馬衛(wèi)澤，唐小光

(武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，湖北 武漢 430083)

0 引言

半浸式螺旋槳是近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展比較迅速的一種高速推進(jìn)螺旋槳。在工作時(shí)，部分槳葉位于水面以上，并交替入水。這樣的工作狀態(tài)對(duì)螺旋槳葉片的強(qiáng)度有著很高的要求，目前國(guó)內(nèi)對(duì)半浸式螺旋槳強(qiáng)度進(jìn)行校核的案例較少。

常規(guī)螺旋槳強(qiáng)度校核的方法通常采用懸臂梁法。懸臂梁法只能對(duì)螺旋槳的強(qiáng)度進(jìn)行淺顯的分析，且常規(guī)螺旋槳是完全浸沒(méi)在水中的，其葉片的受力是一個(gè)相對(duì)固定的值，所以懸臂梁法不能滿足半浸式螺旋槳特殊工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)需求。因此，本文采用有限元法對(duì)半浸式螺旋槳的強(qiáng)度進(jìn)行分析，將半浸式螺旋槳在實(shí)際工作狀態(tài)下所受到的各種沖擊載荷代入到有限元分析模型當(dāng)中，對(duì)葉片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的評(píng)估。

1 半浸式螺旋槳的受力

常規(guī)螺旋槳全部浸沒(méi)在水中，它的推力與扭矩大小都是恒定的，由水流產(chǎn)生的壓力大小可忽略不計(jì)。然而，半浸式螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其槳葉一半在水面上，一半在水面下，且槳葉交替入水(見(jiàn)圖1)，產(chǎn)生的推力和扭矩會(huì)隨著船舶的航行狀態(tài)的變化而變化，從而對(duì)半浸式螺旋槳的槳葉產(chǎn)生了不同的交變應(yīng)力。況且，半浸式螺旋槳在航行中可根據(jù)船舶的航行速度和狀態(tài)改變槳軸的水平角度，不同的角度產(chǎn)生不同的推力及扭矩，這時(shí)槳葉的交變應(yīng)力加大，槳葉的強(qiáng)度面臨巨大的考驗(yàn)。

ZF—水流對(duì)葉片的垂向應(yīng)力。

半浸槳在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，槳葉有一半處于水面下，整個(gè)槳葉的受力分布有著很大的不均勻性和不對(duì)稱(chēng)性，因此半浸槳除了能產(chǎn)生推力外，還會(huì)產(chǎn)生垂向升力及側(cè)向水平力(見(jiàn)圖2)，這兩個(gè)力同樣具有周期性和不對(duì)稱(chēng)性。由文獻(xiàn)[3]可知：半浸槳槳軸在水平方向有一定傾角時(shí)，能得到水平力與對(duì)力的合成應(yīng)力，從而形成對(duì)船艇的更大的推力。

2 理論計(jì)算方法

對(duì)于給定值計(jì)算如下：

式中：

K

為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

J

為推進(jìn)系數(shù)；

P

為螺旋槳吸收功率，kW；

n

為主機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

ρ

為流體密度，kg/m；

V

為航速，kn。

V—航速；T—推力；Q—槳軸扭矩；α—軸向角度；n—主機(jī)轉(zhuǎn)速；Fa—軸向力；Z0—艉軸支撐距離；Mx—垂向彎矩；My—側(cè)向彎矩；Fx—螺旋槳法向力分量；Fy—螺旋槳側(cè)向力分量。

推進(jìn)系數(shù)

J

和效率

η

可根據(jù)不同的螺距比確定，從而得出最佳螺旋槳直徑。螺旋槳推力

T

可由下式得出：

式中：

η

為效率。

螺旋槳推力和彎矩的二次綱量定義如下：

(1)垂直力比：

式中：

F

為水平垂向力，N。

(2)側(cè)向力比：

式中：

F

為側(cè)向力，N。(3)彎矩比(

x

軸方向)：

式中：

R

為螺旋槳半徑。(4)彎矩比(

y

軸方向)：

圖2中，艉軸獲得的最大彎矩

M

為

式中：

R

為裝置擺動(dòng)水平半徑。(5)垂直力比

F

/

T

的關(guān)系式為

(6)軸的最大彎曲應(yīng)力

S

為

式中：

D

為軸徑，mm。此外，軸承受槳軸扭矩

Q

的最大剪切應(yīng)力為

由于軸向載荷對(duì)推力的影響較小，可以忽略不計(jì)。由“彈性理論”所定義的“比較應(yīng)力

S

”的關(guān)系式為

相對(duì)應(yīng)的比例式如下：

3 實(shí)際案例數(shù)據(jù)

