Kappel螺旋槳變參數(shù)水動(dòng)力性能研究

秦耀明，賴海清，嚴(yán) 姬，李明敏

(廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510250)

0 引 言

隨著EEDI（能效設(shè)計(jì)指標(biāo)）的引入，人們對(duì)提高船舶運(yùn)行能效的措施越來(lái)越感興趣。目前船舶節(jié)能主要措施之一就是開(kāi)展高效的推進(jìn)器研究，Kappel螺旋槳的出現(xiàn)意味著優(yōu)異的推進(jìn)效率，對(duì)于重點(diǎn)考慮較高的能效等級(jí)和最小的環(huán)境影響的高端船舶來(lái)說(shuō)，Kappel螺旋槳是理想之選[1]。傳統(tǒng)螺旋槳的葉片幾何是在螺旋面上，而Kappel螺旋槳葉片幾何則是非平面的。如圖1所示，其葉片有一個(gè)擴(kuò)展的葉尖，平滑地彎曲到葉片的吸力側(cè)[2]，可明顯增加螺旋槳有效展弦比，即增加螺旋槳有效直徑，因此可以增加螺旋槳效率。

賴海清等[3]利用Matlab和Solidworks工具，提出了一種快速、參數(shù)化生成Kappel螺旋槳三維模型的方法。宋晗[4]將Kappel螺旋槳與傳統(tǒng)螺旋槳噪聲進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Kappel螺旋槳在空泡性能方面要比傳統(tǒng)螺旋槳稍低,在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)將螺距與拱弧結(jié)合在一起考慮以改善它的空泡性能。王睿等[5]在空泡水筒中對(duì)設(shè)計(jì)的Kappel螺旋槳與傳統(tǒng)螺旋槳進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試了兩者的空泡性能以及脈動(dòng)壓力，同時(shí)對(duì)該螺旋槳的螺距和拱度變化進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)這種性能優(yōu)異的螺旋槳進(jìn)行更深入的研究。

1 初始螺旋槳對(duì)比

為了與Kappel螺旋槳進(jìn)行對(duì)比，依靠OpenProp單個(gè)螺旋槳設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)了一傳統(tǒng)螺旋槳，編號(hào)為Kap00，其參數(shù)尺寸如圖2所示。其截面翼型采用的厚度分布是NACA65010和NACAa=0.8的拱度分布，其中c/D表示各截面處弦長(zhǎng)直徑比，t0/D為最大厚度直徑比，Skew為螺旋槳側(cè)斜角，以角度計(jì)，Xs/D表示縱傾度與直徑比值。

圖 1 普通螺旋槳（左）與Kappel螺旋槳（右）Fig. 1 Ordinary propeller (left) and Kappel propeller (right)

圖 2 Kap00尺寸參數(shù)軟件截圖Fig. 2 Screenshot of Kap00 dimension parameter software

需要注意到的是，Kap00并沒(méi)有任何縱傾，而Kappel螺旋槳的主要特征槳葉在0.875R以上有明顯縱傾，梢部向前彎曲呈圓弧狀。為此，以Kap00為原型，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)得到Kap01螺旋槳，圖3為此螺旋槳的縱傾分布對(duì)比，圖4為兩螺旋槳三維模型。

圖 3 Kap00與Kap01 縱傾分布Fig. 3 Longitudinal distribution of Kap00 and Kap01

2 Kappel螺旋槳CFD分析

圖 4 Kap00（左）與Kap01螺旋槳（右）三維模型Fig. 4 Three-dimensional models of Kap00 (left) and Kap01 propellers (right)

計(jì)算域采用圓柱形的流場(chǎng)域，分為內(nèi)外流場(chǎng)。內(nèi)流場(chǎng)為轉(zhuǎn)子區(qū)域，直徑為1.5D，長(zhǎng)度取1D，螺旋槳槳盤位置處于該靜止流場(chǎng)的中心，采用MRF（Multiple Reference Frame）模型；外流場(chǎng)為靜止流場(chǎng)，直徑取5D，其中來(lái)流流場(chǎng)取4D，尾流長(zhǎng)度為6D。網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格形式，針對(duì)改進(jìn)后的螺旋槳，由于葉梢處曲面比較復(fù)雜，為了準(zhǔn)確捕捉到其附近的流場(chǎng)信息，對(duì)葉梢處采用體網(wǎng)格加密形式，而遠(yuǎn)離螺旋槳處則將網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放大，最終生成的網(wǎng)格個(gè)數(shù)為1210030，如圖5所示。

圖 5 計(jì)算域及網(wǎng)格模型Fig. 5 Calculation domain and grid model

在螺旋槳轉(zhuǎn)速一定的情況下，通過(guò)改變來(lái)流速度V，獲得不同進(jìn)速系數(shù)J=0.2～0.7范圍內(nèi)的Kap01螺旋槳的推力系數(shù)，扭矩系數(shù)以及效率，并與原型槳Kap00進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制如表1所示。

可以看出，在設(shè)計(jì)航速J=0.5下，Kap00推力系數(shù)為0.1418，改進(jìn)后的Kap01螺旋槳在設(shè)計(jì)點(diǎn)推力系數(shù)為0.1612，整體來(lái)看，Kappel螺旋槳在推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都較原型槳增大，且變化量都隨著進(jìn)速系數(shù)的增大而不斷增大，在J=0.7時(shí)達(dá)到最大增幅，分別是38.9%和33.04%。從螺旋槳設(shè)計(jì)理論上看，螺旋槳盤面比變化與縱傾的變化是息息相關(guān)的，增大了螺旋槳縱傾會(huì)使螺旋槳的盤面比增大，故推力和扭矩的增加是理所當(dāng)然的。效率方面，Kap01螺旋槳較原型槳并沒(méi)有較大增幅，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，螺旋槳敞水效率增大1.26%。J=0.2時(shí)，還出現(xiàn)了效率降低的現(xiàn)象。為了更深層次的探討以上各種變化量產(chǎn)生的原因，接下來(lái)將對(duì)螺旋槳的壓力特性進(jìn)行分析。

