加工誤差對(duì)螺旋槳軸承力影響的初步研究*

于安斌 葉金銘 丁江明

(海軍工程大學(xué)艦船工程系1) 武漢 43003) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

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加工誤差對(duì)螺旋槳軸承力影響的初步研究*

于安斌1)葉金銘1)丁江明2)

(海軍工程大學(xué)艦船工程系1)武漢 43003) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2)武漢 430063)

為研究螺旋槳的加工誤差引起的軸承力問題，以DTMB4119螺旋槳為研究對(duì)象，通過人為改變螺旋槳單槳葉在六個(gè)自由度方向的加工誤差量，計(jì)算并分析螺旋槳各參數(shù)加工誤差量對(duì)均勻來流條件下螺旋槳的軸承力影響，形成螺旋槳各參數(shù)加工誤差量對(duì)螺旋槳軸承力影響的初步規(guī)律.研究結(jié)果表明：在均勻來流條件下，螺旋槳的軸承力大小隨誤差量的增加呈線性增加的趨勢(shì)，而槳葉的加工誤差不會(huì)在螺旋槳的軸向產(chǎn)生軸承力.同時(shí)，槳葉在直徑、螺距方向的誤差對(duì)螺旋槳軸承力影響較大，在軸轂長(zhǎng)度方向的誤差影響較小.

螺旋槳；加工誤差；均勻來流；軸承力

0 引 言

螺旋槳葉片加工的目的是使葉片能達(dá)到圖紙要求的外形尺寸、厚度及螺距等，并能使葉片兩面符合一定的光潔要求，以提高螺旋槳的推進(jìn)效率.由于螺旋槳葉片的幾何形狀復(fù)雜，制造精度要求高，生產(chǎn)特點(diǎn)又是品種多，數(shù)量少，這就為廣泛使用機(jī)床來加工葉片以提高加工精度帶來困難.一般來說，中小型螺旋槳加工采用專用機(jī)床，如仿形機(jī)床、數(shù)字程序控制機(jī)床等；大型螺旋槳槳葉尺寸且多為單件(或幾件)生產(chǎn)，所以主要采用手工劃線加工，使用風(fēng)鏟、砂輪、銼刀和刮刀等工具，生產(chǎn)效率低，加工精度較低[1].雖然目前已經(jīng)研制出可加工高精度螺旋槳的機(jī)床，但并沒有得到廣泛應(yīng)用，艦船螺旋槳特別是復(fù)合材料螺旋槳仍存在加工誤差的普遍問題.從目前關(guān)于加工誤差對(duì)螺旋槳性能影響的研究來看，國(guó)內(nèi)只有丁舉[2]分析了槳模誤差對(duì)敞水性能的影響，但是并沒有涉及螺旋槳加工誤差對(duì)軸承力的性能分析.文中基于STAR-CCM+軟件，采用多面體網(wǎng)格，結(jié)合SSTk-ω模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)均勻來流條件下具有參數(shù)誤差量的螺旋槳進(jìn)行了軸承力的計(jì)算和分析，初步形成螺旋槳各參數(shù)加工誤差量對(duì)螺旋槳軸承力的影響規(guī)律，以便對(duì)水面艦船及潛艇螺旋槳的加工精度提出更為詳細(xì)的要求和準(zhǔn)則.

1 控制方程與湍流模型

1.1 控制方程

假設(shè)流體是不可壓的，則流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程[3]分別為

1.2 湍流模型的選取

文中選用SSTk-ω模型，該模型又名為“剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-ω模型”.該模型集成了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算效率高和標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型收斂性好的優(yōu)點(diǎn).它在近壁面處選取k-ω模型，在湍流充分發(fā)展區(qū)域調(diào)用k-ε模型，兩者之間的切換通過開關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn).若以φ1、φ2、φ3分別表示k-ε湍流模型、k-ω湍流模型和SST湍流模型，則其函數(shù)關(guān)系[4]可以表示為

以上式中的其他參數(shù)為：β′=0.09；α1=5/9；σω2=0.856.

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

DTMB P4119槳是一種無側(cè)斜無縱傾分布的三葉螺旋槳，被ITTC選為考證數(shù)值方法預(yù)報(bào)精度的標(biāo)準(zhǔn)槳，槳葉直徑為0.304 8 m，轂徑比為0.2，螺距比(0.7R)為1.084，葉剖面是NACA-66(mod)型[5-8].

采用Fortran語(yǔ)言編制程序?qū)⒍S型值表轉(zhuǎn)化為三維型值點(diǎn)，經(jīng)過簡(jiǎn)易處理后導(dǎo)入到solidworks中建立葉切面曲線，通過放樣進(jìn)行螺旋槳實(shí)體建模.建模時(shí)，X軸與槳軸軸線重合并指向下游，Y軸與槳葉參考線重合，由葉根指向葉梢，Z軸符合右手定則，見圖1.

