兩棲輪式車輛用螺旋槳設計參數的確定方法

李 軍，馮付勇，魏躍強，汪建兵，郭文珺

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

兩棲輪式車輛基于陸地行駛需要所具有的特定外形和行駛裝置，與船舶構型差別顯著，其特點為長度小、表面積小、形狀變化突出，使其螺旋槳參數的確定與普通船用螺旋槳有很大的不同。兩棲輪式車輛保持某一穩定的速度航行，是發動機、推進器和一定的車體外形三者相互匹配的結果。其中發動機是能量的提供者，車體則是能量的接受者，而推進器擔負著轉換器的角色，通過推進器的運轉，使發動機的能量轉換成車輛前進的動力［1］。因此，車體—螺旋槳—發動機之間能量轉換及工作狀態是相互牽制和相互關聯的。

船舶其水線下船體的線型均嚴格按照流體力學特性設計，可以將水阻力效應減至最低，但是兩棲輪式車輛為了兼顧陸上行駛，車體線型和船舶相去甚遠，阻力系數遠高于一般船舶，螺旋槳的負荷很大，本文將結合兩棲輪式車輛的結構和使用特點，來分析其螺旋槳的設計參數如何確定。

1 螺旋槳推力的確定

兩棲輪式車輛在水面航行時，螺旋槳的推力受到很多因素的影響，與發動機、水上傳動裝置、車體外形相互匹配有關，在已知兩棲輪式車輛設計點的航速v0情況下，螺旋槳的有效推力Te等于車輛在航速v0時的航行阻力Rvo，即

由于兩棲輪式車輛結構與使用情況與船舶差別顯著，船舶理論中有關航行阻力的分析計算方法對兩棲輪式車輛已不甚適用，而兩棲輪式車輛的航行阻力Rvo包含3 種成分:摩擦主力Rf、形狀阻力Rp、興波阻力Rw。其中摩擦阻力只與濕表面積以及車體表面粗糙度有關，與車體的形狀無關。形狀阻力和興波阻力是兩棲輪式車輛行駛阻力的主要成分，而這2 種阻力在不同的水上航速時，其所占的比例是不同的，當速度較低時(有研究表明小于1.78 m /s )，以形狀阻力為主;航速較高時(大于1.78 m /s )，阻力增加非常快，此時以興波阻力為主［2］。兩棲輪式車輛的航行阻力Rvo其值為

其中:

式中:Cr為摩擦系數;Ck為粗糙度系數;Cw為興波阻力系數;AM為橫剖面面積;lr為去流段長度;A 為車輛浸水表面面積。

通過式(3)～式(5)可得出

同時由于螺旋槳在車輛尾部工作時有吸水作用，使車輛尾部水流速度增大，如圖1、圖2 所示。

圖1 管內流線

圖2 管內速度矢量

根據伯努利定理，螺旋槳的工作引起車體總阻力的增加，損失了一部分螺旋槳推力，則設計螺旋槳需要的總推力值為

式中t 為推力減額系數。

通過式(1)、式(6)和式(7)可得出

兩棲輪式車輛在水面航行時，其流體動力性能基本上取決于車體和行動部分的流體動力性能，以及它們之間的相互影響。當在已知兩棲輪式車輛設計點的航速v0情況下，螺旋槳產生的推力與兩棲輪式車輛在水上航行時的總阻力相等。水上航行速度對推力的影響較大，隨著水上航行速度的增加，推力值成平方增加，不同車輛外形參數往往會導致阻力性能的變化，進而影響推力的大小。

螺旋槳推力的確定除了應用上述經驗公式以為，還可以通過仿真計算求出。本文采用ICEM 對車體劃分網格，生成的網格文件導入Fluent 軟件進行求解。圖3 給出了兩棲輪式車輛在設計點航速時，兩棲輪式車輛水中的姿態。圖4 和圖5 給出了車體表面的壓力和動壓的分布情況?？梢钥闯?由于黏性和形體的原因，流場中出現了大量的漩渦，導致首尾形成壓差。

