Kappel螺旋槳變參數水動力性能研究

秦耀明，賴海清，嚴 姬，李明敏

(廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣東 廣州 510250)

0 引 言

隨著EEDI（能效設計指標）的引入，人們對提高船舶運行能效的措施越來越感興趣。目前船舶節能主要措施之一就是開展高效的推進器研究，Kappel螺旋槳的出現意味著優異的推進效率，對于重點考慮較高的能效等級和最小的環境影響的高端船舶來說，Kappel螺旋槳是理想之選[1]。傳統螺旋槳的葉片幾何是在螺旋面上，而Kappel螺旋槳葉片幾何則是非平面的。如圖1所示，其葉片有一個擴展的葉尖，平滑地彎曲到葉片的吸力側[2]，可明顯增加螺旋槳有效展弦比，即增加螺旋槳有效直徑，因此可以增加螺旋槳效率。

賴海清等[3]利用Matlab和Solidworks工具，提出了一種快速、參數化生成Kappel螺旋槳三維模型的方法。宋晗[4]將Kappel螺旋槳與傳統螺旋槳噪聲進行對比試驗，發現Kappel螺旋槳在空泡性能方面要比傳統螺旋槳稍低,在設計過程中應將螺距與拱弧結合在一起考慮以改善它的空泡性能。王睿等[5]在空泡水筒中對設計的Kappel螺旋槳與傳統螺旋槳進行對比試驗，測試了兩者的空泡性能以及脈動壓力，同時對該螺旋槳的螺距和拱度變化進行了對比分析。對這種性能優異的螺旋槳進行更深入的研究。

1 初始螺旋槳對比

為了與Kappel螺旋槳進行對比，依靠OpenProp單個螺旋槳設計模塊，設計了一傳統螺旋槳，編號為Kap00，其參數尺寸如圖2所示。其截面翼型采用的厚度分布是NACA65010和NACAa=0.8的拱度分布，其中c/D表示各截面處弦長直徑比，t0/D為最大厚度直徑比，Skew為螺旋槳側斜角，以角度計，Xs/D表示縱傾度與直徑比值。

圖 1 普通螺旋槳（左）與Kappel螺旋槳（右）Fig. 1 Ordinary propeller (left) and Kappel propeller (right)

圖 2 Kap00尺寸參數軟件截圖Fig. 2 Screenshot of Kap00 dimension parameter software

需要注意到的是，Kap00并沒有任何縱傾，而Kappel螺旋槳的主要特征槳葉在0.875R以上有明顯縱傾，梢部向前彎曲呈圓弧狀。為此，以Kap00為原型，在此基礎上改進得到Kap01螺旋槳，圖3為此螺旋槳的縱傾分布對比，圖4為兩螺旋槳三維模型。

圖 3 Kap00與Kap01 縱傾分布Fig. 3 Longitudinal distribution of Kap00 and Kap01

2 Kappel螺旋槳CFD分析

圖 4 Kap00（左）與Kap01螺旋槳（右）三維模型Fig. 4 Three-dimensional models of Kap00 (left) and Kap01 propellers (right)

計算域采用圓柱形的流場域，分為內外流場。內流場為轉子區域，直徑為1.5D，長度取1D，螺旋槳槳盤位置處于該靜止流場的中心，采用MRF（Multiple Reference Frame）模型；外流場為靜止流場，直徑取5D，其中來流流場取4D，尾流長度為6D。網格采用多面體網格形式，針對改進后的螺旋槳，由于葉梢處曲面比較復雜，為了準確捕捉到其附近的流場信息，對葉梢處采用體網格加密形式，而遠離螺旋槳處則將網格尺寸適當放大，最終生成的網格個數為1210030，如圖5所示。

圖 5 計算域及網格模型Fig. 5 Calculation domain and grid model

在螺旋槳轉速一定的情況下，通過改變來流速度V，獲得不同進速系數J=0.2～0.7范圍內的Kap01螺旋槳的推力系數，扭矩系數以及效率，并與原型槳Kap00進行對比，各項計算數據繪制如表1所示。

