彭言峰，趙 淼，許 磊

(1.南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226013；2.南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226002)

0 引 言

隨著船舶越來(lái)越大型化和高速化，對(duì)螺旋槳的綜合性能要求不斷提高。螺旋槳作為船舶重要的推進(jìn)器，其設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，將對(duì)船舶的快速性能有著十分重要的影響。螺旋槳的設(shè)計(jì)研究主要解決2個(gè)方面的問(wèn)題：一方面為效率問(wèn)題，研究如何在給定功率下獲得推力最大化；另一方面為空泡與激振問(wèn)題，研究如何保證螺旋槳的安全使用，以及如何實(shí)現(xiàn)最大程度的減振降噪[1]。

本文以某船用螺旋槳為研究對(duì)象，研究分析螺旋槳主要幾何參數(shù)對(duì)性能的影響，對(duì)原槳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其推進(jìn)性能，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化槳的綜合性能。

1 螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

目前螺旋槳的設(shè)計(jì)方法主要有圖譜法及環(huán)流理論法2種。其中，圖譜法是目前應(yīng)用較廣的一種方法，以荷蘭的B型和日本AU型螺旋槳為代表，其計(jì)算方便，易于掌握。環(huán)流理論設(shè)計(jì)方法以前在我國(guó)應(yīng)用較少，現(xiàn)隨著科技的發(fā)展也已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[2]。

如今單純考慮效率的螺旋槳設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足要求，必須從效率、空泡、激振力等方面對(duì)螺旋槳進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)是在諸多參數(shù)相互制約的條件下進(jìn)行的，可使螺旋槳綜合性能達(dá)到最佳。

螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有兩類方法：一是回歸公式法，該公式是根據(jù)系列模型槳的試驗(yàn)結(jié)果擬合得到螺旋槳的設(shè)計(jì)參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系式。通過(guò)設(shè)定限制條件與優(yōu)化目標(biāo)，利用優(yōu)化算法得出最佳結(jié)果。該方法對(duì)優(yōu)化計(jì)算度較快、設(shè)計(jì)周期較短。如果經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)結(jié)果也會(huì)可靠。，但其受系列槳型式的約束限制，無(wú)法對(duì)螺距、拱度等參數(shù)的徑向分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二是在計(jì)算螺旋槳水動(dòng)力性能基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將計(jì)算得到的螺旋槳的推力、扭矩、敞水效率、槳葉表面的壓力分布、空泡、振動(dòng)等結(jié)果作為限制條件與優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)槳葉的形狀進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法具有較大的發(fā)展?jié)摿3]。

2 螺旋槳參數(shù)研究及改進(jìn)優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化對(duì)象

本文選取某船型原槳作為研究對(duì)象，原槳主要幾何參數(shù)如下：直徑10.8 m，葉數(shù)4，盤(pán)面比0.40，轂徑比 0.143 8，0.7r/R螺距比 0.776，0.7R處弦長(zhǎng) 2 426 mm，0.7R最大厚度162.2 mm，旋向?yàn)橛倚?，?qiáng)度滿足ABS要求。

圖1 原槳模型Fig.1 The original propeller model

2.2 螺旋槳主要參數(shù)與性能分析

在進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，必須要選擇確定合適的參數(shù)。由于螺旋槳為復(fù)雜的三維體，其主要參數(shù)和性能之間的關(guān)系也較為復(fù)雜。螺旋槳主要參數(shù)主要包括直徑、葉數(shù)、螺距、盤(pán)面比（弦長(zhǎng)、厚度）、側(cè)斜、縱斜等。這些參數(shù)對(duì)螺旋槳的推進(jìn)性能、空泡性能、振動(dòng)等存在復(fù)雜的關(guān)系且相互制約。

1）直徑D

螺旋槳直徑是指螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉梢的圓形軌跡形成的直徑。通常，螺旋槳的直徑越大，轉(zhuǎn)速越低、其效率越高。但螺旋槳的直徑也不宜過(guò)大，否則會(huì)減小槳葉盤(pán)面處的平均伴流，船身效率會(huì)下降，最終可能導(dǎo)致總的推進(jìn)效率下降。在選擇螺旋槳直徑時(shí)，應(yīng)充分考慮船舶吃水及船體尾部線型的限制約束。如船舶經(jīng)常在壓載狀態(tài)下航行，考慮到壓載時(shí)的效率及避免葉梢露出水面，直徑可以較小。從船體振動(dòng)方面考慮，為避免船體尾部結(jié)構(gòu)的劇烈振動(dòng)，螺旋槳與船體之間的間隙不宜過(guò)小。

