螺距与拱度对螺旋桨水动力性能影响研究

武 璇，仉永超，靳良真，李广辉

(潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 261108)

0 引言

基于环流理论设计螺旋桨的过程中，要使螺旋桨的性能达到最佳状态，应合理选择螺旋桨各参数的分布形式。影响螺旋桨性能的参数主要有桨毂形状、盘面比、侧斜和纵倾等，在螺旋桨的优化设计中必须首先知道这些参数对螺旋桨水动力性能和空泡性能的影响。

王超等基于速度势面元法研究了侧斜与纵倾对螺旋桨水动力性能的影响。胡健等基于CFD方法，探讨了纵倾螺旋桨敞水性能和空化性能的影响。王诗洋等基于速度势面元法，研究了螺旋桨几何参数对其水动力性能的影响。以上文献研究了螺旋桨几何参数，并取得一系列成果，但对叶切面参数对螺旋桨水动力性能的影响研究较少。为此，本文以KP505螺旋桨为原型，借助CFD软件对螺旋桨的水动力性能进行数值模拟，并探讨不同螺距、拱度的径向分布对螺旋桨水动力性能的影响，总结各性能参数的变化规律。

1 控制方程

在螺旋桨水动力性能数值模拟过程中，流体均视为不可压缩流体，因此基本控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

μ

为湍流粘度；

G

为由平均速度梯度引起的湍动能

k

的生成项；

C

、

σ

、

σ

为常数，分别等于1.9、1.0、1.2。

2 几何模型建立

本文以KP505螺旋桨为研究对象，其模型主要参数如下：直径0.25 m，叶数5，盘面比0.8，侧斜角32°，螺距比0.996 7，翼型NACA66。

根据文献[7]提供的螺旋桨的几何参数，且已知NACA66翼型的拱度、厚度沿弦长的分布形式，便可以通过计算得到各切面二维坐标；然后根据坐标转换公式，通过Fortran自编代码计算桨叶离散点三维坐标(其中：

x

轴指向螺旋桨后方，

y

轴垂直向上，

z

轴按照右手定则)；最后将桨叶的三维坐标点导入UG软件中，通过三维坐标点生成螺旋桨曲面，并进行曲面缝合、实体阵列生成实体三维模型。考虑桨毂对推进器水动力性能的影响较小，本文采用假定的桨毂进行三维建模。在三维软件中建立的KP505螺旋桨空间坐标点及三维几何模型见图1。

图1 KP505螺旋桨空间坐标点和三维几何模型

3 螺旋桨水动力性能数值模拟

3.1 计算域与边界条件设置

本文采用STAR-CCM+软件对螺旋桨水动力性能进行数值模拟时，流场计算域的大小划分见图2。将计算域划分为静止域和旋转域，且均为圆柱体。为了更好地模拟螺旋桨复杂的尾流流动，本文设置速度入口与桨盘面的距离为5

D

(

D

为螺旋桨直径)，压力出口与桨盘面距离为13

D

，静止区域半径为3

.

5

D

，旋转区域的轴向距离为0

.

6

D

，旋转区域直径为1

.

2

D

。对该区域采用动参考系模型(Moving Reference Frame，MRF)方法设置旋转坐标系，实现螺旋桨的旋转运动。

图2 计算域划分示意图

边界条件的设置：计算域轴向上游边界设为速度入口，以给定进口边界上各节点的速度值；轴向下游边界设为压力出口；桨叶、桨毂表面均设为无滑移壁面；静止域周向边界设为对称平面；静止域和旋转域相互接触界面均设置为交界面以传递数据信息，从而保证流动的连续性。

3.2 网格划分与无关性验证

图3 计算域轴向网格划分示意图

表1 3种不同密度网格数量

不同网格密度进行网格无关性验证时，螺旋桨转速取

n

=20 rad/s，且在计算中保持转速不变，通过改变入口速度值来得到不同的进速系数。不同网格密度的螺旋桨水动力性能计算结果与试验值误差见表2(KP505敞水试验数据来自文献[9])。由表2可知：在进速系数

