大螺距對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳的水動力分析

梅蕾，周軍偉，倪豪良

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶與海洋工程學(xué)院，山東威海264209

大螺距對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳的水動力分析

梅蕾，周軍偉，倪豪良

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶與海洋工程學(xué)院，山東威海264209

基于葉柵理論設(shè)計了1臺單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管螺旋槳和2臺不同螺距的對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳，并采用商用CFD軟件對流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳的上游轉(zhuǎn)子螺距比分別為1.451和2.108，下游轉(zhuǎn)子螺距比按消除尾流旋流的原則進(jìn)行設(shè)計。結(jié)果表明：隨著螺距比的增大，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳的推力系數(shù)與扭矩系數(shù)顯著提高，效率略有提高，其最高效率點向右偏移。與單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管螺旋槳的對比發(fā)現(xiàn)，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳能夠在更大的螺距比下保持較高的推進(jìn)效率。

螺旋槳；對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳；大螺距比；推進(jìn)效率

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1343.028.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：梅蕾，周軍偉，倪豪良.大螺距對轉(zhuǎn)導(dǎo)管螺旋槳的水動力分析［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：42-47，54.

MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang.Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-ofratio［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：42-47，54.

0　引言

近十幾年來，船舶正在朝著大型化和高功率的方向不斷發(fā)展。為適應(yīng)高速、高推力的性能要求，并保證推進(jìn)器仍具有較高效率，采用導(dǎo)管螺旋槳（以下簡稱“導(dǎo)管槳”）是一種選擇［1］。導(dǎo)管槳能增加單位時間內(nèi)通過槳盤的流量，減小尾流收縮，從而減小推進(jìn)器的載荷系數(shù)，提高推進(jìn)效率。此外，采用對轉(zhuǎn)推進(jìn)形式是另一種選擇，這是因為對轉(zhuǎn)槳后槳能夠減小甚至消除尾流中的旋流，從而吸收前槳施加給水中的旋轉(zhuǎn)能量，提高效率［2-3］。結(jié)合導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)槳的特點，可以構(gòu)造出一種新型推進(jìn)器——對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳，有可能進(jìn)一步提高推進(jìn)器的性能。

目前螺旋槳常規(guī)的水動力設(shè)計方法為升力線、升力面法［4-5］，對于對轉(zhuǎn)槳這樣的組合推進(jìn)器而言，前后槳之間存在非定常的干擾速度，并且在對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的設(shè)計中還涉及導(dǎo)管和螺旋槳之間的相互干擾，因此，其計算方法更加復(fù)雜、計算難度大。

作為一種葉輪機(jī)械，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的設(shè)計除了采用傳統(tǒng)方法外，還可以采用葉柵理論［6］，但這類方法在導(dǎo)管槳中的應(yīng)用還較少。作者在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，葉柵理論能夠較好地指導(dǎo)導(dǎo)管槳的設(shè)計［7-8］。本文將基于前期對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的設(shè)計研究，探討在相同總推力下，對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和單轉(zhuǎn)子效率的區(qū)別，并對不同螺距比（P/D）對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳下的水動力性能進(jìn)行初步對比分析。

1　導(dǎo)管槳的設(shè)計

本文在單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳19A/Ka4-55的基礎(chǔ)上設(shè)計對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳，以進(jìn)行兩者性能的對比研究。本文擬探討在相同總推力下，對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和單轉(zhuǎn)子的性能區(qū)別。為使其具備對比性，在設(shè)計階段設(shè)定如下：

1）對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳和單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳采用同樣的翼型與盤面比；

2）單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳采用和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳相同的加長導(dǎo)管且轉(zhuǎn)子前后壓差相同，即在理想的鼓動盤假設(shè)下二者推力相同。

為簡化設(shè)計，并保證葉根處不會出現(xiàn)過大的螺距角θS，本文中的單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳都采用等螺距分布。其螺距分布均采用葉柵理論方法重新進(jìn)行設(shè)計?？紤]到導(dǎo)管槳的半徑越大，做功能力越強(qiáng)，因此螺距計算在最大半徑處進(jìn)行，而不是傳統(tǒng)螺旋槳中常用的0.7R或0.75R（R為槳葉半徑）位置。單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的具體設(shè)計方法如下。