2）槳葉葉數(shù)N

在選擇槳葉數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮船型、吃水、推進(jìn)性能、振動(dòng)和空泡等多因素。通常，在槳葉直徑和盤(pán)面比相同的情況下，葉數(shù)越少，其效率略高。但有時(shí)為避免空泡要求通過(guò)增加葉數(shù)來(lái)增大盤(pán)面比，每增加一葉，盤(pán)面比約增加5%～10%。同時(shí)，螺旋槳葉數(shù)與振動(dòng)關(guān)系較大，隨著葉數(shù)增加，螺旋槳誘導(dǎo)壓力呈下降趨勢(shì)。通常，商船多采用4葉槳，但隨著船舶大型化、高速化，船體振動(dòng)尤為突出，采用5葉甚至6葉槳。

3）螺距P

螺旋槳的葉面是螺旋面的一部分，任何與螺旋槳共軸的圓柱面與葉面的交線為螺旋線一段，將該線段引長(zhǎng)且環(huán)繞軸線一周兩端之軸向距離為螺距P。螺距P與螺旋槳直徑D之比P/D為螺距比。無(wú)論對(duì)于圖譜法還是環(huán)流理論設(shè)計(jì)，螺距都是最重要的設(shè)計(jì)變量[4]。螺距在很大程度上決定著槳葉的負(fù)荷及負(fù)荷分布，螺距的分布對(duì)槳葉的推進(jìn)性能、空泡性能、振動(dòng)有著重要影響。當(dāng)設(shè)計(jì)工況一定時(shí)，螺距的分布決定著工況點(diǎn)在槳葉空泡中的位置及槳葉剖面的工作狀態(tài)，在保證推進(jìn)性能的同時(shí)，進(jìn)一步提高槳葉的空泡性能和減小振動(dòng)，槳葉葉梢處螺距的設(shè)計(jì)更為關(guān)鍵。

4）盤(pán)面比Ae/Ao

伸張面積Ae指螺旋槳各葉伸張輪廓所包含的面積之和，盤(pán)面積Ao指槳葉梢圓的面積，伸張面積Ae和盤(pán)面積Ao的比值稱為盤(pán)面比Ae/Ao。盤(pán)面比表示槳葉的寬窄程度，其大小主要取決于槳葉數(shù)和弦長(zhǎng)分布。在直徑和槳葉數(shù)相同下，盤(pán)面比越大，槳葉越寬。反之，盤(pán)面比越小，槳葉越窄。一般來(lái)說(shuō)，盤(pán)面比增加會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)效率降低。但盤(pán)面比的改變會(huì)帶來(lái)其他弦長(zhǎng)、厚度參數(shù)的變化，弦長(zhǎng)、厚度這些變化對(duì)效率有著不同的影響，只有通過(guò)比較計(jì)算甚至試驗(yàn)才能確定哪種影響更大。

5）縱斜ZR和側(cè)斜θS

縱斜指螺旋槳參考線在軸線上的投影長(zhǎng)度?？v斜螺旋槳一般向后傾斜，主要用于增加槳葉與船體或艉框架之間的間隙，從而降低螺旋槳誘導(dǎo)的船體振動(dòng)。但縱斜不宜過(guò)大，否則會(huì)因離心力而增加葉根處的彎曲應(yīng)力，對(duì)槳葉強(qiáng)度帶來(lái)不利影響。

側(cè)斜指不對(duì)稱槳葉的葉梢與參考線間的距離。采用合適的側(cè)斜分布，可減小螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)于非均勻尾流中所產(chǎn)生的作用于船體表面的脈動(dòng)壓力及槳軸的激振力[5]。槳葉的側(cè)斜方向一般與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反，采用大側(cè)斜槳已成為大型船舶螺旋槳設(shè)計(jì)的常用選擇。

