近代船用螺旋桨研究方向简述

SHIP 0前言现代船用螺旋桨类型很多,如定距桨、可调螺距桨、对转桨、导管桨、喷水推进器和吊舱式推进装置等。

随着船舶大型化及航速的增加,螺旋桨的负荷更大,加之船东对振动的更高要求,现代船用螺旋桨的设计成为设计和研究人员越来越关注的关键问题之一。

基于系列螺旋桨模型敞水试验传统图谱的螺旋桨桨型已不能适应由此带来的空泡与振动问题,因此,基于理论方法的计算分析并与试验结合的现代船用螺旋桨设计方法得到了极大的重视和广泛的应用。

1船用螺旋桨的理论发展[1,2]1.1第一阶段:19世纪中叶1.1.1动量理论Rankine (1865)和R.E.Froude (1887)提出了动量理论,并将其作为评估船用螺旋桨的分析手段,该理论也被认为是理想推进器理论。

动量理论的重要意义在于解释了推进器产生推力的原因。

1.1.2叶元体理论在W.Froude (1878)的叶元体理论中:推进器被认为由几个单独的桨叶构成,同时这些桨叶又分成从导边至随边的连续的带。

通过分析每一叶元体所受的力,以计算整个推进器的推力和转矩。

1.2第二阶段:20世纪20年代至80年代动量理论和叶元体理论这二个理论尽管发展得很好,但是它们没有很好地考虑桨叶数目的影响和为叶元体选择合适的升力和阻力值。

1.2.1升力线模型1927年,Prandtl 等建立了机翼的升力线理论,近代船用螺旋桨研究方向简述张文斌[摘要]按照三个发展时期,对船用螺旋桨的理论发展进行了简要回顾,总结介绍了现代船用螺旋桨的四个典型的设计步骤,最后,提供了设计软件和吊舱式推进装置的一些新信息。

[关键词]现代船用螺旋桨;螺旋桨理论;吊舱式推进装置[中图分类号]U664.33[文献标识码]A[文章编号]1001-4624(2007)02-0038-05Brief Introduction of the Direction of Researchon Marine Propellers for Modern Commercial VesselsZhang WenbinAbstr act:Based on three development stages ,this paper briefly review s marine pro peller theories and summarizes four typical design steps of the modern marine propellers.Finally ,it introduces some information of the design softw are and po dded propulsors.K eywor ds:mo dern marine propellers ;propeller theories ;podded propulso rs!!!!!!"!"!!!!!!"!"船舶总体舾装[收稿日期][作者简介]张文斌(),男,工程师,从事船舶总体设计与研究工作。

2007年12月JOURNAL OF DESIGN December 2007382007-9-201979-图1所示,为Prandtl 的有限翼展升力线模型。

1929年,Go ldstein 发表了螺旋桨涡流理论,提出了最优环量分布理论。

1952年,L erbs 提出了螺旋桨升力线理论。

1.2.2升力面模型如果展弦比很高,或侧斜和纵斜为0(或很小),升力线模型是适用的。

因此,对于具有大展弦比的常规飞机推进器,升力线模型能很好地被采用。

而船用螺旋桨桨叶的几何形状宽而短,是小展弦比翼,要比空气螺旋桨问题复杂,因而升力面模型(如图2所示)被引入来克服这一问题。

早先,仅仅考虑修正升力线结果的简化升力面理论被用于船用螺旋桨的设计,如M organ 的升力面修正因子。

如今采用升力面理论的数值方法,如涡格法已被广泛的使用,其主要步骤有:首先,几何形状的离散(如图3所示);其次,确定影响系数和运动边界条件;第三,求解线性方程组。

3第三阶段世纪8年代至今3边界元法边界元法的核心是格林函数。

由于边界元法考虑的是叶表面而非平均的拱度面,因而可考虑到非线性厚度耦合的影响。

同时,在螺旋桨导边和叶梢处,边界元法比涡格法具有更好的预测性。

1.3.2考虑粘性流的计算流体动力学法上述五种方法均假定流体是无粘性的,故应用势流理论进行处理。

实际流体是粘性的,因此,基于粘性的RANS 的计算流体动力学法被用于螺旋桨性能的预报。

近几年来,先进的商用RANSE 程序可较为准确地预测螺旋桨敞水性能和压力分布。

2现代船用螺旋桨设计现代船用螺旋桨设计的关键问题是吸收最小的能量、提供最大的效率、减小船体振动和避免产生不利的空泡。

因此,其设计是一个迭代过程。

一般而言,可采用以下四个设计步骤:第一步为螺旋桨初步设计。

基于螺旋桨系列试验资料,如荷兰的B 系列或日本的MAU 系列,按最高效率进行螺旋桨主要参数如直径、叶数、盘面比和螺距比的选取。

第二步为螺旋桨详细设计。

基于初步设计的结果,通常采用升力线、升力面模型进行设计以决定叶剖面的具体几何形状,如弦长、拱度、厚度分布和螺距分布等。

近年来,面元法也被用于详细设计。

第三步为螺旋桨的分析与计算。

基于详细的几何形状,采用升力面模型或边界元法或计算流体动力学法来评价空泡性能、螺旋桨强度、轴承力和脉动压力等。

如果分析计算中发现一些令人不满意的结果,螺旋桨应重新回到第二步设计,然后再次分析与计算。

第四步为螺旋桨最终设计。

螺旋桨设计的结果图1P randtl 的有限翼展升力线模型图2升力面模型图3螺旋桨几何形状的涡格离散d=2!sV ∞!"(#)dyd "c /4c 31.:2001..192007年12月JOURNAL OF SHIP DESIGN December 2007由螺旋桨模型试验,如敞水试验、自航试验和空泡试验等验证并作最终修改设计。

