Kappel螺旋桨变参数水动力性能研究

秦耀明，赖海清，严 姬，李明敏

(广州船舶及海洋工程设计研究院，广东 广州 510250)

0 引 言

随着EEDI（能效设计指标）的引入，人们对提高船舶运行能效的措施越来越感兴趣。目前船舶节能主要措施之一就是开展高效的推进器研究，Kappel螺旋桨的出现意味着优异的推进效率，对于重点考虑较高的能效等级和最小的环境影响的高端船舶来说，Kappel螺旋桨是理想之选[1]。传统螺旋桨的叶片几何是在螺旋面上，而Kappel螺旋桨叶片几何则是非平面的。如图1所示，其叶片有一个扩展的叶尖，平滑地弯曲到叶片的吸力侧[2]，可明显增加螺旋桨有效展弦比，即增加螺旋桨有效直径，因此可以增加螺旋桨效率。

赖海清等[3]利用Matlab和Solidworks工具，提出了一种快速、参数化生成Kappel螺旋桨三维模型的方法。宋晗[4]将Kappel螺旋桨与传统螺旋桨噪声进行对比试验，发现Kappel螺旋桨在空泡性能方面要比传统螺旋桨稍低,在设计过程中应将螺距与拱弧结合在一起考虑以改善它的空泡性能。王睿等[5]在空泡水筒中对设计的Kappel螺旋桨与传统螺旋桨进行对比试验，测试了两者的空泡性能以及脉动压力，同时对该螺旋桨的螺距和拱度变化进行了对比分析。对这种性能优异的螺旋桨进行更深入的研究。

1 初始螺旋桨对比

为了与Kappel螺旋桨进行对比，依靠OpenProp单个螺旋桨设计模块，设计了一传统螺旋桨，编号为Kap00，其参数尺寸如图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表示各截面处弦长直径比，t0/D为最大厚度直径比，Skew为螺旋桨侧斜角，以角度计，Xs/D表示纵倾度与直径比值。

图 1 普通螺旋桨（左）与Kappel螺旋桨（右）Fig. 1 Ordinary propeller (left) and Kappel propeller (right)

图 2 Kap00尺寸参数软件截图Fig. 2 Screenshot of Kap00 dimension parameter software

需要注意到的是，Kap00并没有任何纵倾，而Kappel螺旋桨的主要特征桨叶在0.875R以上有明显纵倾，梢部向前弯曲呈圆弧状。为此，以Kap00为原型，在此基础上改进得到Kap01螺旋桨，图3为此螺旋桨的纵倾分布对比，图4为两螺旋桨三维模型。

图 3 Kap00与Kap01 纵倾分布Fig. 3 Longitudinal distribution of Kap00 and Kap01

2 Kappel螺旋桨CFD分析

图 4 Kap00（左）与Kap01螺旋桨（右）三维模型Fig. 4 Three-dimensional models of Kap00 (left) and Kap01 propellers (right)

计算域采用圆柱形的流场域，分为内外流场。内流场为转子区域，直径为1.5D，长度取1D，螺旋桨桨盘位置处于该静止流场的中心，采用MRF（Multiple Reference Frame）模型；外流场为静止流场，直径取5D，其中来流流场取4D，尾流长度为6D。网格采用多面体网格形式，针对改进后的螺旋桨，由于叶梢处曲面比较复杂，为了准确捕捉到其附近的流场信息，对叶梢处采用体网格加密形式，而远离螺旋桨处则将网格尺寸适当放大，最终生成的网格个数为1210030，如图5所示。

图 5 计算域及网格模型Fig. 5 Calculation domain and grid model

在螺旋桨转速一定的情况下，通过改变来流速度V，获得不同进速系数J=0.2～0.7范围内的Kap01螺旋桨的推力系数，扭矩系数以及效率，并与原型桨Kap00进行对比，各项计算数据绘制如表1所示。