6）剖面形狀

槳葉剖面指與螺旋槳共軸的圓柱面和槳葉相截所的截面，由拱度與厚度分布表示，拱度決定著負(fù)荷沿槳葉剖面弦向的分布，厚度形式和最大厚度的選取主要考慮槳葉的強(qiáng)度要求。槳葉剖面的形狀通常有機(jī)翼型切面和弓形切面，相較弓形切面，機(jī)翼型切面的效率較高，但空泡性能較差。

2.3 方案改進(jìn)優(yōu)化

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，很多參數(shù)往往是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)多次調(diào)整后形成最終設(shè)計(jì)方案[6]。

此次改進(jìn)優(yōu)化是在螺旋槳直徑、葉數(shù)均保持不變，滿足ABS船級(jí)社強(qiáng)度要求下進(jìn)行的。通過(guò)上述分析，盤(pán)面比和螺距都是重要的設(shè)計(jì)變量，其對(duì)推進(jìn)性能、空泡、振動(dòng)都有著重要的影響。為追求最佳的螺旋槳推進(jìn)性能，本文將盤(pán)面比（弦長(zhǎng)、最大厚度）和螺距、縱傾作為調(diào)整對(duì)象，具體調(diào)整如下：

對(duì)于螺距比，優(yōu)化后的螺距比較原槳呈上升趨勢(shì)，在相應(yīng)r/R半徑比處增加約2.5%；對(duì)于弦長(zhǎng)，優(yōu)化后的弦長(zhǎng)較原槳呈下降趨勢(shì)，在相應(yīng)r/R半徑比處減少約5%；對(duì)于最大厚度，優(yōu)化后的最大厚度較原槳呈下降趨勢(shì)，在相應(yīng)r/R半徑比處減少約2.4%；對(duì)于縱斜，優(yōu)化后的縱斜在相應(yīng)r/R半徑比處有不同程度的增加。

經(jīng)過(guò)上述調(diào)整，主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖2 調(diào)整螺距比 P/DFig.2 Adjust the pitch ratio P/D

圖3 調(diào)整弦長(zhǎng) CFig.3 Adjust the chord length C

圖4 調(diào)整最大厚度 TFig.4 Adjust the max.thickness T

圖5 調(diào)整縱斜 ZRFig.5 Adjust the rake ZR;

表1 主要參數(shù)對(duì)比Tab.1 The principal parameters comparison

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 敞水試驗(yàn)

敞水試驗(yàn)是指槳模單獨(dú)在均勻水流中進(jìn)行的試驗(yàn)，它是測(cè)量螺旋槳敞水性能最直接和有效的方法。理論上，敞水試驗(yàn)需要符合全相似條件，才可能使模型推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)以及敞水效率與實(shí)際螺旋槳的相等。但實(shí)際上，全相似條件在試驗(yàn)時(shí)無(wú)法滿足，只能夠近似[7]。在螺旋槳模型敞水試驗(yàn)時(shí)，通常只滿足進(jìn)速系數(shù)相等，雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)。

雷諾數(shù)是以無(wú)因次數(shù)量綱表示，按照1978年ITTC（International Towing Tank Conference）規(guī)定，螺旋槳的雷諾數(shù)Re可按以下公式計(jì)算：

式中：b0.75R為螺旋槳在0.75R處葉切面的弦長(zhǎng)；D為螺旋槳直徑；VA為進(jìn)速；n為轉(zhuǎn)速；ν為水運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

試驗(yàn)前應(yīng)先根據(jù)槳模的幾何尺寸，確定好槳模要求的最小轉(zhuǎn)速，并大致估算進(jìn)速系數(shù)J在0時(shí)發(fā)出的最大推力及轉(zhuǎn)矩，以便選擇量程合適的動(dòng)力儀。試驗(yàn)階段，保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，進(jìn)速系數(shù)J應(yīng)有足夠大的變化范圍。

對(duì)于幾何相似的螺旋槳來(lái)說(shuō)，水動(dòng)力性能只與進(jìn)速系數(shù)J有關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果用無(wú)因次系數(shù)表示如下：

式中：J為進(jìn)速系數(shù)；KT為推力系數(shù)；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；η0為敞水效率；T為發(fā)出推力；Q為吸收轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；D為直徑；ρ為水密度。

將原槳和優(yōu)化槳進(jìn)行敞水試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)得進(jìn)速VA、轉(zhuǎn)速n、推力T、轉(zhuǎn)矩Q等數(shù)據(jù)可得到兩個(gè)槳螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J、推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水相率η0，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 敞水效率對(duì)比Tab.2 The open water efficiency comparison