随着试验设施的改进,现代化的大型空泡水筒,如美国的L CC 、法国的GTH 、韩国的SCAT 、中国的LCT 和德国的HYKAT 被广泛用于空泡试验。

许多船用螺旋桨的制造企业,如德国的M MG 、英国的Stone 、荷兰的Lips 和日本的KAM OM E 等都有自己的设计和分析软件。

表1所示的是一些运用于上述三个步骤的相关软件[3,4,5]。

Hy droComp 公司开发的PropCAD ,可用于螺旋桨主要参数的选取,并绘制2维、3维的螺旋桨图。

荷兰海事研究所(M ARIN )开发的CSPDP (Client Specific Propeller Design Pro gram ),直接采用其几个系列的试验资料可用于螺旋桨的主要参数选取;开发的INDFACT (propeller design w ith INDuctionFACTors )是升力线设计软件,螺旋桨具体的几何形状考虑了M o rg an 修正;开发的ANPRO (ANaly sis ofPROpeller )是螺旋桨分析工具的集成包,包括采用升力面方法的计算、空泡形态计算和有限元软件ANSYS 的桨叶应力计算。

ANPRO 计算的空泡形态如图4所示。

挪威的M ARINTEK 开发的AKPD 和AKPA 分别是船用推进系统的设计和分析软件。

对于常规单桨船舶,设计时采用的方法为升力面、边界元和遗传算法,分析时采用的方法为升力面、边界元、RANS 和NS 。

如图5所示为其流程图。

得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Tex as atAustin )开发了系列软件,如用于螺旋桨桨叶应力计算的PropS2(Pro peller Steady Stress ),升力面软件M PUF3A ,用于螺旋桨引起的船体压力计算的HULLFPP (HULL Field Point Potential ),用于螺旋桨空泡预报的ROPCAV (PROpeller CAVitation )。

如图6和图7所示分别为软件M PUF3A 和Pro pS2。

下面分别是基于升力线、升力面和面元法的螺旋桨设计方法。

当采用升力线法时,整个螺旋桨的推力T 和吸收的转矩Q 计算公式如下[2]:T=!ZRr h!"(r )[#r-12u t(r )][1-$(r )tan %i(r )]dr ……(1)Q=!Z R r h!"(r )[V A+12u a(r )][1+&(r )/tan %i(r )]rdr (2)表1一些运用于上述的三个步骤的软件设计步骤工具初步设计PropCAD ,CSPDP 详细设计INDFACT,AK PD分析与计算ANPRO,AKPA,PropS2,MPUF 3A,HU LLFPP ,ROPCA V图N RO 计算的空泡形态图5AKPD&AKPA 软件包的流程图6M UF34A P P A40图8使用面元法的设计流程图7PropS 2式中:ρ为流体的密度,Z 为桨叶数,r h 为桨毂半径,Γ(r )为环量分布,ω为角速度,V A 为螺旋桨进速,u t(r )为周向诱导速度,u a (r )为轴向诱导速度,ε(r )为翼型的阻升比。

βi (r )为水动力螺距角,其计算如下所示。

tan &i (r )=V A +12u a (r )#r-2u t (r )((((((3)采用升力面模型进行螺旋桨设计时主要是基于给定的弦长、厚度、侧斜、纵斜和周向环量分布的情况下,设计拱度和螺距的分布。

近年来,面元法不但可用于对螺旋桨性能的预测,还可用于螺旋桨设计。

一旦基于升力线法或升力面法的螺旋桨设计完成后,可采用面元法调整叶剖面形状以满足给定压力分布的要求。

按照文献[6]的方法,使用面元法进行数值设计的程序流程如图8所示。

其中,基于M o rino 方法的面元法进行了螺旋桨叶剖面的设计。

桨叶几何形状中的任意一点的影响系数由下式表达:A=’C p1’z(((((((((4)式中,δz 是该点处微小的增量,δC p 1是压力分布的相应增量。

构建了影响系数的雅可比矩阵[]后,建立了下列的线性方程组[A ][(z ]=[(C p ((((((](5)在上述方程组中,通过压力差分决定几何修正。

3吊舱式推进装置中的螺旋桨设计过去几年中,吊舱式推进装置的应用取得了突破性进展。

它的主要优点是:良好的操纵性、船体易于设计建造、低噪音。

最初,它们大部分安装在游船、破冰船、供给船和客滚船上。

由于没有推进轴系且动力机械处所布置灵活,有理由相信在不久的将来,它们还将被广泛地应用于其它各类商船上,如L NG 船、超大型集装箱船等。

A :412007年12月JOURNAL OF SHIP DESIGN December2007为促进吊舱式推进装置的发展,自1999以来,欧盟进行几个相关项目的研发工作,如OPT IPOD、POD IN SERVICE、FASTPOD、VRSHIPS和SUPA-PODS等[7]。