可以看出，在设计航速J=0.5下，Kap00推力系数为0.1418，改进后的Kap01螺旋桨在设计点推力系数为0.1612，整体来看，Kappel螺旋桨在推力系数和扭矩系数都较原型桨增大，且变化量都随着进速系数的增大而不断增大，在J=0.7时达到最大增幅，分别是38.9%和33.04%。从螺旋桨设计理论上看，螺旋桨盘面比变化与纵倾的变化是息息相关的，增大了螺旋桨纵倾会使螺旋桨的盘面比增大，故推力和扭矩的增加是理所当然的。效率方面，Kap01螺旋桨较原型桨并没有较大增幅，在设计点，螺旋桨敞水效率增大1.26%。J=0.2时，还出现了效率降低的现象。为了更深层次的探讨以上各种变化量产生的原因，接下来将对螺旋桨的压力特性进行分析。

表 1 Kap00与Kap01 水动力性能Tab. 1 Hydrodynamic properties of Kap00 and Kap01

图6为在进速系数J=0.5时，2种螺旋桨在r/R=0.9叶切面的弦向压力分布图，其中x/L=0为导边，x/L=1为随边。可以清晰看出，叶面压力大于叶背压力，且在同样的叶切面处，Kap01螺旋桨的叶面叶背压力差均值大于Kap00，这也就解释了为什么Kap01螺旋桨推力大于常规Kap00螺旋桨。

图 6 J=0.5 r=0.9R 叶切面压力分布Fig. 6 J= 0.5r = 0.9 r pressure distribution on blade section

可以得知，叶梢具有明显纵倾的Kap01螺旋桨确实能够有效增加推进效率约1.3%，通过增大螺旋桨有效展弦比，增加了螺旋桨的有效直径，从而产生了更大了推力。但是，还能不能进一步提高Kappel螺旋桨的效率，各参数对螺旋桨性能是如何影响的？为此，本文选择了对螺旋桨叶的纵倾、侧斜和弦长分布展开探讨。

3 Kappel螺旋桨变参数分析

以Kap01为基础，对其弦长分布和纵倾侧斜进行调整，得到Kap02和Kap03。参数调整分别如图7～图9所示，Kap03较Kap01相比，在0.6R以上进行了纵倾调整，且增大了叶梢最顶端的纵倾角，同时为了使盘面比不至于发生太大改变，对侧斜进行了微调。Kap02则是在Kap03的基础上，增加了在桨叶径向中部处弦长直径比，其他参数则完全相同。

图 7 纵倾调整Fig. 7 Trim adjustment

图 8 侧斜调整Fig. 8 Skew adjustment

图 9 弦长调整Fig. 9 Chord length adjustment

图10 为CFD在同等计算条件下的螺旋桨敞水性能曲线。结果表明，在调整了纵倾参数后，Kap03与Kap01相比，推力系数增加了5.1%，扭矩系数增大了3.9%，最终效率增加了2%。Kap02较Kap01，推力系数减小了1.2%，扭矩减小约1%，效率降低了1%。图11为三桨在0.95R处的叶截面压力分布图，比较而言，推力系数的改变与叶截面上的压差变化是相契合的。对Kap02来说，增大的弦长直径比，直接增加了桨叶的浸水面积，导致与水的摩擦损失也相应增大，因此效率也受到影响。

综上所述，在不改变其他参数的情况下，只有合理分布Kappel螺旋桨的弦长分布才能得到较高效率的推进器。同时，恰当的调整纵倾与侧斜，可以改变叶梢的压力分布，从而得到较高效率的螺旋桨。

图 10 Kappel螺旋桨水动力曲线Fig. 10 Hydrodynamic curve of Kappel propeller

图 11 J=0.5 r=0.97R 叶切面压力分布Fig. 11 J= 0.5r = 0.97r blade section pressure distribution

4 结 语

新型Kappel螺旋桨的出现无疑对造船业的节能减排起到了极大的推进的作用。本文预报了Kappel螺旋桨的敞水性能，并探索了侧斜、纵倾及弦长分布对其水动力性能的影响，通过分析比较，得到以下结论：

1）Kappel螺旋桨通过对叶梢的改进，确实能够增大螺旋桨的有效直径，在对桨径有限制的船舶上，其优势显著。

2）叶梢有载螺旋桨能够有效阻止叶梢处压力的相互干扰，维持整个桨叶有较大的压力差，从而改善螺旋桨的推力性能，能够提高螺旋桨效率4%左右。

3）螺旋桨的弦长和侧斜对叶梢有载螺旋桨会产生较大影响，通过纵倾和弦长的配合，可以改善桨叶的压力分布，有助于抑制梢涡空泡的发生。