可以看出，在設計航速J=0.5下，Kap00推力系數為0.1418，改進后的Kap01螺旋槳在設計點推力系數為0.1612，整體來看，Kappel螺旋槳在推力系數和扭矩系數都較原型槳增大，且變化量都隨著進速系數的增大而不斷增大，在J=0.7時達到最大增幅，分別是38.9%和33.04%。從螺旋槳設計理論上看，螺旋槳盤面比變化與縱傾的變化是息息相關的，增大了螺旋槳縱傾會使螺旋槳的盤面比增大，故推力和扭矩的增加是理所當然的。效率方面，Kap01螺旋槳較原型槳并沒有較大增幅，在設計點，螺旋槳敞水效率增大1.26%。J=0.2時，還出現了效率降低的現象。為了更深層次的探討以上各種變化量產生的原因，接下來將對螺旋槳的壓力特性進行分析。

表 1 Kap00與Kap01 水動力性能Tab. 1 Hydrodynamic properties of Kap00 and Kap01

圖6為在進速系數J=0.5時，2種螺旋槳在r/R=0.9葉切面的弦向壓力分布圖，其中x/L=0為導邊，x/L=1為隨邊。可以清晰看出，葉面壓力大于葉背壓力，且在同樣的葉切面處，Kap01螺旋槳的葉面葉背壓力差均值大于Kap00，這也就解釋了為什么Kap01螺旋槳推力大于常規Kap00螺旋槳。

圖 6 J=0.5 r=0.9R 葉切面壓力分布Fig. 6 J= 0.5r = 0.9 r pressure distribution on blade section

可以得知，葉梢具有明顯縱傾的Kap01螺旋槳確實能夠有效增加推進效率約1.3%，通過增大螺旋槳有效展弦比，增加了螺旋槳的有效直徑，從而產生了更大了推力。但是，還能不能進一步提高Kappel螺旋槳的效率，各參數對螺旋槳性能是如何影響的？為此，本文選擇了對螺旋槳葉的縱傾、側斜和弦長分布展開探討。

3 Kappel螺旋槳變參數分析

以Kap01為基礎，對其弦長分布和縱傾側斜進行調整，得到Kap02和Kap03。參數調整分別如圖7～圖9所示，Kap03較Kap01相比，在0.6R以上進行了縱傾調整，且增大了葉梢最頂端的縱傾角，同時為了使盤面比不至于發生太大改變，對側斜進行了微調。Kap02則是在Kap03的基礎上，增加了在槳葉徑向中部處弦長直徑比，其他參數則完全相同。

圖 7 縱傾調整Fig. 7 Trim adjustment

圖 8 側斜調整Fig. 8 Skew adjustment

圖 9 弦長調整Fig. 9 Chord length adjustment

圖10 為CFD在同等計算條件下的螺旋槳敞水性能曲線。結果表明，在調整了縱傾參數后，Kap03與Kap01相比，推力系數增加了5.1%，扭矩系數增大了3.9%，最終效率增加了2%。Kap02較Kap01，推力系數減小了1.2%，扭矩減小約1%，效率降低了1%。圖11為三槳在0.95R處的葉截面壓力分布圖，比較而言，推力系數的改變與葉截面上的壓差變化是相契合的。對Kap02來說，增大的弦長直徑比，直接增加了槳葉的浸水面積，導致與水的摩擦損失也相應增大，因此效率也受到影響。

綜上所述，在不改變其他參數的情況下，只有合理分布Kappel螺旋槳的弦長分布才能得到較高效率的推進器。同時，恰當的調整縱傾與側斜，可以改變葉梢的壓力分布，從而得到較高效率的螺旋槳。

圖 10 Kappel螺旋槳水動力曲線Fig. 10 Hydrodynamic curve of Kappel propeller

圖 11 J=0.5 r=0.97R 葉切面壓力分布Fig. 11 J= 0.5r = 0.97r blade section pressure distribution

4 結 語

新型Kappel螺旋槳的出現無疑對造船業的節能減排起到了極大的推進的作用。本文預報了Kappel螺旋槳的敞水性能，并探索了側斜、縱傾及弦長分布對其水動力性能的影響，通過分析比較，得到以下結論：

1）Kappel螺旋槳通過對葉梢的改進，確實能夠增大螺旋槳的有效直徑，在對槳徑有限制的船舶上，其優勢顯著。

2）葉梢有載螺旋槳能夠有效阻止葉梢處壓力的相互干擾，維持整個槳葉有較大的壓力差，從而改善螺旋槳的推力性能，能夠提高螺旋槳效率4%左右。

3）螺旋槳的弦長和側斜對葉梢有載螺旋槳會產生較大影響，通過縱傾和弦長的配合，可以改善槳葉的壓力分布，有助于抑制梢渦空泡的發生。