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(武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，武漢 430083)

關(guān)于表面槳的設(shè)計(jì)方法，一般有升力面法[1]和模型系列試驗(yàn)圖譜法。2種方法都不太成熟，往往一條艇首先要設(shè)計(jì)幾套不同要素的表面槳，然后通過實(shí)艇試航來選擇與主機(jī)特性和艇特性相匹配的表面槳(表面槳軸無上下轉(zhuǎn)動(dòng)功能的尤甚)。本文借鑒國外表面槳系列模型試驗(yàn)圖譜，結(jié)合武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)艇數(shù)據(jù)，提出一種表面槳實(shí)用設(shè)計(jì)方法。

John C.Rose和Claus F.L Kruppa發(fā)表的《表面槳系列模型試驗(yàn)結(jié)果》，經(jīng)過若干艇的使用證明是有效的，考慮以此為基礎(chǔ)進(jìn)行表面槳設(shè)計(jì)，但由于下列原因必須對其進(jìn)行修正。

1)表面槳設(shè)計(jì)中用的艇阻力，一般用模型在水池里的試驗(yàn)結(jié)果再采用二因次法換算到實(shí)艇[2]；同樣，表面槳的特性也是在特制空泡筒或減壓水池中模型試驗(yàn)結(jié)果用KTM=KTS,ηPM=ηPS計(jì)算的。這都存在“比尺效應(yīng)”[3]。

3)Rose提供的表面槳特性是在盤面比0.8、轂徑比、ROLLA剖面型、空泡數(shù)0.2、槳葉數(shù)4等狀態(tài)下作的系列模型試驗(yàn)，如若設(shè)計(jì)的表面槳與其一項(xiàng)或幾項(xiàng)不同，表面槳的特性將發(fā)生改變。

4)計(jì)算誤差和試驗(yàn)誤差不可避免。

鑒于以上原因，嘗試用母型船實(shí)艇試航的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算求得推力修正系數(shù)γ和效率修正系數(shù)φ2，再來修正用圖譜獲得的推力T和效率ηp。該修正系數(shù)的數(shù)值大小與采用的母型艇、選用的圖譜和艇的航速等有關(guān)[6]。利用γ、φ2、Rose表面槳圖譜、船模試驗(yàn)、主機(jī)功率和主機(jī)轉(zhuǎn)速就可優(yōu)化設(shè)計(jì)艇的表面槳要素。

1 γ和φ2的求取

針對10.3 m無人艇表面槳，求出母型艇γ=f(Vs)、φ2=f(Vs)的曲線，見圖1。

2 設(shè)計(jì)艇表面槳要素的優(yōu)化(設(shè)計(jì))

得到型船的γ-Vs、φ2-Vs曲線后，利用該進(jìn)行表面槳參數(shù)的優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化的前提

1)用確定γ、φ2時(shí)同一個(gè)Rose表面槳圖譜。

2)用船模試驗(yàn)按二因次法換算得出艇阻力。

3)線型參數(shù)應(yīng)盡量與型船相近。

4)槳與艇體的相對位置應(yīng)盡量與型船相似。

5)都應(yīng)是高速滑行艇，其FrΔ盡量接近型船。

2.2 優(yōu)化要素

表面槳的要素有盤面比θ、葉數(shù)z、剖面型、葉寬分布、轂徑比dc/D、側(cè)斜、縱斜、直徑D和螺距比P/D。由于采用Rose圖譜，其θ、Z、剖面型、葉寬分布、側(cè)斜，縱斜和轂徑比是固定的，因此優(yōu)化的要素只有D和P/D。

2.3 優(yōu)化計(jì)算的方法

利用該方法可得出經(jīng)優(yōu)化的表面槳D、P/D以及預(yù)報(bào)可達(dá)航速Vs*。

1)優(yōu)化計(jì)算應(yīng)具備的已知條件。

(1)采用的主機(jī)臺數(shù)，每臺最大功率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速ns，見圖2。

