半浸式螺旋槳強度計算分析

馬衛澤，唐小光

(武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，湖北 武漢 430083)

0 引言

半浸式螺旋槳是近年來國內發展比較迅速的一種高速推進螺旋槳。在工作時，部分槳葉位于水面以上，并交替入水。這樣的工作狀態對螺旋槳葉片的強度有著很高的要求，目前國內對半浸式螺旋槳強度進行校核的案例較少。

常規螺旋槳強度校核的方法通常采用懸臂梁法。懸臂梁法只能對螺旋槳的強度進行淺顯的分析，且常規螺旋槳是完全浸沒在水中的，其葉片的受力是一個相對固定的值，所以懸臂梁法不能滿足半浸式螺旋槳特殊工作狀態的設計需求。因此，本文采用有限元法對半浸式螺旋槳的強度進行分析，將半浸式螺旋槳在實際工作狀態下所受到的各種沖擊載荷代入到有限元分析模型當中，對葉片進行應力應變的評估。

1 半浸式螺旋槳的受力

常規螺旋槳全部浸沒在水中，它的推力與扭矩大小都是恒定的，由水流產生的壓力大小可忽略不計。然而，半浸式螺旋槳在運轉時其槳葉一半在水面上，一半在水面下，且槳葉交替入水(見圖1)，產生的推力和扭矩會隨著船舶的航行狀態的變化而變化，從而對半浸式螺旋槳的槳葉產生了不同的交變應力。況且，半浸式螺旋槳在航行中可根據船舶的航行速度和狀態改變槳軸的水平角度，不同的角度產生不同的推力及扭矩，這時槳葉的交變應力加大，槳葉的強度面臨巨大的考驗。

ZF—水流對葉片的垂向應力。

半浸槳在運轉過程中，槳葉有一半處于水面下，整個槳葉的受力分布有著很大的不均勻性和不對稱性，因此半浸槳除了能產生推力外，還會產生垂向升力及側向水平力(見圖2)，這兩個力同樣具有周期性和不對稱性。由文獻[3]可知：半浸槳槳軸在水平方向有一定傾角時，能得到水平力與對力的合成應力，從而形成對船艇的更大的推力。

2 理論計算方法

對于給定值計算如下：

式中：

K

為轉矩系數；

J

為推進系數；

P

為螺旋槳吸收功率，kW；

n

為主機轉速，r/min；

ρ

為流體密度，kg/m；

V

為航速，kn。

V—航速；T—推力；Q—槳軸扭矩；α—軸向角度；n—主機轉速；Fa—軸向力；Z0—艉軸支撐距離；Mx—垂向彎矩；My—側向彎矩；Fx—螺旋槳法向力分量；Fy—螺旋槳側向力分量。

推進系數

J

和效率

η

可根據不同的螺距比確定，從而得出最佳螺旋槳直徑。螺旋槳推力

T

可由下式得出：

式中：

η

為效率。

螺旋槳推力和彎矩的二次綱量定義如下：

(1)垂直力比：

式中：

F

為水平垂向力，N。

(2)側向力比：

式中：

F

為側向力，N。(3)彎矩比(

x

軸方向)：

式中：

R

為螺旋槳半徑。(4)彎矩比(

y

軸方向)：

圖2中，艉軸獲得的最大彎矩

M

為

式中：

R

為裝置擺動水平半徑。(5)垂直力比

F

/

T

的關系式為

(6)軸的最大彎曲應力

S

為

式中：

D

為軸徑，mm。此外，軸承受槳軸扭矩

Q

的最大剪切應力為

由于軸向載荷對推力的影響較小，可以忽略不計。由“彈性理論”所定義的“比較應力

S

”的關系式為

相對應的比例式如下：

3 實際案例數據

本文以MSD 200型半浸式螺旋槳推進裝置為例，選用2臺110.25 kW船用柴油機以匹配MSD 200型半浸式螺旋槳推進裝置進行理論設計計算和航行試驗。詳細設計條件及參數如下：

(1)半浸式螺旋槳設計條件

半浸式螺旋槳吸收功率110.25 kW；主機轉速3 100 r/min；減速比1.51；扭矩515 N·m；航速30 kn；空泡數～0.2；艉軸支撐距離0.166 m；

K

/

J

=0.002。

(2)半浸式螺旋槳承受力

浸沒深度比58%；軸間角12°；效率0.46；進度系數0.98；推力5 500 N；直徑0.435 m；垂向力系數0.95；側向力系數0.2；垂向力5 225 N；側向力1 100 N。

(3)螺旋槳參數

直徑435 mm；螺距610 mm；螺距比1.4；盤面比0.86；Cu3(鎳鋁青銅)；密度7 600 kg/m；彈性模量110 GPa；泊松比0.37；抗拉強度590 MPa；屈服強度245 MPa。

4 半浸式螺旋槳模型建立和有限元分析

在HydroComp PropCad軟件中輸入螺旋槳的相關參數及槳型，對生成后的三維模型進行局部修正即可得到完整的半浸式螺旋槳的模型。模型建立完成后導入至Solidworks軟件中進行有限元靜力學分析。軟件分析的過程和最終結果見圖3～圖7。

圖3 HydroComp PropCad軟件建立螺旋槳模型

圖4 螺旋槳模型網格化分析

圖5 螺旋槳模型應力分析

圖6 螺旋槳模型應變分析

圖7 螺旋槳模型位移分析

5 計算結果分析

螺旋槳有限元計算數值見表1。根據計算結果可知：半浸式螺旋槳的最大受力部位在槳葉根部區域，最大變形部位是葉稍區域。但槳葉的最大受力和最大變形量的幅度較小，不會對螺旋槳的強度產生破壞性的影響，故對螺旋槳的有限元強度分析是可靠的。

表1 螺旋槳有限元計算數值

6 實船航行試驗

為進一步驗證半浸式螺旋槳槳葉的強度，根據理論數據加工了2只半浸式螺旋槳，并將半浸式螺旋槳推進裝置安裝于一艘配有2臺110.25 kW柴油機的漁船上進行試驗。該船的最大航速為28 kn,每日最大航速航行時間約為2 h；工作航速約為10 kn，每日工作航速航行時間約為4 h。試驗共持續55 d。

根據試驗前后的實物對比，螺旋槳表面因長時間浸泡在海水中而局部有銹蝕情況外，無變形、損壞、開裂現象，故螺旋槳的強度是安全可靠的。

7 結論

(1)對于半浸式螺旋槳這種曲面復雜，且工況及受力不同于常規螺旋槳的物體進行強度校核，最有效的方式就是利用有限元軟件進行計算分析。

(2)HydroComp PropCad軟件和Solidworks軟件能很好地兼容。HydroComp PropCad軟件能建立精準的螺旋槳模型，Solidworks軟件能精確地分析計算，還可提供直觀的應力、變形、位移的彩色分布圖，結果一目了然。

(3)半浸式螺旋槳運轉過程中，其最大受力部位位于槳葉葉根區域，變形量最大的部位位于葉稍區域。

(4)半浸式螺旋槳因工作環境不同于常規螺旋槳，在水面及水下交替運行，所以有限元的分析主要是針對疲勞強度的校核，這就對螺旋槳材料的疲勞強度提出了更高的要求。