圖1 螺旋槳幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

就一般商業(yè)CFD軟件而言，網(wǎng)格劃分是最為耗時(shí)的環(huán)節(jié)之一，而STAR-CCM+軟件中的網(wǎng)格模塊很好地解決了這一問題.通過預(yù)定參數(shù)的設(shè)置，該軟件在保證質(zhì)量的前提下自動(dòng)劃分好所需網(wǎng)格.為了保證計(jì)算精度和減少網(wǎng)格總數(shù)，在流入和流出方向上使用拉伸體網(wǎng)格.由于這些方向的流動(dòng)通常垂直于網(wǎng)格單元面，所以可接受生成拉伸的網(wǎng)格單元.考慮到螺旋槳外形復(fù)雜，不易劃分結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，文中采用STAR-CCM+特有的多面體網(wǎng)格.考慮到在存在回流的流動(dòng)中，多面體網(wǎng)格的精度甚至超過六面體網(wǎng)格，所以靜止域也采用多面體網(wǎng)格[9]，見圖2.

圖2 網(wǎng)格劃分

螺旋槳流場(chǎng)的計(jì)算域見圖3，整個(gè)計(jì)算域采用圓柱形流場(chǎng)，包括靜止域和旋轉(zhuǎn)域.文中將兩個(gè)區(qū)域的重合面設(shè)置為交界面以實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)信息的過渡.在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用局部加密的方法，在交界面外一定距離建立一個(gè)圓柱塊進(jìn)行局部加密，以充分捕捉流場(chǎng)特征.為了充分捕捉螺旋槳尾部流場(chǎng)，將出口段長(zhǎng)度設(shè)置為入口段長(zhǎng)度的3倍，即計(jì)算域長(zhǎng)度為X∈(-4D,12D),外域直徑為6D(D為螺旋槳直徑).

圖3 計(jì)算域三維圖

2.3 邊界條件

為提高數(shù)值計(jì)算的收斂性，采用定常與非定常相結(jié)合的混合方法.即采用MRF模型進(jìn)行螺旋槳的定常計(jì)算，在螺旋槳定常計(jì)算收斂(600步)后，基于所得初始場(chǎng)，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)，以1.8°/步單機(jī)并行計(jì)算螺旋槳的非定常水動(dòng)力性能.

進(jìn)口邊界設(shè)置為速度入口，在不考慮空泡的情況下設(shè)置好相應(yīng)進(jìn)速；出口邊界設(shè)置為壓力出口，參考?jí)毫υO(shè)置為0；圓柱形流場(chǎng)外域設(shè)置為對(duì)稱面;槳葉表面采用無滑移的壁面，近壁面采用Highy+ Wall Treatment.Highy+ Wall Treatment是STAR-CCM+中的一種壁面函數(shù)，要求y+>30，文中第一層棱柱層厚度設(shè)置為0.6 mm，使y+∈(30,300).

3 數(shù)值預(yù)報(bào)

3.1 數(shù)值計(jì)算方法的校核

進(jìn)速系數(shù)J分別取0.5,0.7,0.833,0.9，螺旋槳設(shè)定轉(zhuǎn)速為30 r/s.圖4為不同進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比.由圖4可知，最大的誤差為4.17%,在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)的推力系數(shù)誤差為2.4%，轉(zhuǎn)矩系數(shù)誤差為1.9%，這足以證明文中的數(shù)值方法可以滿足工程應(yīng)用的要求.

圖4 推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線

3.2 存在參數(shù)加工誤差量螺旋槳的數(shù)值預(yù)報(bào)

從理論上講，螺旋槳只有在周向非均勻流場(chǎng)中才會(huì)產(chǎn)生周期性的激振力.然而，由于螺旋槳在實(shí)際加工過程中存在一定誤差，將使螺旋槳會(huì)在均勻來流下產(chǎn)生一定的激振力.激振力分為表面力和軸承力，其中不定常載荷引起的軸向、垂向、橫向的力和力矩通過軸系傳遞到船體，此類激振力稱為軸承力.而螺旋槳軸承力的研究對(duì)于軸系振動(dòng)以及由此引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲非常重要.

