張宗科

(七○八研究所 上海 200011)

導(dǎo)管空氣螺旋性能計(jì)算與繪圖的一體化實(shí)現(xiàn)*

張宗科

(七○八研究所 上海 200011)

導(dǎo)管空氣螺旋槳;LISP;CATIA;二次開(kāi)發(fā)

在Excel中編程實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管空氣螺旋槳的性能計(jì)算,使得計(jì)算過(guò)程更加直觀可視,并將計(jì)算結(jié)果較快轉(zhuǎn)化形成導(dǎo)管槳性能計(jì)算書(shū)中的表格形式。在AutoCAD中編制了LISP程序,利用Excel中生成的剖面型值,較為方便的繪制槳葉圖,并自動(dòng)加密剖面輪廓線控制點(diǎn)以形成CATIA中建模所需數(shù)據(jù)文件。在CATIA中通過(guò)二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了槳葉三維模型的自動(dòng)繪制,該模型不僅可用于整艇的三維建模,亦可用作CFD計(jì)算的輸入模型。對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)的氣墊船導(dǎo)管空氣螺旋槳進(jìn)行匯總,形成了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

0 引 言

全墊升氣墊船在墊態(tài)航行時(shí),艇基本懸浮在運(yùn)行表面上。因此,其推進(jìn)方式一般采用空氣螺旋槳,為減小槳的直徑及降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪音,大多使用導(dǎo)管來(lái)提高推力。為在不同的航速下,均能獲得較高推進(jìn)效率以及提高操縱性,又采用可變距方式。七○八研究所從事氣墊船研究已有40多年,共設(shè)計(jì)了30多型氣墊船,建造百余條,使用的導(dǎo)管空氣螺旋槳翼型主要為NACA-16 Series[1]與西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的NPU翼型[2]。

1 推力性能計(jì)算

在性能計(jì)算中,基于葉素理論與升力線理論,沿槳半徑方向進(jìn)行典型剖面升力/阻力分量的積分來(lái)獲得導(dǎo)管槳的計(jì)算推力與所吸收的功率。參照美國(guó)空氣螺旋槳設(shè)計(jì)手冊(cè),NACA-16 Series槳的性能計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖1。

可以發(fā)現(xiàn),圖1中計(jì)算表格為一迭代計(jì)算過(guò)程,其中有些參數(shù)需查圖表曲線獲取,本文對(duì)這些圖表曲線進(jìn)行了數(shù)字化處理以方便使用(參見(jiàn)圖3),并編制了MATLAB程序進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖1 NACA-16 Series槳性能計(jì)算表

圖2 螺旋槳性能計(jì)算書(shū)中的表格

圖3 NACA-16 Series翼型槳性能計(jì)算參數(shù)曲線

螺旋槳初始推力可參照英協(xié)法的經(jīng)驗(yàn)公式加以估算,根據(jù)導(dǎo)管的翼型以及槳在導(dǎo)管中的安裝位置,換算出槳的推力作為初始迭代值;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或母型船相關(guān)數(shù)據(jù),給定設(shè)計(jì)所需要的初始參數(shù),包括沿徑向不同位置處的典型剖面的t′(無(wú)因次厚度t/b)、φi(槳葉初始安裝角)與CLi(翼型升力系數(shù))。

為使計(jì)算更加直觀,編制VBA程序?qū)崿F(xiàn)了Excel表格計(jì)算,僅需調(diào)節(jié)槳葉假定初始推力Tp0與槳葉安裝角調(diào)節(jié)量Δφ,其余計(jì)算可一鍵自動(dòng)完成。對(duì)計(jì)算中的一些中間值可即時(shí)進(jìn)行查看,判斷合理與否,從而部分實(shí)現(xiàn)了計(jì)算過(guò)程的可視化。并可方便將計(jì)算表格輸出到導(dǎo)管槳計(jì)算書(shū)的Word文件內(nèi)(見(jiàn)圖2)。