以進(jìn)速系數(shù)J為橫坐標(biāo)、推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ、敞水效率η0為縱坐標(biāo)繪制螺旋槳敞水性征曲線，如圖6所示。

圖6 原槳和優(yōu)化槳敞水性征曲線比較Fig.6 The open water characteristic comparison between the original and optimized propeller

可以得出，在進(jìn)速系數(shù)J=0.3～0.7之間，優(yōu)化槳的敞水效率ηo相對(duì)原槳有著不同程度的提高，在設(shè)計(jì)點(diǎn)J=0.5附近時(shí)，敞水效率η0增加約為1.96%，優(yōu)化槳的推進(jìn)性能更佳。

3.2 空泡試驗(yàn)

通過(guò)敞水試驗(yàn)，可以看到優(yōu)化槳的推進(jìn)性能得到較大提高。但為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化槳的綜合性能，還需進(jìn)行空泡試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證優(yōu)化槳是否能進(jìn)一步滿足空泡性能。

螺旋槳的空泡試驗(yàn)是在某循環(huán)水槽中進(jìn)行，水槽試驗(yàn)長(zhǎng)度為 11 m，寬度為 2.8 m，高度為 1.6 m，試驗(yàn)段中心線最大壓力調(diào)節(jié)為350 kPa。船模和螺旋槳模型按照一定比例制作，船模通過(guò)模型支架安裝在循環(huán)水槽試驗(yàn)段內(nèi)，用平板替代自由表面。

對(duì)實(shí)船伴流進(jìn)行正確的模擬是空泡觀測(cè)和脈動(dòng)壓力測(cè)量的關(guān)鍵。常規(guī)空泡水筒習(xí)慣采用網(wǎng)格來(lái)模擬軸向速度分布，很難對(duì)切向和徑向速度進(jìn)行模擬[8]。但大型循環(huán)水槽可以采用完整的船模來(lái)模擬伴流，將整個(gè)船模放入水中進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7 空泡試驗(yàn)水槽Fig.7 Cavitation test flume

該空泡試驗(yàn)是在壓載工況下進(jìn)行，試驗(yàn)應(yīng)滿足模型槳和實(shí)槳的推力系數(shù)和空泡數(shù)相等2個(gè)條件：

圖8 船模及槳模Fig.8 Ship model and propeller model

式中：KTS，KTm為實(shí)槳和模型槳的推進(jìn)系數(shù)；δns，δnm為實(shí)槳和模型槳的空泡數(shù)。

具體工況如表3所示。試驗(yàn)中，通過(guò)循環(huán)水槽通過(guò)調(diào)節(jié)水速和壓力來(lái)達(dá)到模型試驗(yàn)工況要求。

表3 空泡試驗(yàn)條件Tab.3 The cavitation test condition

空泡試驗(yàn)結(jié)果如下：

根據(jù)觀察到的空泡現(xiàn)象（見(jiàn)圖9），可以看出優(yōu)化后的空泡發(fā)生在葉背面，片狀空泡主要出現(xiàn)在200°～260°之間；梢渦空泡主要出現(xiàn)在 170°～300°之間；面空泡裕度大于15%；無(wú)云狀、轂渦、泡狀空泡產(chǎn)生。

總的來(lái)說(shuō)，在該工況下，螺旋槳的空泡類型為正?？张荩张菪阅芰己?，不會(huì)對(duì)螺旋槳材料帶來(lái)剝蝕風(fēng)險(xiǎn)，可安全應(yīng)用在實(shí)船上。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖9 優(yōu)化槳空泡現(xiàn)象Fig.9 The cavitation phenomenon for the optimized propeller

本文分析了螺旋槳的主要幾何參數(shù)和性能之間的關(guān)系，針對(duì)某船用高效螺旋槳，通過(guò)調(diào)整其盤(pán)面比、螺距等主要參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以追求最佳的推進(jìn)性能。同時(shí)，將優(yōu)化后的槳進(jìn)行了敞水和空泡試驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化槳在能夠保證空泡性能下，其在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近的敞水效率較原槳提高近2%左右，綜合性能更佳。該優(yōu)化方法可為相關(guān)船型的螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。