陳 寧， 賴海清

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

導(dǎo)管螺旋槳設(shè)計和水動力性能分析

陳 寧， 賴海清

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對消拖兩用船的綜合舵槳系統(tǒng)，在綜合舵槳動力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，對螺旋槳進(jìn)行了設(shè)計研究，利用有限元方法分析了螺旋槳敞水工作時的推力、轉(zhuǎn)矩、敞水效率以及槳葉的總壓分布規(guī)律，并與實驗值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)論與理論分析結(jié)果吻合良好，從而初步形成了從最初的船型參數(shù)到預(yù)報螺旋槳敞水性能的整個綜合舵槳的設(shè)計流程，具有一定參考價值。

導(dǎo)管螺旋槳 敞水效率 總壓分布

1 引言

導(dǎo)管螺旋槳是一種特殊的推進(jìn)器，我國已經(jīng)對其進(jìn)行了大量的模型實驗和理論研究工作[1]。它適用于載荷較大的船舶，如拖輪、頂推船等。具有在海上航行時，受外界海況變化影響較小，導(dǎo)管對螺旋槳有保護(hù)作用，且導(dǎo)管能顯著改善航向穩(wěn)定性等優(yōu)點。因此，在需要運(yùn)動自如的工程船舶上，導(dǎo)管螺旋槳常被開發(fā)成綜合舵槳系統(tǒng)[2,3]用于工程船上。導(dǎo)管螺旋槳在結(jié)構(gòu)形式、外型和水動力性能等方面與常規(guī)螺旋槳都有較大的差別。導(dǎo)管螺旋槳的設(shè)計，包括導(dǎo)管設(shè)計和螺旋槳設(shè)計兩部分。國內(nèi)外常用于導(dǎo)管內(nèi)的螺旋槳有B型和K型[4]。B系列螺旋槳常用的是B4-55型，其葉梢較尖。K型比B型應(yīng)用廣泛，均為寬葉梢，對空泡的敏感較B型小。K型又分Ka、Kv、Kd等多種，其中以Ka型最為常用。導(dǎo)管也有多種型號，以4號導(dǎo)管、5號導(dǎo)管、7號導(dǎo)管、19A號導(dǎo)管和37號導(dǎo)管應(yīng)用得較多。本文采用了圖譜估算方法對綜合舵槳系統(tǒng)的導(dǎo)管螺旋槳水動力性能進(jìn)行計算和研究，并結(jié)合導(dǎo)管螺旋槳的敞水實驗進(jìn)行了驗證。

2 螺旋槳設(shè)計

廣州鴻業(yè)拖船有限公司的2×2 500 kW消拖兩用船技術(shù)規(guī)格書所提供的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋槳規(guī)格要求

由于規(guī)格書已經(jīng)指定了螺旋槳的型式，在現(xiàn)有的設(shè)計圖譜情況下，選取用正常功率航行作為設(shè)計工況進(jìn)行螺旋槳設(shè)計，具體要點如下。

2.1 參數(shù)的確定

該船的船體參數(shù)如表2所示。

表2 船型參數(shù)表

運(yùn)用艾亞(Ayre)法估算出船體的有效功率曲線。估算時，注意參數(shù)的選取，標(biāo)準(zhǔn)方形系數(shù)采用雙槳船計算公式Cbc=1.09-1.68Fr，其中Fr表示傅汝德數(shù)。推進(jìn)因子伴流分?jǐn)?shù)選擇適用于雙槳拖輪的計算公式w=-0.16+0.5Cb、推力減額分?jǐn)?shù)t=0.70w+0.06。

2.2 計算不同的基準(zhǔn)盤面比所對應(yīng)槳的最佳要素及最大航速

假定10kn～14kn航速進(jìn)行計算，在B4-55和B4-70基準(zhǔn)盤面比的Bp-(1/J)圖譜上，由每一個航速在圖譜的最佳效率線上對應(yīng)的點讀出其相應(yīng)的螺旋槳效率η0，螺距比P/D和直徑系數(shù)σ，從而計算出與其對應(yīng)的最佳直徑D和螺旋槳的有效功率。據(jù)此得到在各個基準(zhǔn)盤面比下的V-η0、V-P/D、V-D和V-PTE曲線。最后由V-PTE曲線和有效功率曲線V-PE曲線的交點確定各基準(zhǔn)盤面比下螺旋槳的最佳要素和可達(dá)到的最大航速。

2.3 空泡校核確定設(shè)計槳的最佳要素

在目前還沒有可調(diào)距螺旋槳空泡校核的合適資料和方法情況下，仍以伯利爾限界線作為依據(jù)，先計算出每一基準(zhǔn)盤面比在滿足空泡要求的條件下所需的盤面比。據(jù)此計算結(jié)果，求得不發(fā)生空泡的最小盤面比及其對應(yīng)的螺旋槳最佳要素：螺距比P/D、螺旋槳直徑D、螺旋槳效率η0，以及最大航速Vmax。