2 槳葉圖的繪制

在Excel中編程實(shí)現(xiàn)槳葉剖面翼型參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算,并形成剖面翼型數(shù)據(jù)文件。用AutoCAD中編制的LISP程序自動(dòng)繪制出各剖面的形狀,進(jìn)而繪制出槳葉圖。其中表格翼型參數(shù)表中的數(shù)值通過(guò)LISP程序用數(shù)據(jù)文件中的數(shù)值自動(dòng)加以替代。

繪制NACA-16 Series翼型槳葉剖面輪廓時(shí),先繪制導(dǎo)邊圓與隨邊圓,再由型值點(diǎn)的首端點(diǎn)向?qū)н厛A作兩條切線,依據(jù)此切線對(duì)導(dǎo)邊圓作剪切,導(dǎo)邊圓剩余部分圓弧與型值點(diǎn)連接成polyline曲線。對(duì)隨邊圓作同樣處理,可得到整條輪廓曲線。將其繞剖面形心旋轉(zhuǎn)φi角度,繪制輪廓曲線的包絡(luò)框(BoundingBox),可得到其在旋轉(zhuǎn)槳平面內(nèi)相應(yīng)的投影邊界控制點(diǎn)(參見(jiàn)圖4a),不同剖面處的投影邊界控制點(diǎn)連接而成槳葉投影圖(參見(jiàn)圖4b)。而且,從槳葉圖中投影輪廓線的光順程度可反映原先初步設(shè)定的槳葉初始安裝角φi值是否合適。

圖4

3 CATIA中槳葉三維立體圖的繪制

CATIA是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司(Dassault Systemes)的CAD/CAE/CAM一體化軟件,在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。CATIA內(nèi)嵌了VBA等二次開(kāi)發(fā)工具,便于用戶按照實(shí)際工作需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[3]。需要對(duì)NACA-16 Series翼型槳葉每個(gè)剖面的輪廓曲線的控制點(diǎn)進(jìn)行加密,這樣在CATIA中用Spline來(lái)表示翼型剖面時(shí)才不會(huì)變形走樣[4,5]。用Vsiual LISP中的vlax-curve-get-ParamAtPoint與vlax-curve-getPointAtParam函數(shù)編程來(lái)對(duì)輪廓線加密控制點(diǎn),并將控制點(diǎn)的坐標(biāo)輸出到數(shù)據(jù)文件內(nèi)。

由于接近旋轉(zhuǎn)軸,槳葉翼面與槳根之間過(guò)渡一般不考慮氣動(dòng)性能,而是要求光順過(guò)渡并兼顧強(qiáng)度方面的要求。可采用圖5中所示的方式來(lái)繪制過(guò)渡曲面。即先確定槳葉翼面與槳根端面圓過(guò)渡面導(dǎo)引線,再由CATIA中的多截面放樣(Loft)形成過(guò)渡曲面。

圖5 NACA-16 Series翼型槳葉與槳根過(guò)渡面

CATIA中繪制的典型三維槳葉見(jiàn)圖6,包括直徑1.3m、1.8 m、2.0 m、2.8 m、3.2 m的NACA-16 Series翼型槳與直徑1.5 m、2.0 m的NPU翼型槳。

圖6 CATIA中繪制的NACA-16Series翼型與NPU翼型槳葉模型

圖7為1.81m NACA-16 Series翼型導(dǎo)管槳組合模型。有了導(dǎo)管槳的三維模型,即可方便轉(zhuǎn)化為CFD計(jì)算所需的輸入模型,減少CFD計(jì)算準(zhǔn)備的工作量。美國(guó)CDIM-SDD公司(原Band,Lavis＆Associations)為芬蘭海軍設(shè)計(jì)的T-2000Combat ACV時(shí),利用CFD軟件對(duì)包含槳前船體在內(nèi)的導(dǎo)管槳進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得出其最佳槳葉數(shù)為6葉、槳后整流支架葉片數(shù)為7片[6,7],相應(yīng)計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

圖7 CATIA中繪制的導(dǎo)管槳模型

圖8 帶槳前船體的導(dǎo)管槳CFD計(jì)算模型[7]

4 形成導(dǎo)管槳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)