在螺旋槳的實(shí)際加工過程中，各個(gè)槳葉都有可能產(chǎn)生加工誤差.而考慮到文中只是針對(duì)加工誤差對(duì)螺旋槳軸承力影響的初步研究，因此本節(jié)將在設(shè)計(jì)工況下從單槳葉(圖1中1號(hào)槳葉，即圖5)，在X，Y，Z3個(gè)方向的平移及旋轉(zhuǎn)等六個(gè)自由度對(duì)均勻來流條件下螺旋槳的軸承力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)所得計(jì)算軸承力振幅進(jìn)行對(duì)比分析，初步形成螺旋槳參數(shù)誤差量對(duì)螺旋槳軸承力影響的規(guī)律.其中，文中所定義軸承力振幅為軸承力在時(shí)域圖中收斂時(shí)段峰值的絕對(duì)值，以單槳葉沿Y軸旋轉(zhuǎn)2°為例(見圖6～7)，垂向力振幅為102.5 N,垂向力矩振幅為15.8 N·m；橫向力振幅為102.6 N，橫向力矩振幅為15.8 N·m.

圖5 1號(hào)槳葉

圖6 垂向力和垂向力矩時(shí)域圖

圖7 橫向力和橫向力矩時(shí)域圖

3.2.1 槳葉沿各軸方向的平移對(duì)螺旋槳軸承力的影響

圖8～10分別為螺旋槳單槳葉沿X,Y,Z軸平移相應(yīng)加工誤差量對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的軸承力振幅，螺旋槳在3個(gè)自由度方向所平移的距離都設(shè)置為0.5，1.0，1.5，2.0 mm.從宏觀上來看，軸承力振幅隨著距離的增加呈線性增加，垂向力和橫向力的振幅相等，垂向力矩和橫向力矩的振幅相等.通過比較，發(fā)現(xiàn)螺旋槳單槳葉沿Y軸平移產(chǎn)生的軸承力振幅最大，槳葉沿Z軸平移次之，槳葉沿X軸平移產(chǎn)生的軸承力振幅最小.

螺旋槳單槳葉沿X軸平移可對(duì)應(yīng)為槳葉沿軸轂長(zhǎng)度方向的位置偏差，根據(jù)船用螺旋槳的幾何參數(shù)允許偏差要求，S級(jí)螺旋槳的槳葉在軸轂長(zhǎng)度位置的偏差要求為軸轂長(zhǎng)的±0.8%.文中所用螺旋槳直徑為304.8 mm，所對(duì)應(yīng)的軸轂長(zhǎng)一般為直徑0.25倍左右，即誤差要求在±0.61 mm，由圖7可預(yù)測(cè)垂向力的振幅約占推力的0.1%,可見該自由度的誤差量對(duì)螺旋槳的軸承力影響較小，技術(shù)條件的誤差要求也很合理.

因Y軸與螺旋槳參考線重合，螺旋槳單槳葉沿Y軸的平移可對(duì)應(yīng)為螺旋槳直徑的變化.根據(jù)船用技術(shù)金屬螺旋槳技術(shù)條件[6]要求，S級(jí)螺旋槳的半徑R的誤差允許在±0.2%R，即直徑D的誤差允許在±0.2%D.由已知參數(shù)可求得技術(shù)條件所允許直徑誤差0.61 mm，根據(jù)線性插值可推得由此產(chǎn)生的橫向力振幅約為螺旋槳推力的1%，橫向力矩振幅約占螺旋槳轉(zhuǎn)矩的3%.

螺旋槳單槳葉沿Z軸平移可對(duì)應(yīng)為螺旋槳沿軸轂寬度方向的位置偏差，但相關(guān)準(zhǔn)則中沒有此方面的誤差規(guī)定.由圖10可知，螺旋槳單槳葉沿軸轂寬度方向平移1 mm所產(chǎn)生的軸承力振幅是單槳葉沿軸轂長(zhǎng)度方向平移的4倍左右，因而建議將該槳葉沿軸轂寬度方向的誤差要求加入相關(guān)技術(shù)條件中.

圖8 槳葉沿X軸平移

圖9 槳葉沿Y軸平移

圖10 槳葉沿Z軸平移

3.2.2 槳葉沿各軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)螺旋槳軸承力的影響

圖11～13分別是螺旋槳單槳葉沿XYZ軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軸承力振幅.螺旋槳在3個(gè)自由度方向所旋轉(zhuǎn)的角度分別設(shè)定為0.5°、1.0°、1.5°、2.0°，從整體上來看，螺旋槳軸承力的振幅也隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加呈線性增長(zhǎng)，垂向力和橫向力的振幅相等，垂向力矩和橫向力矩的振幅相等.從圖11～13的對(duì)比來看，螺旋槳單槳葉沿Y軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軸承力最大，而沿Z軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軸承力次之，單槳葉沿X軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸承力很小.

圖11 槳葉沿X軸旋轉(zhuǎn)

圖12 槳葉沿Y軸旋轉(zhuǎn)

圖13 槳葉沿Z軸旋轉(zhuǎn)

螺旋槳單槳葉沿X軸旋轉(zhuǎn)可對(duì)應(yīng)為螺旋槳的側(cè)斜，由圖11可知，該自由度方向的誤差對(duì)螺旋槳的軸承力影響較小.