1.1葉柵理論

根據(jù)葉柵理論，在內(nèi)流中，不考慮摩擦損失，葉輪做功完全轉(zhuǎn)化為總壓能，即螺旋槳槳盤前后總壓升Δp與葉元體線速度U，切向誘導(dǎo)速度ΔVθ的關(guān)系可表示為

式中：線速度U指的是某半徑r處葉元體的切向速度，可以表達(dá)為U=ωr；切向誘導(dǎo)速度ΔVθ指的是轉(zhuǎn)子出口的切向速度分量；ρ為水密度。

單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳螺距角θS，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳前后槳螺距角θ1和θ2，及葉梢螺距比的計算公式分別為

式中，VZ為導(dǎo)管內(nèi)槳盤位置的軸向速度。

根據(jù)設(shè)計推力要求，導(dǎo)管槳轉(zhuǎn)子前后壓差Δp的計算可依下式得出，單位為Pa。

式中：T為螺旋槳推力；KT為螺旋槳推力系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。

1.2對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳設(shè)計方案

對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳由于具有前后兩排轉(zhuǎn)子，因而做功能力遠(yuǎn)大于單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳。在相同的進(jìn)速、轉(zhuǎn)速和推力要求下，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的負(fù)荷將明顯降低。為了在相同的進(jìn)速和推力要求下對比兩者性能，必須改變對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的負(fù)荷系數(shù)，本文通過降低轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。降低轉(zhuǎn)速后，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的轉(zhuǎn)子螺距明顯增大，進(jìn)而將探討螺距增加對對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的水動力性能的影響。

本文擬采用2種設(shè)計原則來重新分配對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的轉(zhuǎn)子負(fù)荷，分別介紹如下。

方案1：等出口處切向誘導(dǎo)速度。

本方案目的是盡量保證對轉(zhuǎn)的第一級轉(zhuǎn)子和單轉(zhuǎn)子具有相似的上、下游流場。將總壓升平均分配給對轉(zhuǎn)槳的前、后槳，保持單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的前槳出口切向誘導(dǎo)速度ΔVθ不變。根據(jù)式（1），對轉(zhuǎn)槳前后槳的轉(zhuǎn)速變?yōu)閱无D(zhuǎn)子導(dǎo)管槳的1/2。根據(jù)式（2）和式（3）可分別計算對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳葉梢處的螺距比，由葉梢處的螺距比確定整個槳葉各個半徑處的螺距角。

方案2：等加功量比。

將葉梢處葉元體壓升無量綱化，得

簡化后，得

這個比值c定義為葉元體的加功量比。于是在任意半徑位置

對轉(zhuǎn)槳整體壓升Δp平均分配到前后轉(zhuǎn)子，此時為保持與單轉(zhuǎn)子Δp一致，對轉(zhuǎn)槳前后槳轉(zhuǎn)速為單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳的12。

1.3設(shè)計結(jié)果

單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳的設(shè)計要求如表1所示。

表1　單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳主要設(shè)計參數(shù)Tab.1Main design parameters of SR

根據(jù)前期對19A加長導(dǎo)管的研究，當(dāng)槳盤處速度與來流速度之比在1.4左右時，導(dǎo)管槳能夠達(dá)到最高效率。由于本文中設(shè)計導(dǎo)管槳的進(jìn)速為14 m/s，因而近似選取導(dǎo)管喉部速度VZ=20 m/s。

表2所示為不同徑向位置r/R時2種方案設(shè)計的對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳葉梢螺距比P/D和螺距角θS分布情況，其中，CR1和CR2分別表示由方案1和方案2得到的對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳，SR表示單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳。設(shè)計完成的單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳SR和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳CR1分別如圖1和圖2所示。

表2　單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的螺距角分布Tab.2Pitch angle distribution of single rotor（SR）and contra-rotating（CR）ducted propeller

圖1　單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳Fig.1Single rotor ducted propeller

圖2　CR1對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳Fig.2Contra-rotating ducted propeller

