调距桨几何参数对水动力性能影响研究＊

（海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033）

0 引 言

定距桨在设计条件下运行时，可充分利用主机功率达到预期航速，螺旋桨本身效率亦为最佳，但在非设计工况下则不能充分发挥主机功率．调距桨借助桨毂中的调距机构改变桨叶螺距，在非设计工况下仍能充分吸收主机功率，具有较高的效率，并且在不改变轴的旋转方向的情况下也能产生向后的推力．因此，调距桨已被广泛应用于多工况运行、操纵和停船性能要求较高的船舶．

李方川等［1］通过与定距桨的对比分析，归纳了调距桨的结构组成、动作原理及基本工作特性．胡健等［2］利用面元法分析调距桨的水动力性能，并给出了水动力性能随螺距变化的规律．吴东兴［3］、高键［4］、闫仁武［5］、刘丽飞［6］等对调距桨的控制系统进行了研究，上海交通大学开发了JDC调距桨系列，开展了相关的理论研究工作［7－8］．

文中以某桨的初始设计结果（见表1）为基础，研究几何参数对调距桨水动力和空泡性能的影响．桨的直径5．69m，转速160r／min，毂径比0．28，设计进速系数为0．966，各方案的性能对比均在设计工况下进行．选用NACA叶切面，利用升力面理论设计螺距分布和拱弧面形状，设计方案的性能通过面元法进行预报校核，揭示了几何参数对调距桨水动力性能的影响规律．

表1 某桨初步设计结果

1 数学方法

采用面元法预报各调距桨方案的性能，进而研究几何参数的影响，对方案进行改进设计时采用升力面理论．升力面设计螺旋桨是在给定的弦长、厚度、侧斜、纵倾和环量径向分布的情况下，设计桨叶拱弧面和径向螺距分布．环量的径向分布由升力线部分设计得到，弦向分布采用NACA a＝0．8拱弧线环量分布．在假定的拱弧面上沿径向和弦向划分若干四边形网格，在每一网格的1／4弦长处布置展向涡及线源，弦向涡布置在展向涡端点的弦向连线上，控制点取在涡格的形心．由桨叶拱弧面上布置附着涡系及尾涡来模拟其升力效应，桨叶厚度的影响则由已知强度的源汇分布来模拟［9］．

调距桨通常具有较大的桨毂，采用理论方法预报其性能时，不能忽略桨毂的存在．面元法预报设计方案性能时考虑桨毂影响，控制点取在1号叶片及其连带的毂表面（总称1号物面）上，在其上满足物面边界条件，求解方程可离散如下：

式中：φi为1号物面上的i号控制点的速度势（i为控制点编号，i＝1，2，…，N）；pi为控制点坐标；qjk为k号物面上j号场点的坐标；Z为叶数．

桨叶转角时的转叶力矩的大小是调距桨较为重要的水动力性能指标，文中以水动力转叶力矩系数KSH表征其大小．KSH、推力系数KT和转矩系数KQ的定义如下：

式中：ρ为流体密度；D为螺旋桨直径；n为转速；QSH为水动力转叶力矩；T为推力；Q为转矩．

2 结果与分析

2.1 侧斜分布对性能的影响

在表1所列的设计结果基础上，选取如图1所示的7种侧斜分布，采用面元法分别研究其对性能的影响．图2～3给出了侧斜对推力和效率的影响，图中系列2是表1所列桨的性能值．可以发现，加入侧斜后推力普遍增加（侧斜较大的方案3除外），由于尚需考虑转矩的影响，效率则不尽相同．计及侧斜本身引起的纵倾后，螺旋桨的推力和效率均有所提高，并且均高于无侧斜和纵倾时设计结果．

图1 侧斜分布

图2 侧斜对推力的影响

图3 侧斜对效率的影响

以上的比较是在无纵倾和侧斜基础上引入侧斜之后的螺旋桨性能变化情况，在确保产生足够推力前提下，各螺旋桨设计方案均有改进空间．将加入的侧斜及其引起的纵倾作为输入条件，采用升力面理论进行重新设计，并利用面元法预报其性能，改进后各设计方案的效率见图4，侧斜较大的分布3效果较差而未进行改进．从图中可以看出，侧斜较小的方案4，6，7效率相对较低，而相对较为适中的侧斜分布1，2，5则具有较好的敞水性能．图5是各侧斜分布对转叶力矩的影响，从图中可以发现，曲线变化较为平稳，不同的侧斜分布对转叶力矩的影响较小．图6给出了各侧斜分布对定常空泡性能的影响情况，可以看出发生空泡的面元区域变化不大．究其原因则是，弦长分布未发生变化，各叶切面的压力差基本不变，空泡发生的可能性趋同．上述分析表明，如果侧斜选择合理，螺旋桨的效率将有所提升，并且不会对空泡性能产生太大影响．

