重載深潛推進器性能分析及設計

顏 翚，葛 彤，劉建民，趙 敏

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

1 引 言

通常深潛器具有阻力大，航速低，推進器的負荷特別重的特點。當載荷系數較大時，與普通槳相比，導管螺旋槳可以達到較高的效率[1]。但是，如果導管和螺旋槳的相互關系處理不當會降低推進系統(tǒng)效率，嚴重的還會產生導管振動和空泡剝蝕、噪聲等問題。關于導管槳水動力性能的研究，有部分集中在導管槳的水動力預報上，或用CFD軟件對導管槳的流動特性和內部流場進行分析[2]，或用面元法、渦格法等分析導管槳性能[3-7]；還有部分研究是通過導管槳的系列敞水試驗提供可供參考的設計圖譜或者定性結論[8-10]。導管槳通常采用剖面為某一翼型的導管與普通系列槳相配合的形式。對于某一特定加速型導管來說，與其配合的系列槳的參數不同，會明顯影響導管槳的性能。本文針對深潛器的特點，以DSN2導管為例，結合試驗來預報其與不同槳型配合時的性能，并給出選型建議，從而可以快速地為某一特定重載情況下深潛器設計出滿足使用要求的推進器。

2 導管槳推進原理分析

從推進器的性能原理來看，推進器的負荷大小通常有兩種表示方法：功率系數BP和載荷系數σT。深潛器的功率系數BP值可大致取800左右，其表達式為

其中：N—螺旋槳轉速；PD—螺旋槳收到馬力；VA—螺旋槳進速；KQ—螺旋槳轉矩系數；J—螺旋槳進速系數。

深潛器的載荷系數σT值可大至取12左右，其表示式為：

其中：T—螺旋槳發(fā)出推力；A0—螺旋槳槳盤面積；VA—螺旋槳進速。

導管螺旋槳使重載螺旋槳效率提高的原因，不是由于在導管上產生了額外的推力，而是因為在導管上產生推力的同時，槳盤處的水流受到加速，螺旋槳產生的推力減小。螺旋槳一部分尾渦變成了導管的附著渦，這些渦引起導管上的環(huán)流，從而減少了尾流的能量損失，只要這種減小的損失在數量上超過導管本身阻力的損失，那么導管槳的效率就高于普通槳。這種導管稱為加速型導管。螺旋槳的載荷越重，尾流能量損失越大，采用加速型導管槳帶來的好處就越多。

3 普通B系列3葉槳性能分析

導管槳的設計通常使用導管槳系列實驗圖譜，當圖譜資料并不全面的時候，就需要一種簡易的設計方法，根據現有的圖譜資料，進行初步估算，確定所需要的推進器的參數，例如盤面比、螺距比等。為了解同樣的導管配合不同的槳使用時敞水性能特點，需要對現有的資料進行分析，了解配套槳型對導管槳敞水效率的影響。本文僅針對B系列3葉槳參數進行討論，圖1、圖2顯示了0.35、0.5和0.6盤面比下，普通B系列3葉槳在不同螺距比下的推力系數與效率的變化情況，根據圖中所示曲線分析其盤面比與螺距比變化對敞水性能的影響。

圖1 B3-35、3-50和3-65推力系數比較Fig.1 Comparison of the thrust factor of B3-35,3-50 and 3-6

圖2 B3-35、3-50和3-65效率5 Fig.2 Comparison of the efficiency of B3-35,3-50 and 3-65

3.1 盤面比對普通槳性能影響分析

很容易看出，在大部分情況下，螺旋槳的推力系數隨著盤面比的增大而不斷減小，這是合理的，一般情況下，盤面比越小，軸向誘導流速度越大，根據動量定理可知，推進器產生較大的推力。而在重載情況下，螺旋槳的推力系數隨著盤面比的增大而不斷增大；效率隨著盤面比的增大而減小。