表 1 Kap00與Kap01 水動(dòng)力性能Tab. 1 Hydrodynamic properties of Kap00 and Kap01

圖6為在進(jìn)速系數(shù)J=0.5時(shí)，2種螺旋槳在r/R=0.9葉切面的弦向壓力分布圖，其中x/L=0為導(dǎo)邊，x/L=1為隨邊?？梢郧逦闯?，葉面壓力大于葉背壓力，且在同樣的葉切面處，Kap01螺旋槳的葉面葉背壓力差均值大于Kap00，這也就解釋了為什么Kap01螺旋槳推力大于常規(guī)Kap00螺旋槳。

圖 6 J=0.5 r=0.9R 葉切面壓力分布Fig. 6 J= 0.5r = 0.9 r pressure distribution on blade section

可以得知，葉梢具有明顯縱傾的Kap01螺旋槳確實(shí)能夠有效增加推進(jìn)效率約1.3%，通過(guò)增大螺旋槳有效展弦比，增加了螺旋槳的有效直徑，從而產(chǎn)生了更大了推力。但是，還能不能進(jìn)一步提高Kappel螺旋槳的效率，各參數(shù)對(duì)螺旋槳性能是如何影響的？為此，本文選擇了對(duì)螺旋槳葉的縱傾、側(cè)斜和弦長(zhǎng)分布展開(kāi)探討。

3 Kappel螺旋槳變參數(shù)分析

以Kap01為基礎(chǔ)，對(duì)其弦長(zhǎng)分布和縱傾側(cè)斜進(jìn)行調(diào)整，得到Kap02和Kap03。參數(shù)調(diào)整分別如圖7～圖9所示，Kap03較Kap01相比，在0.6R以上進(jìn)行了縱傾調(diào)整，且增大了葉梢最頂端的縱傾角，同時(shí)為了使盤面比不至于發(fā)生太大改變，對(duì)側(cè)斜進(jìn)行了微調(diào)。Kap02則是在Kap03的基礎(chǔ)上，增加了在槳葉徑向中部處弦長(zhǎng)直徑比，其他參數(shù)則完全相同。

圖 7 縱傾調(diào)整Fig. 7 Trim adjustment

圖 8 側(cè)斜調(diào)整Fig. 8 Skew adjustment

圖 9 弦長(zhǎng)調(diào)整Fig. 9 Chord length adjustment

圖10 為CFD在同等計(jì)算條件下的螺旋槳敞水性能曲線。結(jié)果表明，在調(diào)整了縱傾參數(shù)后，Kap03與Kap01相比，推力系數(shù)增加了5.1%，扭矩系數(shù)增大了3.9%，最終效率增加了2%。Kap02較Kap01，推力系數(shù)減小了1.2%，扭矩減小約1%，效率降低了1%。圖11為三槳在0.95R處的葉截面壓力分布圖，比較而言，推力系數(shù)的改變與葉截面上的壓差變化是相契合的。對(duì)Kap02來(lái)說(shuō)，增大的弦長(zhǎng)直徑比，直接增加了槳葉的浸水面積，導(dǎo)致與水的摩擦損失也相應(yīng)增大，因此效率也受到影響。

綜上所述，在不改變其他參數(shù)的情況下，只有合理分布Kappel螺旋槳的弦長(zhǎng)分布才能得到較高效率的推進(jìn)器。同時(shí)，恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整縱傾與側(cè)斜，可以改變?nèi)~梢的壓力分布，從而得到較高效率的螺旋槳。

圖 10 Kappel螺旋槳水動(dòng)力曲線Fig. 10 Hydrodynamic curve of Kappel propeller

圖 11 J=0.5 r=0.97R 葉切面壓力分布Fig. 11 J= 0.5r = 0.97r blade section pressure distribution

4 結(jié) 語(yǔ)

新型Kappel螺旋槳的出現(xiàn)無(wú)疑對(duì)造船業(yè)的節(jié)能減排起到了極大的推進(jìn)的作用。本文預(yù)報(bào)了Kappel螺旋槳的敞水性能，并探索了側(cè)斜、縱傾及弦長(zhǎng)分布對(duì)其水動(dòng)力性能的影響，通過(guò)分析比較，得到以下結(jié)論：

1）Kappel螺旋槳通過(guò)對(duì)葉梢的改進(jìn)，確實(shí)能夠增大螺旋槳的有效直徑，在對(duì)槳徑有限制的船舶上，其優(yōu)勢(shì)顯著。

2）葉梢有載螺旋槳能夠有效阻止葉梢處壓力的相互干擾，維持整個(gè)槳葉有較大的壓力差，從而改善螺旋槳的推力性能，能夠提高螺旋槳效率4%左右。

3）螺旋槳的弦長(zhǎng)和側(cè)斜對(duì)葉梢有載螺旋槳會(huì)產(chǎn)生較大影響，通過(guò)縱傾和弦長(zhǎng)的配合，可以改善槳葉的壓力分布，有助于抑制梢渦空泡的發(fā)生。