2　數(shù)值計算

螺旋槳外流場的網(wǎng)格劃分可分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域兩部分。流場采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對流場進(jìn)行離散，以保證良好的網(wǎng)格正交性和計算收斂性。由于螺旋槳在均勻來流下運轉(zhuǎn)，流場呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期性特性，為了提高運算效率，僅模擬1/4的流場，即網(wǎng)格劃分僅在單流道中進(jìn)行（圖3），整個靜止域的范圍包括螺旋槳槳盤上游5倍螺旋槳直徑，下游15倍直徑，徑向10倍半徑。單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格分別如圖4與圖5所示。

圖3　流場網(wǎng)格Fig.3Flow region grid

圖4　單槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格Fig.4Rotation domain grid of SR

圖5　對轉(zhuǎn)槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格Fig.5Rotation domain grid of CR propeller

采用適用的商用CFD軟件ANSYS13.0/CFX對單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的流場進(jìn)行了求解［9-10］。數(shù)值計算時，設(shè)定螺旋槳在固定位置以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過改變進(jìn)口流速得到不同的進(jìn)速系數(shù)J。采用MRF（Moving Reference Frame）方法，靜止域在全局靜止的坐標(biāo)系下求解，旋轉(zhuǎn)域在相對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計算，在轉(zhuǎn)靜接觸面上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

3　模擬結(jié)果

3.1敞水性能

由于導(dǎo)管槳屬于組合式推進(jìn)器，推力和效率均需要以組合體的形式分析。因此，此處推力系數(shù)KT按總推力進(jìn)行計算，包括導(dǎo)管推力和轉(zhuǎn)子推力。敞水效率則定義為推進(jìn)功率與對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子總消耗功率之比。

圖6分別給出了單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳SR和方案1的CR1和方案2的CR2設(shè)計的對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水效率η。SR最高效率0.6，對應(yīng)進(jìn)速系數(shù)J=0.7；CR1最高效率0.68，對應(yīng)進(jìn)速系數(shù)1.4；CR2最高效率0.64，對應(yīng)進(jìn)速系數(shù)J= 0.99。從結(jié)果來看，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的效率要高于單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳，并且隨著螺距比的增大，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的效率也在提高，且最高效率點也在向右偏移。

圖6　敞水性能曲線Fig.6Open water performance curves

除此之外，從單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳到對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳，最明顯的變化是推力系數(shù)和扭矩系數(shù)有了大幅度的提高，并且隨著螺距比的增大，其增加幅度持續(xù)上升。

3.2尾流分析

圖7中給出了進(jìn)速系數(shù)J分別為0.3，0.7和0.9時，單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳槳盤后旋流分量的分布曲線。其中，Vθ/Vd為導(dǎo)管槳第一級轉(zhuǎn)子出口旋流速度和槳盤位置軸向速度的比值。從圖中可以看出，槳盤后旋流分量隨進(jìn)速系數(shù)的降低而增大。這是因為當(dāng)進(jìn)速系數(shù)較低時，螺旋槳做功更多，根據(jù)動量定理，其旋流分量必然增大。由圖8可以看出，隨著流速增大，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳與單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳的效率差逐漸增大。

圖7　單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳尾流切向速度分布Fig.7Tangential velocity distribution of SR in wake

圖8　敞水效率隨來流速度變化Fig.8Open water efficiency of two kinds of ducted propellers at different advanced velocities

為分析原因，圖9中給出了來流速度VA=6和14 m/s時，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳、單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳槳盤后的切向速度Vt云圖，圖中右下角點為導(dǎo)管槳旋轉(zhuǎn)軸，左上角點為導(dǎo)管內(nèi)壁位置。圖10為螺旋槳槳盤前后切向速度沿半徑的分布，用來定量描述圖9?？梢钥闯?，由于槳葉旋轉(zhuǎn)的擾動，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳和單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳槳盤前有大小接近的旋流，當(dāng)來流速度VA=14 m/s時，對轉(zhuǎn)槳后的尾流旋量幾乎減為0。

圖9　尾流切向速度分布云圖Fig.9Contours of tangential wake velocity

圖10　槳盤前后切向速度沿半徑分布圖Fig.10Upstream and downstream tangential velocity distribution of propeller along radical direction