圖3 兩棲輪式車輛航行姿態

圖4 車體壓力分布

圖6和圖7 進一步給出了中截面處流場的靜壓和動壓分布?？梢悦黠@看到不同部位的受力分布。車體的首部出現了明顯的高壓區。車尾與車底連接的地方出現的低壓區，這是由于此處的速度較高的原因。如果在此處改為平滑過渡，將有利于提高車體所受的升力。

圖5 車體動壓分布

圖6 縱截面處壓力分布

圖7 縱截面處動壓分布

本文采用隱式算法的求解器;多相流模型選用對自由液面進行追蹤的VOF 模型，它對自由液面的追蹤方法是幾何重構的方法;湍流模型選用重整化的k -模型。算出車體表面的壓力和摩擦力后，對車體表面記性積分，即可以得出車體所受的升力和阻力，然后通過式(1)、式(7)即可求出螺旋槳的推力。

2 螺旋槳葉數

螺旋槳葉數在2 ～6 之間。若直徑和盤面比相同，則葉數少時效率較高，葉數多時則因翼柵作用較嚴重而使效率較低。嚴格來說，螺旋槳葉數的最佳選擇必須用計算比較的方法來進行，比較簡單的判定方法可以按照下述公式進行

當Kn≥1 時，葉片數選3;當Kn＜1，葉片數選4。

但是，葉數對螺旋槳效率的影響并不嚴重，只是對振動、噪音和空泡等影響較大。從減小振動看，葉數多有利，但是當盤面比一定時，葉數增加會增加葉片截面厚度，容易發生空泡，所以從這個方面考慮，葉數以少為宜。另外，葉數多者，因為葉柵干擾作用增大，所以效率下降。

3 螺旋槳的轉速及直徑

水上推進裝置的數量及其安裝位置是由車輛水上航行時所需要的推力大小及車輛的總體布置決定的。兩棲輪式車輛水上傳動系統一般采用機械傳動方案，螺旋槳通過與水上傳動箱連接，把發動機輸出的動力轉變成水上推力，滿足車輛在水上行駛的要求。螺旋槳轉速的確定與發動機的轉速和傳動裝置的傳動比有關，兩棲輪式車輛發動機的最大轉速一般為2 200 ～2 500 r/min，考慮到水上傳動箱的體積和質量因素，其傳動比不宜過大，螺旋槳的轉速初步選擇在1 500 ～1 700 r/min 左右;若兩棲輪式車輛水上傳動系統采用液壓泵馬達方案時，泵與發動機自由端連接，螺旋槳與液壓馬達連接，把發動機輸出的動力轉變成水上推力，其螺旋槳設計轉速比機械傳動方案可提升15%左右。

螺旋槳轉速的確定還應考慮螺旋槳直徑的變化因素，螺旋槳的直徑是進行螺旋槳設計的一個重要參數，螺旋槳的尺寸效應比較明顯，按照螺旋槳推進理論，螺旋槳直徑越大，轉速越低，則敞水效率越高，但兩棲輪式車輛用螺旋槳由于受兩棲輪式車輛結構尺寸和車輛吃水的限制，其槳葉的直徑不能超出車輛最大車寬，若螺旋槳直徑過大將影響螺旋槳和車體的配合，使車身效率下降，對總的推進效率不利。

如圖8 所示，根據兩棲輪式車輛外形結構及總體布置，螺旋槳的直徑要控制在浮箱甲板寬帶以內。

圖8 螺旋槳直徑的范圍

即

根據螺旋槳模型敞水試驗，螺旋槳最佳轉速為

根據式(10)和式(11)可算出螺旋槳最適合的轉速，其值為

式中:D 為螺旋槳直徑;T 為螺旋槳推力。

螺旋槳設計轉速的確定還應考慮計算的空泡轉速。當空泡發生在槳葉局部地方時，槳葉出現剝蝕現象。隨著空泡的擴展，螺旋槳水動力特性受到影響，推力系數和轉矩系數都較無空泡時為低［3］，則不發生空泡其螺旋槳的臨界轉速為

