（海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033）

0 引 言

定距槳在設計條件下運行時，可充分利用主機功率達到預期航速，螺旋槳本身效率亦為最佳，但在非設計工況下則不能充分發(fā)揮主機功率．調(diào)距槳借助槳轂中的調(diào)距機構改變槳葉螺距，在非設計工況下仍能充分吸收主機功率，具有較高的效率，并且在不改變軸的旋轉(zhuǎn)方向的情況下也能產(chǎn)生向后的推力．因此，調(diào)距槳已被廣泛應用于多工況運行、操縱和停船性能要求較高的船舶．

李方川等［1］通過與定距槳的對比分析，歸納了調(diào)距槳的結構組成、動作原理及基本工作特性．胡健等［2］利用面元法分析調(diào)距槳的水動力性能，并給出了水動力性能隨螺距變化的規(guī)律．吳東興［3］、高鍵［4］、閆仁武［5］、劉麗飛［6］等對調(diào)距槳的控制系統(tǒng)進行了研究，上海交通大學開發(fā)了JDC調(diào)距槳系列，開展了相關的理論研究工作［7－8］．

文中以某槳的初始設計結果（見表1）為基礎，研究幾何參數(shù)對調(diào)距槳水動力和空泡性能的影響．槳的直徑5．69m，轉(zhuǎn)速160r／min，轂徑比0．28，設計進速系數(shù)為0．966，各方案的性能對比均在設計工況下進行．選用NACA葉切面，利用升力面理論設計螺距分布和拱弧面形狀，設計方案的性能通過面元法進行預報校核，揭示了幾何參數(shù)對調(diào)距槳水動力性能的影響規(guī)律．

表1 某槳初步設計結果

1 數(shù)學方法

采用面元法預報各調(diào)距槳方案的性能，進而研究幾何參數(shù)的影響，對方案進行改進設計時采用升力面理論．升力面設計螺旋槳是在給定的弦長、厚度、側斜、縱傾和環(huán)量徑向分布的情況下，設計槳葉拱弧面和徑向螺距分布．環(huán)量的徑向分布由升力線部分設計得到，弦向分布采用NACA a＝0．8拱弧線環(huán)量分布．在假定的拱弧面上沿徑向和弦向劃分若干四邊形網(wǎng)格，在每一網(wǎng)格的1／4弦長處布置展向渦及線源，弦向渦布置在展向渦端點的弦向連線上，控制點取在渦格的形心．由槳葉拱弧面上布置附著渦系及尾渦來模擬其升力效應，槳葉厚度的影響則由已知強度的源匯分布來模擬［9］．

調(diào)距槳通常具有較大的槳轂，采用理論方法預報其性能時，不能忽略槳轂的存在．面元法預報設計方案性能時考慮槳轂影響，控制點取在1號葉片及其連帶的轂表面（總稱1號物面）上，在其上滿足物面邊界條件，求解方程可離散如下：

式中：φi為1號物面上的i號控制點的速度勢（i為控制點編號，i＝1，2，…，N）；pi為控制點坐標；qjk為k號物面上j號場點的坐標；Z為葉數(shù)．

槳葉轉(zhuǎn)角時的轉(zhuǎn)葉力矩的大小是調(diào)距槳較為重要的水動力性能指標，文中以水動力轉(zhuǎn)葉力矩系數(shù)KSH表征其大小．KSH、推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ的定義如下：

式中：ρ為流體密度；D為螺旋槳直徑；n為轉(zhuǎn)速；QSH為水動力轉(zhuǎn)葉力矩；T為推力；Q為轉(zhuǎn)矩．

2 結果與分析

2.1 側斜分布對性能的影響

在表1所列的設計結果基礎上，選取如圖1所示的7種側斜分布，采用面元法分別研究其對性能的影響．圖2～3給出了側斜對推力和效率的影響，圖中系列2是表1所列槳的性能值．可以發(fā)現(xiàn)，加入側斜后推力普遍增加（側斜較大的方案3除外），由于尚需考慮轉(zhuǎn)矩的影響，效率則不盡相同．計及側斜本身引起的縱傾后，螺旋槳的推力和效率均有所提高，并且均高于無側斜和縱傾時設計結果．

圖1 側斜分布

圖2 側斜對推力的影響

圖3 側斜對效率的影響

以上的比較是在無縱傾和側斜基礎上引入側斜之后的螺旋槳性能變化情況，在確保產(chǎn)生足夠推力前提下，各螺旋槳設計方案均有改進空間．將加入的側斜及其引起的縱傾作為輸入條件，采用升力面理論進行重新設計，并利用面元法預報其性能，改進后各設計方案的效率見圖4，側斜較大的分布3效果較差而未進行改進．從圖中可以看出，側斜較小的方案4，6，7效率相對較低，而相對較為適中的側斜分布1，2，5則具有較好的敞水性能．圖5是各側斜分布對轉(zhuǎn)葉力矩的影響，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，曲線變化較為平穩(wěn)，不同的側斜分布對轉(zhuǎn)葉力矩的影響較?。畧D6給出了各側斜分布對定?？张菪阅艿挠绊懬闆r，可以看出發(fā)生空泡的面元區(qū)域變化不大．究其原因則是，弦長分布未發(fā)生變化，各葉切面的壓力差基本不變，空泡發(fā)生的可能性趨同．上述分析表明，如果側斜選擇合理，螺旋槳的效率將有所提升，并且不會對空泡性能產(chǎn)生太大影響．