2.4 強(qiáng)度校核

按《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》中對螺旋槳強(qiáng)度的要求，對螺旋槳槳葉的厚度t(可調(diào)距螺旋槳為0.35R和0.6R剖面處)進(jìn)行校核。根據(jù)校核的計算結(jié)果取定0.35R和0.6R處槳葉的厚度后，整個槳葉厚度的徑向分布采用最常用的線性分布，即實際槳葉厚度分布按0.35R和1.0R處的厚度連直線決定。

2.5 敞水特性曲線的確定

根據(jù)前述已確定的盤面比和螺距比，在“19A導(dǎo)管+Ka系列槳的敞水特性曲線”圖譜中用內(nèi)插方法得到各進(jìn)速系數(shù)J對應(yīng)的推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ的值，即得到該導(dǎo)管螺旋槳的敞水特性曲線。

2.6 系柱特性計算

由設(shè)計槳的敞水特性曲線，計算在系柱狀態(tài)(船速V=0，即螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J=0)時，螺旋槳發(fā)出的推力。

最終得到螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 螺旋槳的建模與CFD邊界條件設(shè)定

3.1 建立模型

對于螺旋槳三維建模來說，縱斜、側(cè)斜角和螺距角是重要特征角度，需要通過相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而來，通過螺旋槳基本參數(shù)和各半徑處葉切面二維形狀尺寸建立與螺旋槳曲面所有型值空間坐標(biāo)的關(guān)系式[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[5]提供的方法，運(yùn)用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，進(jìn)行編程，將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換三維數(shù)據(jù)點，最終得到三維空間內(nèi)的螺旋槳坐標(biāo)。同樣，根據(jù)19A標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到最終三維導(dǎo)管實際型值，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CFD前處理器Gambit軟件，利用樣條曲線去擬合各個截面上的型值點，從而建立光滑的三維螺旋槳表面外形。建模時先將點生成線，線生成面，面生成體，在合成體之前必須保證槳的表面是封閉的，否則無法將面合成體。最后建立槳轂實體模型，通過旋轉(zhuǎn)復(fù)制完成其余3塊葉片的創(chuàng)建，最后由布爾運(yùn)算，把5個實體合并成完整螺旋槳，建好的螺旋槳三維模型如圖1所示。

圖1 螺旋槳三維模型

圖2 內(nèi)域網(wǎng)格劃分

3.2 控制區(qū)域

完成導(dǎo)管槳的實體建模后，需要建立控制域。控制域大小的選擇會影響到數(shù)值模擬的真實性和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，必須要根據(jù)導(dǎo)管槳模型尺度及計算要求建立恰當(dāng)?shù)目刂朴?。本文在?dǎo)管槳的敞水性能預(yù)報計算中假設(shè)螺旋槳是置于無限大的深水流域，為了模擬這一流場且減少邊界的影響，控制域的內(nèi)邊界取在導(dǎo)管槳導(dǎo)管壁外側(cè)，外邊界面即外流計算的無窮遠(yuǎn)邊界，取在直徑約為螺旋槳直徑4倍的圓柱體表面上，進(jìn)行布爾運(yùn)算時第一次用大圓柱減去導(dǎo)管所包圍的體，需要保留導(dǎo)管所包圍的體，第二次用導(dǎo)管所包圍的體減去螺旋槳，不需要保留。本文控制域范圍為：螺旋槳上游取盤面處前4D(D為槳徑3 074mm，下同)，下游取盤面處后5D，遠(yuǎn)場區(qū)域取4D的槳葉徑向位置。

3.3 網(wǎng)格控制

網(wǎng)格質(zhì)量直接決定模擬精度、收斂性和計算效率，因此應(yīng)對整個流域分析進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。劃分難點在于螺旋槳外形復(fù)雜，計算域大，由于導(dǎo)管內(nèi)壁與槳葉葉梢間隙相對槳徑來說很小，且導(dǎo)管與槳葉間隙間的流動比較復(fù)雜，為了更好地模擬出螺旋槳的實際運(yùn)動狀態(tài)，捕捉到重要的流場信息，對導(dǎo)管與槳葉間隙的網(wǎng)格進(jìn)行加密，使導(dǎo)管內(nèi)壁靠近葉稍區(qū)域網(wǎng)格較密。槳葉和導(dǎo)管表面均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，考慮壁面曲率變化對網(wǎng)格的要求，對導(dǎo)管的前、后緣進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，最后網(wǎng)格劃分總數(shù)為167萬個，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

3.4 邊界條件及求解器設(shè)置

假定流體為不可壓恒溫流體，進(jìn)口邊界設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，速度為V(即為螺旋槳進(jìn)速J)；出口邊界定義為自由出口；圓柱體側(cè)面設(shè)置為壁面邊界條件，流場內(nèi)部的分割面均設(shè)為interior邊界條件，以使流體順利通過這些分割面；螺旋槳葉，導(dǎo)管表面均設(shè)為無滑移固壁條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，并且考慮壁面粗糙度的影響。計算域內(nèi)的流體則按MRF模型設(shè)置為繞軸以角速度230r/min順時針旋轉(zhuǎn)(從入口端看過去)。湍流模式選用RNGκ-ε模式，壓力-速度耦合方式采用SIMPLE算法；壓力離散方式為StandPRESTO!；動量、壓力的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式、湍流動能和湍流耗散率均使用離散格式皆為二階迎風(fēng)式。進(jìn)行迭代求解直至收斂計算結(jié)束。