式中:Ck為空泡現象系數;R 為螺旋槳半徑;hc為槳葉切面的沉沒深度。

減小轉速，可推遲空泡現象的發生，則螺旋槳設計轉速為

由式(12)和式(14)可得出螺旋槳最佳轉速

另外，兩棲輪式車輛車體為薄殼車體，而薄殼車體結構為復雜的多自由度系統，所受的激勵多為寬帶激勵，如果螺旋槳的轉速過高，可能會引起車體共振，這樣對螺旋槳的安裝固定有更高的要求，需要采取有效措施減小振動峰值，加寬減振頻率范圍。

4 螺旋槳的螺距比

螺距比H/D 是螺距H 與螺旋槳直徑D 的比值，是影響螺旋槳性能的主要因素，兩個螺旋槳僅由于螺距比不同，其效率曲線就有明顯的差別，螺距比越大，推力系數和轉矩系數越大。當螺旋槳收到功率和轉速一定時，螺旋槳直徑越小，螺距比越大。但是螺旋槳的螺距比不能過大，螺距比過大容易產生空泡，并且不易加工制造，因此設計螺旋槳時應該綜合考慮直徑和螺距比的關系，盡可能優化最終設計方案。

在進行螺旋槳設計過程中，由于兩棲輪式車輛對螺旋槳的直徑尺寸限制較嚴，根據推力公式

當T 一定時，螺旋槳的直徑根據總體布置的要求需要減小時，可通過提高轉速或增大推力系數的方法解決。增加轉速需要改變傳動比，會增加水上傳動箱體積和質量，這樣會增加水上傳動箱在總體方案中的布置難度，同時增大轉速，會對螺旋槳的安裝固定提出更高的要求，因此一般不會采用增大轉速的辦法，相應的采用增大螺旋槳的推力系數的方法。從圖9 可知，當進速系數相同時，增大螺旋槳的螺距比可使槳葉的攻角增大，進而可提高螺旋槳的推力系數。

5 槳葉外型

槳葉外形輪廓對螺旋槳性能影響影響較小，其展開形狀接近于橢圓型者為良好葉型。槳葉根部與槳轂連接處應采用大圓角過度，減小應力又減少渦流，保證螺旋槳效率。

螺旋槳常用的葉片截面形狀有弓型和機翼型2 種見圖10，弓型截面的壓力分布均勻，不易產生空泡，在低負荷系數時，其效率比采用機翼型截片者低3% ～4%。根據螺旋槳槳葉靜壓表面分布圖，如圖11 所示，螺旋槳的葉片截面形狀一般選擇混合截面組合，即葉稍部分選用弓型截面，中段和根部選擇機翼型截面。

圖9 螺旋槳推力系數曲線

圖10 螺旋槳槳葉外型

圖11 螺旋槳槳葉靜壓表面

6 結論

從上述對兩棲輪式車輛螺旋槳參數的分析中，對兩棲輪式車輛用螺旋槳的設計有了進一步的認識，從中可以看出，對于兩棲輪式車輛這種復雜的系統，其螺旋槳設計是多目標決策，重點在于和車體、發動機的多參數優化匹配，為此應盡快利用已經獲得的數字模型和實車試驗數據，進行模擬仿真對比研究，建立起比較完整的理論體系和設計方法，提高我國兩棲輪式車輛用螺旋槳的設計水平。

［1］雷建宇，潘玉田，馬新謀.兩棲輪式車輛水上推進裝置的研究［J］.機械管理開發，2005(2):3-5.

［2］賈小平，于魁龍.減小兩棲輪式車輛水上行駛阻力的方案探討［J］.裝甲兵工程學院學報，1998(3):54-58.

［3］廣東工學院造船系編寫組.船用螺旋槳設計［M］.北京:人民交通出版社，1976.