2.2 縱傾的影響

以側斜分布2的優(yōu)化設計結果為基礎，選取如圖7所示的5種不同的縱傾分布，采用面元法預報設計方案的性能．縱傾對效率和推力的影響如圖8～9所示，圖中系列2為側斜分布2優(yōu)化設計結果的性能值．可以看出縱傾的變化對效率的影響不大，部分方案在設計工況未能產(chǎn)生足夠推力，因而縱傾和側斜的配合須適當，方能實現(xiàn)推力需求和效率的最大化．圖10～11所揭示的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，縱傾對空泡性能的影響較小，而轉(zhuǎn)葉力矩隨縱傾的變化較為明顯．

圖4 側斜對效率的影響

圖5 側斜對轉(zhuǎn)葉力矩的影響

圖6 側斜分布對空泡性能的影響

圖7 縱傾分布

圖8 縱傾對效率的影響

圖9 縱傾對推力的影響

圖10 縱傾分布對空泡性能的影響

盤面比的大小取決于弦長分布，本節(jié)以縱傾方案3的優(yōu)化設計結果為參考，通過調(diào)整弦長分

2.3 盤面比的影響

布設置一組盤面比（0．899 8，0．858 9，0．777 1，0．736 2）并研究其對性能的影響．各盤面比對推力和效率的影響見圖12～13，圖中系列2為縱傾方案3的值．從圖中可以得出一個基本趨勢，即與基準方案比較，盤面比增大時推力增加效率降低，而盤面比減小時推力減小效率增加．從圖14可以看出，盤面比的增加對空泡性能有利．盤面比減小時，由于葉切面壓差力增大，發(fā)生空泡的機會增加，同理可解釋盤面比增加的情況．從圖15可以看出，轉(zhuǎn)葉力矩一般隨著盤面比的增加而增大，盤面比增加到一定程度后轉(zhuǎn)葉力矩反而有減小的趨勢，但過大的盤面比將影響槳葉的轉(zhuǎn)動．

圖11 縱傾對轉(zhuǎn)葉力矩的影響

圖12 盤面比對推力的影響

圖13 盤面比對效率的影響

圖14 盤面比對空泡性能的影響

3 結束語

采用面元法預報各調(diào)距槳方案的水動力和空泡性能，研究幾何參數(shù)的影響，采用升力面理論對方案進行改進設計．研究表明：其他參數(shù)已定的情況下，側斜的變化對水動力和空泡性能的影響并不顯著，但側斜過大或過小都將對性能產(chǎn)生不利的影響；縱傾的變化對效率和空泡影響不大，而對轉(zhuǎn)葉力矩的影響較大，且縱傾與側斜必須與側斜配合適當，否則效率和轉(zhuǎn)葉力矩都會不如預期；盤面比對推力和效率的影響可得出一個基本趨勢，即與基準方案比較，盤面比增加時推力增加效率降低，盤面比減小時推力減小效率增加；盤面比對空泡和轉(zhuǎn)葉力矩的影響較為顯著，盤面比減小時葉切面壓差力增大，發(fā)生空泡的區(qū)域隨之增大；盤面比較小時，葉根處易于發(fā)生空泡，但是如若盤面比過大會導致槳葉寬度增大從而不利于槳葉轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)葉力矩一般隨著盤面比的增大而增大，但盤面比增大到一定程度后轉(zhuǎn)葉力矩反而下降．

圖15 盤面比對轉(zhuǎn)葉力矩的影響

［1］李方川，王 鵬，劉 飛．可調(diào)螺距螺旋槳的特性分析［J］．中國水運，2008，8（1）：57－58．

［2］胡 健，黃 勝，王培生，等．可調(diào)螺距螺旋槳水動力性能分析［J］．船舶工程，2007，29（6）：41－45．

［3］吳東興，李 眾，李 彥．可調(diào)螺距螺旋槳船舶航速模糊控制系統(tǒng)［J］．華東船舶工業(yè)學院學報：自然科學版，2001，15（3）：25－28．

［4］高 鍵，李 眾，王建華，等．可調(diào)螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)［J］．船舶工程，2000（1）：32－34．

［5］閆仁武，虞平良．可變螺距螺旋槳的一種機槳聯(lián)合優(yōu)化控制方法［J］．華東船舶工業(yè)學院學報，1997，11（2）：8－14．

［6］劉麗飛，衛(wèi)建兵，胡 哲．某船可調(diào)螺距螺旋槳推進裝置應急系統(tǒng)改進［J］．船海工程，2009，38（2）：12－15．

［7］楊晨俊，王國強，玉島正裕．提高調(diào)距槳水動力性能預估精度的一個途徑：計及槳轂的影響［J］．中國造船，1992，33（1）：19－26．

［8］ZHANG J H，WANG G Q．Prediction of hydrodynamic performance of ducted controllable pitch propellers［J］．Journal of Ship Mechanics，2002，6（6）：18－27．

［9］王國強，董世湯．船舶螺旋槳理論與應用［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007．