fig.4 Modeling process

對Kappel螺旋槳來說，由于葉稍曲率變化較大，因此在r/R 劃分時(shí)，需在葉稍處進(jìn)行加密，以最大限度保證該處的光順度。其中輸入文本文件Input.m 格式如圖5所示。

圖5 輸入文件格式Fig.5 Format of input file

進(jìn)入Solidworks 建模:

1)執(zhí)行宏文件，讀入三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到各截面曲線;

2)曲面放樣，將曲線組合成曲面;

3)對葉稍頂部和轂部進(jìn)行曲面填充，得到閉合的槳葉曲面;

4)曲面縫合，形成實(shí)體;

5)構(gòu)建槳轂，并對整體進(jìn)行圓角處理;

6)按照葉數(shù)Z 進(jìn)行圓周陣列，得到完整螺旋槳。

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文采用的Kappel 槳模型是來自國立臺灣海洋大學(xué)的Kap508螺旋槳［6］，該螺旋槳部分參數(shù)如圖5所示。運(yùn)行Solidworks_macro.txt 文件后，得到葉型曲線如圖6所示，本文在螺旋槳徑向方向把r/R 劃分為20 份，采用非均勻分布，對葉稍進(jìn)行加密。執(zhí)行曲面填充、縫合及陣列等操作后，得到Kap508 完整三維模型如圖7所示。對于完成的螺旋槳槳葉，需要對其進(jìn)行檢查，將文件導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics 中，以“面”作為檢查對象，按要求設(shè)置后“檢查準(zhǔn)則”，得到的光順檢查結(jié)果是“通過”，如圖8所示。

圖6 葉型曲線Fig.6 Propeller blade curve

圖8 螺旋槳曲面光順檢查Fig.8 Propeller surface inspection

4 結(jié) 語

本文依據(jù)Kappel螺旋槳特有的結(jié)構(gòu)及幾何特性，確定螺旋槳型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換方法，利用Matlab 高級語言編程實(shí)現(xiàn)了從二維翼型到三維坐標(biāo)的輸出，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。編寫宏文件，利用Solidworks 將一次性讀入空間三維坐標(biāo)點(diǎn)與曲線擬合兩個(gè)步驟合二為一，達(dá)到螺旋槳的快速建模，并順利通過了槳葉曲面光順性檢查，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)研究這種高效能螺旋槳奠定了基礎(chǔ)。

［1］CHENG H J，CHIEN Y C，HSIN C Y，et al.A numerical comparison of end-plate effect propellers and conventional propellers ［C］//9th International Conference on Hydrodynamics.2010，22(5):495-500.

［2］孫群，吳瓊.Kappel 型螺旋槳敞水性能數(shù)值分析研究［C］//第二十五屆全國水動(dòng)力學(xué)研討會暨第十二屆全國水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會議文集(下冊)，2013.

［3］姚震球，高慧，楊春雷.螺旋槳三維建模與水動(dòng)力數(shù)值分析［J］.船舶工程，2008，30(6):23-26.

［4］吳利紅，董連斌，許文海.基于MATLAB和ProE的螺旋槳三維建模［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37(2):17-20.

［5］吳俊明.大翼尖傾斜螺槳之設(shè)計(jì)與空間幾何表示［D］.臺北:臺灣海洋大學(xué)，2008.

［6］莊靖秋.非平面之效率與空化性能探討Ⅱ［D］.臺北:臺灣海洋大學(xué)，2009.