導管螺旋槳設計和水動力性能分析

陳 寧， 賴海清

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

導管螺旋槳設計和水動力性能分析

陳 寧， 賴海清

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

針對消拖兩用船的綜合舵槳系統，在綜合舵槳動力傳輸系統結構設計基礎上，對螺旋槳進行了設計研究，利用有限元方法分析了螺旋槳敞水工作時的推力、轉矩、敞水效率以及槳葉的總壓分布規律，并與實驗值進行了對比，發現結論與理論分析結果吻合良好，從而初步形成了從最初的船型參數到預報螺旋槳敞水性能的整個綜合舵槳的設計流程，具有一定參考價值。

導管螺旋槳 敞水效率 總壓分布

1 引言

導管螺旋槳是一種特殊的推進器，我國已經對其進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，導管對螺旋槳有保護作用，且導管能顯著改善航向穩定性等優點。因此，在需要運動自如的工程船舶上，導管螺旋槳常被開發成綜合舵槳系統[2,3]用于工程船上。導管螺旋槳在結構形式、外型和水動力性能等方面與常規螺旋槳都有較大的差別。導管螺旋槳的設計，包括導管設計和螺旋槳設計兩部分。國內外常用于導管內的螺旋槳有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。導管也有多種型號，以4號導管、5號導管、7號導管、19A號導管和37號導管應用得較多。本文采用了圖譜估算方法對綜合舵槳系統的導管螺旋槳水動力性能進行計算和研究，并結合導管螺旋槳的敞水實驗進行了驗證。

2 螺旋槳設計

廣州鴻業拖船有限公司的2×2 500 kW消拖兩用船技術規格書所提供的技術參數如表1所示。

表1 螺旋槳規格要求

由于規格書已經指定了螺旋槳的型式，在現有的設計圖譜情況下，選取用正常功率航行作為設計工況進行螺旋槳設計，具體要點如下。

2.1 參數的確定

該船的船體參數如表2所示。

表2 船型參數表

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

2.2 計算不同的基準盤面比所對應槳的最佳要素及最大航速

假定10kn～14kn航速進行計算，在B4-55和B4-70基準盤面比的Bp-(1/J)圖譜上，由每一個航速在圖譜的最佳效率線上對應的點讀出其相應的螺旋槳效率η0，螺距比P/D和直徑系數σ，從而計算出與其對應的最佳直徑D和螺旋槳的有效功率。據此得到在各個基準盤面比下的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盤面比下螺旋槳的最佳要素和可達到的最大航速。

2.3 空泡校核確定設計槳的最佳要素

在目前還沒有可調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，先計算出每一基準盤面比在滿足空泡要求的條件下所需的盤面比。據此計算結果，求得不發生空泡的最小盤面比及其對應的螺旋槳最佳要素：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 強度校核

按《鋼質海船入級與建造規范》中對螺旋槳強度的要求，對螺旋槳槳葉的厚度t(可調距螺旋槳為0.35R和0.6R剖面處)進行校核。根據校核的計算結果取定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

根據前述已確定的盤面比和螺距比，在“19A導管+Ka系列槳的敞水特性曲線”圖譜中用內插方法得到各進速系數J對應的推力系數KT和轉矩系數KQ的值，即得到該導管螺旋槳的敞水特性曲線。

2.6 系柱特性計算

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

最終得到螺旋槳結構參數如表3所示。

表3 螺旋槳結構參數

3 螺旋槳的建模與CFD邊界條件設定

3.1 建立模型

對于螺旋槳三維建模來說，縱斜、側斜角和螺距角是重要特征角度，需要通過相應的坐標轉換而來，通過螺旋槳基本參數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的關系式[5]。根據文獻[5]提供的方法，運用Excel強大的數據處理功能，進行編程，將二維坐標轉換三維數據點，最終得到三維空間內的螺旋槳坐標。同樣，根據19A標準導管數據轉換得到最終三維導管實際型值，然后將數據導入到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，通過旋轉復制完成其余3塊葉片的創建，最后由布爾運算，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 內域網格劃分