螺旋槳單槳葉沿Y軸旋轉(zhuǎn)可對(duì)應(yīng)為螺旋槳的螺距，由圖12可知，槳葉沿Y軸旋轉(zhuǎn)1°所產(chǎn)生的橫向力振幅約為螺旋槳推力的4.3%，橫向力矩振幅約為螺旋槳轉(zhuǎn)矩的11.1%.

螺旋槳單槳葉沿Z軸旋轉(zhuǎn)改變了螺旋槳的直徑和縱傾，結(jié)合圖9和圖13來看，螺旋槳的直徑對(duì)螺旋槳軸承力的影響較大，而螺旋槳的縱傾對(duì)螺旋槳的軸承力影響較小.

3.3 槳葉沿6個(gè)自由度方向的誤差量對(duì)推力、轉(zhuǎn)矩的影響

在均勻來流條件下，螺旋槳參數(shù)誤差量只會(huì)在垂向和橫向引起軸承力，而在軸向沒有軸承力產(chǎn)生，但是會(huì)改變螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩大小，表1～4為螺旋槳單槳葉在6個(gè)自由度方向產(chǎn)生參數(shù)加工誤差量后所得到的推力和轉(zhuǎn)矩.

表1 槳葉沿坐標(biāo)軸平移后的推力

表2 槳葉沿坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)后的推力

表4 槳葉沿坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)矩

由表所知，螺旋槳單槳葉沿X軸平移和旋轉(zhuǎn)所得到的推力和轉(zhuǎn)矩沒有發(fā)生變化，主要是因?yàn)槁菪龢谋P面積以及水流入射角并沒有發(fā)生改變.槳葉沿Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩也隨之增長(zhǎng)，這主要是因?yàn)闃~的螺距在變大，攻角也隨之變大，從而使推力和轉(zhuǎn)矩增大.而槳葉沿Y軸平移(沿負(fù)方向)時(shí)，螺旋槳的直徑減小，螺旋槳受力面積減小，所以螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩隨著平移距離的增加而減小.當(dāng)槳葉沿Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，推力和轉(zhuǎn)矩也隨之增長(zhǎng)，這說明此時(shí)縱斜的增加使推力和轉(zhuǎn)矩增大.而當(dāng)槳葉沿Z軸平移時(shí)，推力和轉(zhuǎn)矩的遞減說明測(cè)斜的增加使推力和轉(zhuǎn)矩減小.

3 結(jié) 論

1) 鑒于螺旋槳復(fù)雜的幾何形狀以及多面體網(wǎng)格在計(jì)算回流工況時(shí)的優(yōu)勢(shì)，文中采用多面體網(wǎng)格對(duì)螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，證明了文中數(shù)值方法的合理性.

2) 螺旋槳單槳葉在直徑、螺距方向的誤差量對(duì)螺旋槳的軸承力影響較大，槳葉沿軸轂長(zhǎng)度方向的誤差量對(duì)螺旋槳的性能影響比較小.

3) 建議螺旋槳相關(guān)技術(shù)條件加入槳葉沿軸轂寬度方向的誤差要求.

4) 螺旋槳的參數(shù)誤差量在軸向沒有產(chǎn)生軸承力，但部分參數(shù)誤差量對(duì)螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩大小產(chǎn)生影響.

5) 隨著研究的進(jìn)展，將在非均勻條件對(duì)具有參數(shù)誤差量螺旋槳的軸承力進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)，以期對(duì)水面艦船及潛艇螺旋槳的加工精度提出更為詳細(xì)的要求和準(zhǔn)則.

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The Preliminary Study of the Influences of Mismachining Tolerance on the Bearing Force of Propeller

YU Anbin1)YE Jinming1)DING Jiangming2)

(NavalEngineeringDepartment,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

In order to study the bearing force caused by the mismachining tolerance of propeller, DTMB4119 propeller is computed by changing the mismachining tolerance of propeller in six degrees of freedom artificially. The calculations and analysis of bearing force are performed to study the effects of various parameters of mismachining tolerance on the propeller in open water in order to form preliminary rule by which various parameters of mismachining tolerance influence the bearing force of propeller. The results show that the bearing force of propeller has a linearly increasing trend with the increase of the mismachining tolerance in open water. However, the mismachining tolerance of blade will not induce bearing force in the axial direction. Meanwhile, the mismachining tolerances in the direction of diameter and screw pitch have a large influence on the bearing force of propeller while the mismachining tolerance in direction of boss length has a small influence on the bearing force of propeller.

propeller; mismachining tolerance; open water; bearing force

2016-07-01

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51579243)

U661.1 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.027

于安斌(1993- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榕灤黧w力學(xué)