3.2 螺距比P/D對普通槳性能影響分析

如圖3所示，取葉元體進行分析，設螺旋槳的轉速為n，進速為VA，則其旋轉一周在軸向所欠近的距離hp=VA/n稱為進程。螺距P和進程hp之差 （P- hp）稱為滑脫比并以s來表示，即s=（P-hp）/P=1-hp/P=1-VA/（Pn）。 在滑脫比s一定的情況下，若不考慮誘導速度，螺距比P/D的大小標志著攻角α的大小，螺距比P/D大時，攻角α大，螺旋槳的推力和轉矩亦大，與圖1所示情況吻合。

由圖2可知，盤面比相同的槳，螺距比大的槳有較高的最大效率，但是在重載情況下情況正好相反，螺距比較小的槳推進效率較高。

根據以上結論，容易得知設計重載情況下推進器時，如果推力優(yōu)先，考慮較大盤面比與較大螺距比的槳；如果效率優(yōu)先，則需要考慮較小盤面比與較小螺距比的槳。

圖3 不同螺距比槳葉旋轉一周葉元體運動情況Fig.3 The propeller blade element motion under different P/D

4 DSN2導管槳性能分析

4.1 DSN2導管+B3-50導管槳與B3-50普通槳性能對比

上海交通大學深潛技術研究室考慮到特重負荷時螺旋槳的性能，發(fā)展了DSN導管+B3-50系列導管槳，進行了敞水試驗[2]并提供了設計圖譜，將DSN2導管+B3-50導管槳與B3-50普通槳性能進行對比，如圖 4，5所示。

4.2 P/D

螺距比 對導管槳性能影響分析

由圖4和圖5可以看出，使用DSN2型導管的B3-50導管槳與普通槳相比，重載情況下（進速系數較低時），在效率方面，DSN2導管槳具有較高的效率，并且，在特重載荷情況（功率系數>790），螺距比P/D越小，導管槳的敞水效率越高；在推力方面，當螺距比P/D小于某一數值時，DSN2導管+B3-50導管槳系柱推力有一定程度的減小，而P/D足夠大時，DSN2導管推力比普通槳高出越多。

圖4 B3-50導管槳與普通槳推力系數Fig.4 Comparison of the thrust factor of common propeller with duct propeller

圖5 B3-50導管槳與普通槳效率Fig.5 Comparison of the efficiency of common propeller with ducted propeller

圖6 B3-50導管槳與普通槳推力系數偏差Fig.6 Comparison of the thrust factor deviation of common propeller with duct propeller

圖7 B3-50導管槳與普通槳推效率偏差Fig.7 Comparison of the efficiency deviation of common propeller with duct propeller

圖6和圖7表示不同螺距比下，使用DSN2型導管的B3-50導管槳與普通槳敞水性能偏差百分比，其中，偏差百分比的計算公式為

其中：deviation—偏差；para_n—導管槳性能參數值；para—普通槳性能參數值。

由圖6和圖7可以看出，加上DSN2導管后，在重載情況（進速系數較低）下，推力方面B3-50導管槳與B3-50普通槳推力系數偏差百分比隨著螺距比的減小而減小，螺距比小于0.8時，導管槳系泊推力系數小于普通槳，即在螺距比小于0.8時，同樣進速系數下，導管槳發(fā)出的推力比普通槳小，這種推力性能的偏差百分比隨著螺距比的減小而降低；在效率方面同樣進速系數下導管槳的效率卻比普通槳高，導管槳顯示出來優(yōu)秀的敞水效率性能，這種效率性能的偏差百分比隨著螺距比的減小而增大。

在螺旋槳載荷減小至一定程度時，導管槳的敞水效率反而比普通槳更低，推力系數也迅速減小至小于普通槳，并且螺距比小的槳效率下降更快。此時，意味著導管本身阻力的損失已經大于由于導管存在而減小的尾流損失。