本文以MSD 200型半浸式螺旋槳推進(jìn)裝置為例，選用2臺(tái)110.25 kW船用柴油機(jī)以匹配MSD 200型半浸式螺旋槳推進(jìn)裝置進(jìn)行理論設(shè)計(jì)計(jì)算和航行試驗(yàn)。詳細(xì)設(shè)計(jì)條件及參數(shù)如下：

(1)半浸式螺旋槳設(shè)計(jì)條件

半浸式螺旋槳吸收功率110.25 kW；主機(jī)轉(zhuǎn)速3 100 r/min；減速比1.51；扭矩515 N·m；航速30 kn；空泡數(shù)～0.2；艉軸支撐距離0.166 m；

K

/

J

=0.002。

(2)半浸式螺旋槳承受力

浸沒(méi)深度比58%；軸間角12°；效率0.46；進(jìn)度系數(shù)0.98；推力5 500 N；直徑0.435 m；垂向力系數(shù)0.95；側(cè)向力系數(shù)0.2；垂向力5 225 N；側(cè)向力1 100 N。

(3)螺旋槳參數(shù)

直徑435 mm；螺距610 mm；螺距比1.4；盤(pán)面比0.86；Cu3(鎳鋁青銅)；密度7 600 kg/m；彈性模量110 GPa；泊松比0.37；抗拉強(qiáng)度590 MPa；屈服強(qiáng)度245 MPa。

4 半浸式螺旋槳模型建立和有限元分析

在HydroComp PropCad軟件中輸入螺旋槳的相關(guān)參數(shù)及槳型，對(duì)生成后的三維模型進(jìn)行局部修正即可得到完整的半浸式螺旋槳的模型。模型建立完成后導(dǎo)入至Solidworks軟件中進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。軟件分析的過(guò)程和最終結(jié)果見(jiàn)圖3～圖7。

圖3 HydroComp PropCad軟件建立螺旋槳模型

圖4 螺旋槳模型網(wǎng)格化分析

圖5 螺旋槳模型應(yīng)力分析

圖6 螺旋槳模型應(yīng)變分析

圖7 螺旋槳模型位移分析

5 計(jì)算結(jié)果分析

螺旋槳有限元計(jì)算數(shù)值見(jiàn)表1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：半浸式螺旋槳的最大受力部位在槳葉根部區(qū)域，最大變形部位是葉稍區(qū)域。但槳葉的最大受力和最大變形量的幅度較小，不會(huì)對(duì)螺旋槳的強(qiáng)度產(chǎn)生破壞性的影響，故對(duì)螺旋槳的有限元強(qiáng)度分析是可靠的。

表1 螺旋槳有限元計(jì)算數(shù)值

6 實(shí)船航行試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證半浸式螺旋槳槳葉的強(qiáng)度，根據(jù)理論數(shù)據(jù)加工了2只半浸式螺旋槳，并將半浸式螺旋槳推進(jìn)裝置安裝于一艘配有2臺(tái)110.25 kW柴油機(jī)的漁船上進(jìn)行試驗(yàn)。該船的最大航速為28 kn,每日最大航速航行時(shí)間約為2 h；工作航速約為10 kn，每日工作航速航行時(shí)間約為4 h。試驗(yàn)共持續(xù)55 d。

根據(jù)試驗(yàn)前后的實(shí)物對(duì)比，螺旋槳表面因長(zhǎng)時(shí)間浸泡在海水中而局部有銹蝕情況外，無(wú)變形、損壞、開(kāi)裂現(xiàn)象，故螺旋槳的強(qiáng)度是安全可靠的。

7 結(jié)論

(1)對(duì)于半浸式螺旋槳這種曲面復(fù)雜，且工況及受力不同于常規(guī)螺旋槳的物體進(jìn)行強(qiáng)度校核，最有效的方式就是利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

(2)HydroComp PropCad軟件和Solidworks軟件能很好地兼容。HydroComp PropCad軟件能建立精準(zhǔn)的螺旋槳模型，Solidworks軟件能精確地分析計(jì)算，還可提供直觀的應(yīng)力、變形、位移的彩色分布圖，結(jié)果一目了然。

(3)半浸式螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其最大受力部位位于槳葉葉根區(qū)域，變形量最大的部位位于葉稍區(qū)域。

(4)半浸式螺旋槳因工作環(huán)境不同于常規(guī)螺旋槳，在水面及水下交替運(yùn)行，所以有限元的分析主要是針對(duì)疲勞強(qiáng)度的校核，這就對(duì)螺旋槳材料的疲勞強(qiáng)度提出了更高的要求。