在船舶設(shè)計(jì)中,已有船的數(shù)據(jù)是寶貴的參考資料。對(duì)目前有資料可查的20多例氣墊船用空氣螺旋槳進(jìn)行了匯總,形成導(dǎo)管槳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣可以方便借鑒以前設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn),從而減少設(shè)計(jì)工作量。導(dǎo)管槳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:船名、翼型、槳直徑(m)、槳葉數(shù)、轉(zhuǎn)速(rpm)、功率(kW)、剖面參數(shù)、型值表、槳葉圖、性能計(jì)算書(shū)、三維模型圖、導(dǎo)管線型圖。以上形成一張Excel表格,見(jiàn)圖9。對(duì)于不能直接在Excel中加以表述的部分,則通過(guò)HyperLink方式加以鏈接融合。

圖9 導(dǎo)管槳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)七○八研究所設(shè)計(jì)過(guò)的氣墊船用空氣螺旋槳進(jìn)行了匯總,形成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。將NACA-16 Series翼型空氣螺旋槳計(jì)算所需的曲線圖表作了數(shù)字化處理,實(shí)現(xiàn)了Excel中性能計(jì)算的自動(dòng)化,并可方便轉(zhuǎn)化為計(jì)算書(shū)中的Word表格形式。AutoCAD中編制的LISP程序可自動(dòng)繪制沿槳葉徑向不同位置處的剖面輪廓,進(jìn)而形成整個(gè)槳葉圖。在CATIA中開(kāi)發(fā)的VBA程序可自動(dòng)繪制各剖面的形狀,經(jīng)多截面放樣繪出槳葉三維模型,可以方便地轉(zhuǎn)化為導(dǎo)管槳CFD計(jì)算的輸入模型。利用CFD軟件對(duì)包含氣墊船船體在內(nèi)的導(dǎo)管槳性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),導(dǎo)管內(nèi)壁與槳尖之間的最優(yōu)間隙以及導(dǎo)管內(nèi)壁動(dòng)載荷的計(jì)算確定,將是下一步工作的重點(diǎn)。

[1] ANC-9Bulletin Aircraft Propeller Handbook[M].1955.

[2] 喬志德等.函道螺旋槳翼型與函道螺旋槳設(shè)計(jì)報(bào)告[R].西北工業(yè)大學(xué).1992.

[3] 胡挺,吳立軍.CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].電子工業(yè)出版社.2006.

[4] 胡添元,余雄慶.基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的飛翼外形參數(shù)化建模[J].飛機(jī)設(shè)計(jì).2007,Vol.27No.6:10～13.

[5] 尤春風(fēng)等.CATIA V5曲面造型[M].清華大學(xué)出版社.2002.

[6] J.A.Allison,B.G.Forstell,D.R.Lavis,et al.The Influence of New Technology on the Design and Manufacture of High Speed Craft with Special Reference to Recent Monohulls,Multihulls,Air Cushion Vehicles and Surface Effect Ships[C].High Speed Craft:Design＆Operation,RINA,2004:1～19.

[7] D.R.Lavis and B.G.Forstell Air Cushion Vehicle(ACV)Developments In the U.S.FAST2005[C],Russia,2005.

Integration of performance calculation and drawing for air-ducted propeller

Zhang Zongke

air-ducted propeller;LISP;CATIA;secondary development

This paper implements the performance calculation for air-ducted propeller by Excel program,which makes the calculation process more directly visible,and makes the results more quickly to the sheet in performance calculation report.Then,it makes LISP program in Auto CAD to conveniently work out the blade drawing based on section offsets from Excel,and automatically encrypt the control points of section outline to get the data for CATIA modeling.It also implements the automatically drawing of blade 3-D model through CATIA secondary development.This model can not only applied for overall 3-D modeling for the ship,but also for input model in CFD calculation.At last,the designed air-ducted propellers have been summarized as a design database.

U 662.9

A

1001-9855(2010)02-0049-05

2009-12-21

張宗科(1973.11-),男,漢族,山東人,工程師,主要從事船舶設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)工作。