3.3槳葉表面壓強(qiáng)分析

圖11為設(shè)計來流速度情況下對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳和單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳槳葉的壓強(qiáng)分布云圖。從圖中可以看出，在對轉(zhuǎn)槳和單槳產(chǎn)生相同推力的前提下，對轉(zhuǎn)槳槳葉壓力面和吸力面之間壓強(qiáng)差明顯較小。

圖11槳葉壓強(qiáng)分布云圖Fig.11Pressure contours on blade surface

圖12給出了設(shè)計來流下對轉(zhuǎn)槳前后槳葉和單槳在0.4R和0.9R處的壓強(qiáng)沿弦長方向的分布，其中，縱坐標(biāo)Cp為壓力系數(shù)，橫坐標(biāo)x/c為無量綱弦長。從圖中可以看出，雙槳的壓強(qiáng)分布更均勻，導(dǎo)邊和隨邊附近壓強(qiáng)梯度更為平緩。槳葉負(fù)荷的減少，壓強(qiáng)分布的改善將帶來優(yōu)越的空泡性能。在提供相同推力的情況下，對轉(zhuǎn)槳槳葉壓強(qiáng)差低于空化臨界壓強(qiáng)的概率，即形成空泡的可能性大幅降低。

圖12　壓強(qiáng)沿弦長分布Fig.12Distribution of pressure along the chord length

4　結(jié)論

本文基于葉柵理論設(shè)計了1臺單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳和2臺不同螺距的對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳。2臺對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的設(shè)計分別采用等出口處切向誘導(dǎo)速度和等加功量比的方案進(jìn)行設(shè)計。為保證三者在相同設(shè)計航速下的推力相當(dāng)，降低了對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳的設(shè)計轉(zhuǎn)速，即提高了對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的螺距比。在相同的進(jìn)速和推力條件下，即不同轉(zhuǎn)速條件下，通過對3臺導(dǎo)管槳的水動力性能分析，可以得出如下結(jié)論：

1）通過對對轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)速降低的設(shè)計，在本文設(shè)計的3臺導(dǎo)管槳中，對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳方案1和方案2分別比單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳效率提高了8%和4%。

2）對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳最高效率點對應(yīng)的進(jìn)速系數(shù)高于單轉(zhuǎn)子導(dǎo)管槳，且推力系數(shù)與扭矩系數(shù)明顯提高，做功能力提高顯著。

3）對轉(zhuǎn)導(dǎo)管槳對尾流中旋流動能的回收效果明顯，在設(shè)計航速下，甚至可以消除尾流中的旋流。

4）在產(chǎn)生相同推力的前提下，對轉(zhuǎn)槳槳葉負(fù)荷更低。

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Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-of-ratio

MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang
School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China

A Single Rotor（SR）ducted propeller and two Contra-Rotating（CR）ducted propellers with different pitch-of-ratios are designed on the basis of the cascade theory，and the numerical simulation of the flow field is carried out using commercial CFD software.The upstream rotor pitch ratios of the two CR ducted propellers are 1.451 and 2.108 respectively，and the pitch ratios of the downstream rotors are designed according to the principle of eliminating the swirl flow.The simulation results show that both the thrust coefficient and the torque coefficient of the CR ducted propellers are improved significantly with the increase of pitch ratio，while the efficiency increases slightly and the maximum efficiency point of the propeller is offset to the right.Compared to the SR propeller，the CR ducted propeller can maintain higher propulsive efficiency at a higher pitch ratio.

propeller；Contra-Rotating（CR）ducted propeller；large pitch-of-ratio；propulsion efficiency

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.007

2016-03-08網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-9-21 13:43

國家自然科學(xué)基金資助項目（51309070）；山東省科技廳資助項目（2013GGA10065）；山東省自然科學(xué)基金資助項目（ZR2012EEQ004）

梅蕾，女，1981年生，博士，講師。研究方向：復(fù)合材料螺旋槳增效降噪，復(fù)合材料高速船艇

設(shè)計建造。E-mail：mlsmile81@163.com

周軍偉（通信作者），男，1981年生，博士，副教授。研究方向：船舶推進(jìn)葉輪機(jī)水動力學(xué)。

E-mail：zhou_junwei@foxmail.com