2.2 纵倾的影响

以侧斜分布2的优化设计结果为基础，选取如图7所示的5种不同的纵倾分布，采用面元法预报设计方案的性能．纵倾对效率和推力的影响如图8～9所示，图中系列2为侧斜分布2优化设计结果的性能值．可以看出纵倾的变化对效率的影响不大，部分方案在设计工况未能产生足够推力，因而纵倾和侧斜的配合须适当，方能实现推力需求和效率的最大化．图10～11所揭示的规律可以发现，纵倾对空泡性能的影响较小，而转叶力矩随纵倾的变化较为明显．

图4 侧斜对效率的影响

图5 侧斜对转叶力矩的影响

图6 侧斜分布对空泡性能的影响

图7 纵倾分布

图8 纵倾对效率的影响

图9 纵倾对推力的影响

图10 纵倾分布对空泡性能的影响

盘面比的大小取决于弦长分布，本节以纵倾方案3的优化设计结果为参考，通过调整弦长分

2.3 盘面比的影响

布设置一组盘面比（0．899 8，0．858 9，0．777 1，0．736 2）并研究其对性能的影响．各盘面比对推力和效率的影响见图12～13，图中系列2为纵倾方案3的值．从图中可以得出一个基本趋势，即与基准方案比较，盘面比增大时推力增加效率降低，而盘面比减小时推力减小效率增加．从图14可以看出，盘面比的增加对空泡性能有利．盘面比减小时，由于叶切面压差力增大，发生空泡的机会增加，同理可解释盘面比增加的情况．从图15可以看出，转叶力矩一般随着盘面比的增加而增大，盘面比增加到一定程度后转叶力矩反而有减小的趋势，但过大的盘面比将影响桨叶的转动．

图11 纵倾对转叶力矩的影响

图12 盘面比对推力的影响

图13 盘面比对效率的影响

图14 盘面比对空泡性能的影响

3 结束语

采用面元法预报各调距桨方案的水动力和空泡性能，研究几何参数的影响，采用升力面理论对方案进行改进设计．研究表明：其他参数已定的情况下，侧斜的变化对水动力和空泡性能的影响并不显著，但侧斜过大或过小都将对性能产生不利的影响；纵倾的变化对效率和空泡影响不大，而对转叶力矩的影响较大，且纵倾与侧斜必须与侧斜配合适当，否则效率和转叶力矩都会不如预期；盘面比对推力和效率的影响可得出一个基本趋势，即与基准方案比较，盘面比增加时推力增加效率降低，盘面比减小时推力减小效率增加；盘面比对空泡和转叶力矩的影响较为显著，盘面比减小时叶切面压差力增大，发生空泡的区域随之增大；盘面比较小时，叶根处易于发生空泡，但是如若盘面比过大会导致桨叶宽度增大从而不利于桨叶转动；转叶力矩一般随着盘面比的增大而增大，但盘面比增大到一定程度后转叶力矩反而下降．

图15 盘面比对转叶力矩的影响

［1］李方川，王 鹏，刘 飞．可调螺距螺旋桨的特性分析［J］．中国水运，2008，8（1）：57－58．

［2］胡 健，黄 胜，王培生，等．可调螺距螺旋桨水动力性能分析［J］．船舶工程，2007，29（6）：41－45．

［3］吴东兴，李 众，李 彦．可调螺距螺旋桨船舶航速模糊控制系统［J］．华东船舶工业学院学报：自然科学版，2001，15（3）：25－28．

［4］高 键，李 众，王建华，等．可调螺距螺旋桨模糊控制系统［J］．船舶工程，2000（1）：32－34．

［5］闫仁武，虞平良．可变螺距螺旋桨的一种机桨联合优化控制方法［J］．华东船舶工业学院学报，1997，11（2）：8－14．

［6］刘丽飞，卫建兵，胡 哲．某船可调螺距螺旋桨推进装置应急系统改进［J］．船海工程，2009，38（2）：12－15．

［7］杨晨俊，王国强，玉岛正裕．提高调距桨水动力性能预估精度的一个途径：计及桨毂的影响［J］．中国造船，1992，33（1）：19－26．

［8］ZHANG J H，WANG G Q．Prediction of hydrodynamic performance of ducted controllable pitch propellers［J］．Journal of Ship Mechanics，2002，6（6）：18－27．

［9］王国强，董世汤．船舶螺旋桨理论与应用［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007．