(2)采用的齒輪箱臺數(shù)、減速比i(經(jīng)軟件計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)公式確定)。

(3)傳遞效率ηm按經(jīng)驗(yàn)選取。

(5)用模型試驗(yàn)結(jié)果確定設(shè)計(jì)Δ和Xg下的實(shí)艇阻力和Δ1Xg變化對阻力的影響值。

(6)以型船γ=f(Vs) 、φ2=f(Vs)為例，見圖1。

(7)利用通用的方法確定艇的空氣阻力及附件(若有的話)阻力。

(8)正確地選用Rose表面槳圖譜，做為例子，見圖4、5。

2)優(yōu)化計(jì)算[8]。

繼而用力矩方程求出垂向力對艇的重量、重心的影響得出新的排水量Δ1i和重心縱向位置Xg1i。再計(jì)算Δ1iXg1i下的阻力(要加上空氣阻力和附體阻力)得Rρi。

用γ=f(Vs)φ2=f(Vs)修正表面槳推力Tsi=γTi。

當(dāng)Tsi≥Rsi時(shí)的Di、P/Di組合可使設(shè)計(jì)方案達(dá)到設(shè)定的航速Vs。

比較滿足Tsi≥Rsi中取其最大Tsi的組合Di、P/D即為最優(yōu)之要素。這是推力大于阻力，為此可增加設(shè)定的航速進(jìn)行再一次優(yōu)化，若得不到Ts≥Rs，則需減小設(shè)定的航速進(jìn)行再次優(yōu)化。

3)優(yōu)化結(jié)果與實(shí)艇試航結(jié)果對比。

對10.3 m無人艇進(jìn)行優(yōu)化，得到Di=0.59 m，P/Di=1.49，預(yù)報(bào)得到Vs=52.5 kn。用此D、P/D組合進(jìn)行實(shí)艇試航，取得航速為52 kn。計(jì)算結(jié)果與試航結(jié)果的相對誤差為1%。

3 結(jié)論

1)通過試航證明，所提出的表面槳要素(D,P/D)之優(yōu)化所得的結(jié)果與試航結(jié)果吻合較好，故考慮γ、φ2之修正系數(shù)和計(jì)及垂向力的優(yōu)化程序有較好的精度。該修正系數(shù)γ、φ2是一個(gè)“比尺效應(yīng)”，“艇體對表面槳水動(dòng)力干擾”以及各種誤差的綜合，是目前尚無理論方法可計(jì)算的，借用型船的試航數(shù)據(jù)來取得。

2)采用本優(yōu)化方法對型船數(shù)據(jù)依賴度較高，若無相近的型船將會(huì)降低優(yōu)化結(jié)果的精度；若不采用與表面槳試驗(yàn)圖譜一致的葉剖面型及其他幾何參數(shù)，也會(huì)降低優(yōu)化結(jié)果的精度，甚至?xí)霈F(xiàn)較大的誤差。

3)利用本文提出的優(yōu)化表面槳要素的方法，曾做過多型船表面槳的設(shè)計(jì)，都取得了較好的效果，因此本方法具有實(shí)用的價(jià)值，可推廣使用。

[1] 王國強(qiáng)，賈大山.自由液面對螺旋槳性能的影響[J].中國造船，1989(1)：1-7.

[2] 趙年恩，韓端鋒.高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

[3] 朱珉虎.滑行艇水動(dòng)力計(jì)算[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，2005(2)：48-53.

[4] 王國強(qiáng)，賈大山，盛振邦.部分浸水通氣螺旋槳水動(dòng)力性能[J].中國造船，1990(2)：22-31.

[5] 王國強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985.

[6] 吳曉光，吳啟銳.高速船快速性[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[7] 汪城儀.深V形船型對小型軍用快艇性能的影響[J].中國造船，1966(4)：13-18.

[8] Faltinse, O.M.Hydrodanamic of High-speed Marine Vehicles [M].崔維成譯.北京：國防工業(yè)出版社，2007.