J

=0.3～0.7工况下，3种网格密度计算所得到的结果均与试验值吻合较好，误差均在5%以内，仅粗密度网格所对应的计算结果与试验值误差稍微偏大；而中密度与细密度网格所对应的计算结果与试验值误差并无明显减小，反而出现波动现象。在

J

=0.9工况下，3种网格密度计算所得到的值均出现误差较大现象。这是因为在螺旋桨敞水性能计算过程中，所采用的湍流模型均基于湍流充分发展的前提下，而对于螺旋桨桨模敞水试验中存在层流区域和过渡区域，因此采用充分发展的湍流模型会导致螺旋桨敞水数值模拟误差偏大。但整体而言，随网格密度的增加，其数值计算精度并未明显改善。由于计算资源的限制，本文选用中密度网格进行后续计算研究。

表2 不同网格密度下KP505螺旋桨水动力性能计算结果

3.3 不同螺距与拱度的径向分布

为讨论螺距、拱度分别对螺旋桨水动力性能的影响，在其他参数不变的情况下，只改变螺旋桨螺距、拱度的径向分布。为了便于分析与比较，在原母型桨螺距、拱度的基础上，分别选取了0.9倍和1.1倍径向螺距分布0.6倍和1.4倍径向拱度分布。螺距、拱度沿径向的分布形式见图4。

r—螺旋桨任意处的半径；R—螺旋桨半径。

3.4 螺距与拱度对螺旋桨水动力性能影响分析

J

=0.1～1.1时不同螺距下对应的敞水曲线见图5。从计算的敞水曲线结果可以看出，

K

、

K

和

η

随

J

的变化规律一致且与常规图谱桨的敞水图谱随螺距的变化规律一致。随着螺旋桨的螺距增大，其推力和转矩系数均明显增大。另外，在螺旋桨盘面比不变的情况下，增加螺距会导致螺旋桨单位面积的平均推力增大，使得叶元体最大减压系数增大且更易产生空泡现象。而对于敞水效率而言，在中、低进速系数下，螺距越小，效率越高，其最高效率点随螺距的增大所对应的

J

也随之增大。

图5 不同螺距下螺旋桨敞水曲线对比

J

=0.1～0.9时不同拱度所对应的敞水曲线见图6。从计算的敞水曲线结果可以看出：

K

、

K

和

η

随进速系数

J

的变化规律一致。另外，随着螺旋桨的拱度增大，其推力和转矩系数均明显增大；而对于敞水效率而言，在最高效率点之前，效率随着拱度的增加而降低，其效率值变化幅度较小。

图6 不同拱度下螺旋桨敞水曲线对比

从

J

=0.4时不同拱度下桨叶表面压力分布可知：随着叶切面拱度的增大，导致螺旋桨桨叶表面压力特性的变化，其叶面的压力沿弦长方向的变化较为明显，叶面、叶背的高压区域由随边向导边过渡，导致螺旋桨叶面、叶背的压力差增大，所以导致螺旋桨推力的增大。另一方面，随着叶切面拱度的增大，桨叶切面上的水流速度过快,叶背压力明显下降,使得叶背更易达到水的汽化压力临界值，进而导致叶背区域的空泡出现更早且面积更大；桨单位面积上承受压力过大引起的空泡，除了会产生螺旋桨的空泡剥蚀外,同时会诱导桨产生空化噪声。所以在螺旋桨设计优化时应选择合适的拱度比，以设计出性能最佳的螺旋桨。

4 结论

(1)通过网格无关性验证，得到计算误差基本在5%以下，验证了本文所建立的几何模型、数值模型对数值求解的准确性。

(2)盘面比不变时，随螺距、拱度的增大，螺旋桨推力显著增大，其单位面积上的平均推力增大，导致叶切面的最大减压系数增大且更易产生空泡。

(3)在中、低进速系数下，螺距越小，敞水效率越高；而随拱度的增大，敞水效率无明显变化。