所以，當螺旋槳需要工作在重載（低進速系數）情況下時，如果推力優(yōu)先，考慮較大螺距比的槳；如果效率優(yōu)先，需要選擇螺距比P/D較小的螺旋槳，這點與第3節(jié)結論吻合。

5 DSN2導管與普通槳配合設計及試驗

5.1 DSN2導管與普通槳配合設計選型及試驗

為特定的深潛器設計推進器時，可以根據第4節(jié)的結論來快速選擇推進器的型式。為某極限海深潛器設計推進器：其航速較低，載荷系數σT約為11，功率系數BP約為790，由自帶電池供電，并且對設備重量要求比較嚴格。

針對這樣的深潛器，設計推進器時需要在滿足設計航速時優(yōu)先考慮效率，選擇重載情況下效率較優(yōu)的推進器，使用DSN2導管配套普通螺旋槳，由第4節(jié)結論知道，需選擇螺距比P/D較小的螺旋槳。此深潛器工作在壓力較大的環(huán)境中，航速較低，可以忽略可能產生空泡的因素，由第4節(jié)推論，效率優(yōu)先時，考慮盤面比和螺距比都較小的螺旋槳。

為檢驗實際情況是否如上所述，本文根據上文推論，選擇螺距比為0.5的B3-35螺旋槳與DSN2導管配合，導管長徑比取1，導管與槳葉稍間隙2 mm。試驗裝置如圖8所示。

取其敞水實驗結果和普通導管槳相比，如圖9所示。顯見，在相同進速系數下，導管槳的推力與普通槳相比，有所減小，但是在進速系數小于0.23的范圍內，推進效率明顯高于普通槳。經過計算發(fā)現，該推進器主要工作點在進速系數0.18附近，設計完全符合使用要求。

圖8 敞水試驗裝置Fig.8 The device of open water test

圖9 B3-35導管槳與普通槳性能對比Fig.9 Comparison of the performance of common propeller with duct propeller

5.2 試驗結果分析

為驗證盤面比對導管槳性能影響，分別取B3-35導管槳和B3-50導管槳與普通槳的敞水性能的偏差進行對比（都取螺距比P/D為0.5），偏差計算公式為：

其中：deviation—性能偏差；para_n—導管槳性能參數值；para—普通槳性能參數值。

對比結果如圖10所示，顯見，在同樣的進速系數下，具有較小盤面比的B3-35的導管槳比B3-50導管槳具有更高的敞水效率。與普通槳相同，當與導管配合后，在重載情況下，螺距比相同時盤面比較小的推進器具有更高的推進效率。

6 結 論

設計深潛器所需的推進器需要綜合考慮深潛器的要求，例如：推進器負載情況、重量要求、尺寸要求、效率要求、空泡性能和振動要求等等。通常情況下，深潛器都工作在重載情況下，可以選擇導管與普通槳配合使用，再根據其設計要求確定其他參數。通過以上分析，我們可以得到幾點結論：

（1）螺距比大的推進器可以提供較大的推力，并

且在輕載情況下有較高的效率，而重載情況下，螺距比較小的推進器有較大的推進效率。

圖10 B3-35與B3-50導管槳性能偏差比較Fig.10 Comparison of the performance deviation of common propeller with duct propeller

（2）與導管配合后，螺距比相同時盤面比較小的推進器具有更高的推進效率。

（3）只有在重載情況下，才能體現出導管槳的優(yōu)勢，提供比普通槳更高的效率，而在輕載情況下，導管槳自身的阻力已經超過它所能減小的能量損失，反而比普通槳效率更低。

（4）導管槳在重載情況下提供了更大的效率，但是并不意味著可以提供更大的系泊推力，只有當與其配合的槳的螺距比大到某一程度時才可以提供比普通槳更大的系泊推力，例如，當與B3-50槳配合時，當螺距比大于0.8時，導管槳提供更大的系泊推力。

根據本文分析得到的結論，可以比較容易地將設計參考選定在一個較小并且準確的范圍內，從而快速地設計出滿足使用要求的推進器。

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