4 敞水計算結(jié)果分析

通過修改進(jìn)口速度后計算，得到J=0.1-0.7的螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率值，將仿真值與試驗值比較，輸入到Excel軟件中進(jìn)行比較分析，得到如表4所示的誤差分析結(jié)果。

表4 誤差分析報告

計算值與試驗值的擬合比較如圖3所示。

圖3 實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比圖

從圖3可知：推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及敞水效率η0的計算結(jié)果與試驗結(jié)果走勢基本一致，從整體來看，仿真效果比較好，最大誤差不超過10%。分析誤差產(chǎn)生原因，主要是由于實物模型與數(shù)字模型存在偏差、試驗與仿真工況無法完全相同(例如雷諾數(shù)和試驗時的伴流)、軟件的計算精度及網(wǎng)格精度等原因造成的，但總體來說，兩者結(jié)果基本吻合。從實驗圖譜讀出J=0時的KT值，代入公式求出理論系柱拖力為90t，由FLUENT軟件模擬得出系柱拖力為84t，滿足規(guī)格書所要求的80t拖力。因此，用CFD模擬螺旋槳敞水效率在一定程度上可以滿足實際工程設(shè)計應(yīng)用的需求。

5 螺旋槳工作流場分析

螺旋槳表現(xiàn)出來的宏觀力是推力與扭矩，要細(xì)致研究其受力來源與成因，則需要了解螺旋槳表面任意點的局部受力。

以螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J=0.2時工況為例，對槳葉r=0.5R處切面進(jìn)行考察，其葉面與葉背總壓力云圖如圖4所示。在導(dǎo)邊附近，存在壓力集中區(qū)，隨著坐標(biāo)沿翼面從導(dǎo)邊向隨邊移動，壓力有所降低，但是相對而言，葉背上壓力急劇下降，與葉面同位置處形成巨大壓差，形成“吸力”，從而解釋了螺旋槳產(chǎn)生推力的原因。

圖4 J=0.2，r=0.5 R截面壓力云圖

圖5、圖6給出了在不同進(jìn)速系數(shù)下，葉背壓力分布。從圖中可以看出，葉背中間區(qū)域的負(fù)荷分布較為均勻，葉背梢部附近壓力最低，也最容易產(chǎn)生空

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圖5 J=0.5，葉背壓力分布

圖6 J=0.2，螺旋槳葉背壓力分布

泡現(xiàn)象。同時，螺旋槳進(jìn)速系數(shù)低的時候，葉背壓力也小，故而能產(chǎn)生更大的壓力差，形成更大的推力，與理論結(jié)果一致。

圖7為螺旋槳縱剖面軸向流速分布云圖。流體在導(dǎo)管的入口處被加速，形成一個橢球形區(qū)域。越靠近導(dǎo)管部的流體，被加速的程度越明顯。由于導(dǎo)管的存在，使螺旋槳盤面處的流線收縮，在螺旋槳槳毅部存在一個回流區(qū)，即形成了漩渦，影響著流場的總體分布。

圖7 螺旋槳縱剖面軸向速度云圖

6 結(jié)論

本文依據(jù)實船提出的實際需求，在只知船型參數(shù)的情況下，詳述了螺旋槳的設(shè)計、計算、分析的整個流程，描述了螺旋槳圖譜設(shè)計法的注意事項和要點，并用Excel實現(xiàn)螺旋槳三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。通過對導(dǎo)管螺旋槳模型的建立，網(wǎng)格的劃分和邊界參數(shù)的設(shè)置，計算了敞水螺旋槳的水動力性能。在不同進(jìn)速系數(shù)下導(dǎo)管螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)及效率，F(xiàn)LUENT計算結(jié)果和試驗相對比，結(jié)果基本吻合，最大誤差在10%左右，能夠滿足工程上的設(shè)計需要。同時，分析了敞水中螺旋槳葉背和葉面的壓力分布及流場情況，為今后分析螺旋槳空泡打下了基礎(chǔ)。

[1] 王國強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

[2] 陳寧，侯偉，侯淑玲. 基于 Adams 的調(diào)距槳滑塊式調(diào)距機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析[J].船舶工程，2013,35(3):31-33.

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Design and Hydrodynamic Performance Analysis for Ducted Propeller

CHEN Ning， LAI Hai-qing

(School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

Base on the systematic design of power transmission for ship's steer and propeller, this research designs the ducted propeller for integrated system of dual-use ship. The parameters of propeller in open water is analysed which includes thrust, torque, open water efficiency and total pressure distribution, then contrasts the assay value with experimental value and gets a good consistency. The design flow is initially formed and has a certain reference value.

Ducted propeller Open propeller efficiency The total pressure distribution

2011江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性聯(lián)合研究面上引導(dǎo)項目《深水作業(yè)全回轉(zhuǎn)動力定位綜合舵槳(Z型)推進(jìn)系統(tǒng)研究》，項目編號：BY2011142。

陳 寧(1963-)，男，教授。

U662

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