3.2 控制區域

完成導管槳的實體建模后，需要建立控制域。控制域大小的選擇會影響到數值模擬的真實性和計算結果的準確性，因此，必須要根據導管槳模型尺度及計算要求建立恰當的控制域。本文在導管槳的敞水性能預報計算中假設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，控制域的內邊界取在導管槳導管壁外側，外邊界面即外流計算的無窮遠邊界，取在直徑約為螺旋槳直徑4倍的圓柱體表面上，進行布爾運算時第一次用大圓柱減去導管所包圍的體，需要保留導管所包圍的體，第二次用導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，遠場區域取4D的槳葉徑向位置。

3.3 網格控制

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

3.4 邊界條件及求解器設置

假定流體為不可壓恒溫流體，進口邊界設置為速度進口邊界條件，速度為V(即為螺旋槳進速J)；出口邊界定義為自由出口；圓柱體側面設置為壁面邊界條件，流場內部的分割面均設為interior邊界條件，以使流體順利通過這些分割面；螺旋槳葉，導管表面均設為無滑移固壁條件，近壁區采用標準壁面函數，并且考慮壁面粗糙度的影響。計算域內的流體則按MRF模型設置為繞軸以角速度230r/min順時針旋轉(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、壓力的離散采用標準格式、湍流動能和湍流耗散率均使用離散格式皆為二階迎風式。進行迭代求解直至收斂計算結束。

4 敞水計算結果分析

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

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 實驗數據與模擬數據對比圖

從圖3可知：推力系數KT、扭矩系數KQ及敞水效率η0的計算結果與試驗結果走勢基本一致，從整體來看，仿真效果比較好，最大誤差不超過10%。分析誤差產生原因，主要是由于實物模型與數字模型存在偏差、試驗與仿真工況無法完全相同(例如雷諾數和試驗時的伴流)、軟件的計算精度及網格精度等原因造成的，但總體來說，兩者結果基本吻合。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計應用的需求。

5 螺旋槳工作流場分析

螺旋槳表現出來的宏觀力是推力與扭矩，要細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。

以螺旋槳進速系數J=0.2時工況為例，對槳葉r=0.5R處切面進行考察，其葉面與葉背總壓力云圖如圖4所示。在導邊附近，存在壓力集中區，隨著坐標沿翼面從導邊向隨邊移動，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給出了在不同進速系數下，葉背壓力分布。從圖中可以看出，葉背中間區域的負荷分布較為均勻，葉背梢部附近壓力最低，也最容易產生空

[][]

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

泡現象。同時，螺旋槳進速系數低的時候，葉背壓力也小，故而能產生更大的壓力差，形成更大的推力，與理論結果一致。

圖7為螺旋槳縱剖面軸向流速分布云圖。流體在導管的入口處被加速，形成一個橢球形區域。越靠近導管部的流體，被加速的程度越明顯。由于導管的存在，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，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 結論

本文依據實船提出的實際需求，在只知船型參數的情況下，詳述了螺旋槳的設計、計算、分析的整個流程，描述了螺旋槳圖譜設計法的注意事項和要點，并用Excel實現螺旋槳三維坐標的轉化。通過對導管螺旋槳模型的建立，網格的劃分和邊界參數的設置，計算了敞水螺旋槳的水動力性能。在不同進速系數下導管螺旋槳的推力系數、轉矩系數及效率，FLUENT計算結果和試驗相對比，結果基本吻合，最大誤差在10%左右，能夠滿足工程上的設計需要。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。

[1] 王國強，盛振邦.船舶推進[M].上海：上海交通大學出版社，1995.

[2] 陳寧，侯偉，侯淑玲. 基于 Adams 的調距槳滑塊式調距機構運動學分析[J].船舶工程，2013,35(3):31-33.

[3] 陳寧，侯淑玲，侯偉. 全回轉舵槳齒輪系的齒面接觸應力分析[J]. 船舶工程，2013,35(2):35-37.

[4] 胡志安.特種推進器[M].廣州：華南理工大學出版社，1996.

[5] 姚震球，高慧，楊春蕾．螺旋槳三維建模與水動力數值分析[J]．船舶工程，2008，30(6)：23-26.

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江蘇省產學研聯合創新資金前瞻性聯合研究面上引導項目《深水作業全回轉動力定位綜合舵槳(Z型)推進系統研究》，項目編號：BY2011142。

陳 寧(1963-)，男，教授。

U662

A