大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析
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1.1 叶栅理论
根 据 叶 栅 理 论 ，在 内 流 中 ，不 考 虑 摩 擦 损 失 ， 叶 轮 做 功 完 全 转 化 为 总 压 能 ，即 螺 旋 桨 桨 盘 前 后
对 转 导 管 桨 由 于 具 有 前 后 两 排 转 子 ，因 而 做 功 能 力 远 大 于 单 转 子 导 管 桨 。 在 相 同 的 进 速 、转 速 和 推 力 要 求 下 ，对 转 导 管 桨 的 负 荷 将 明 显 降 低。为了在相同的进速和推力要求下对比两者性 能，必须改变对转导管桨的负荷系数，本文通过降 低 转 速 来 实 现 。 降 低 转 速 后 ，对 转 导 管 桨 的 转 子 螺 距 明 显 增 大 ，进 而 将 探 讨 螺 距 增 加 对 对 转 导 管 桨的水动力性能的影响。
网络出版时间：2016-9-21 13:43
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51309070）；山东省科技厅资助项目（2013GGA10065）；山东省自然科学基金资助
项目（ZR2012EEQ004）
第5期
梅蕾等：大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析
43
增加单位时间内通过桨盘的流量，减小尾流收缩， 从 而 减 小 推 进 器 的 载 荷 系 数 ，提 高 推 进 效 率 。 此 外 ，采 用 对 转 推 进 形 式 是 另 一 种 选 择 ，这 是 因 为 对 转 桨 后 桨 能 够 减 小 甚 至 消 除 尾 流 中 的 旋 流 ，从 而吸收前桨施加给水中的旋转能量，提高效率 。 ［2-3］ 结 合 导 管 桨 和 对 转 桨 的 特 点 ，可 以 构 造 出 一 种 新 型 推 进 器 —— 对 转 导 管 桨 ，有 可 能 进 一 步 提 高 推 进器的性能。
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.007
Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-of-ratio
MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Harbin Institute of Technology at Weihai，
本文拟采用 2 种设计原则来重新分配对转导 管桨的转子负荷，分别介绍如下。
方案 1：等出口处切向诱导速度。 本方案目的是尽量保证对转的第一级转子和 单 转 子 具 有 相 似 的 上 、下 游 流 场 。 将 总 压 升 平 均 分配给对转桨的前、后桨，保持单转子导管桨和对 转导管桨的前桨出口切向诱导速度 DVθ 不变。根 据式（1），对转桨前后桨的转速变为单转子导管桨 的 1/2。根据式（2）和式（3）可分别计算对转导管 桨 叶 梢 处 的 螺 距 比 ，由 叶 梢 处 的 螺 距 比 确 定 整 个 桨叶各个半径处的螺距角。 方案 2：等加功量比。 将叶梢处叶元体压升无量纲化，得
1）对 转 导 管 桨 和 单 转 子 导 管 桨 采 用 同 样 的 翼型与盘面比；
2）单 转 子 导 管 桨 采 用 和 对 转 导 管 桨 相 同 的 加 长 导 管 且 转 子 前 后 压 差 相 同 ，即 在 理 想 的 鼓 动 盘假设下二者推力相同。
为 简 化 设 计 ，并 保 证 叶 根 处 不 会 出 现 过 大 的 螺距角 θS ，本文中的单转子导管桨和对转导管桨 都采用等螺距分布。其螺距分布均采用叶栅理论 方法重新进行设计。考虑到导管桨的半径越大， 做功能力越强，因此螺距计算在最大半径处进行， 而不是传统螺旋桨中常用的 0.7R 或 0.75R（R 为桨 叶 半 径）位 置 。 单 转 子 导 管 桨 和 对 转 导 管 桨 的 具 体设计方法如下。
44
中国舰船研究
ρUDVθ ρU 2
=c
（5）
简化后，得
DVθ = c U
（6）
这个比值 c定义为叶元体的加功量比。于是
在任意半径位置
Dp = ρUDVθ = ρU × cU = cρU 2
（7）
对转桨整体压升 Dp 平均分配到前后转子，此
时为保持与单转子 Dp 一致，对转桨前后桨转速为
单转子导管桨的 1 2 。
Weihai 264209，China
Abstract：A Single Rotor（SR）ducted propeller and two Contra-Rotating（CR）ducted propellers with different pitch-of-ratios are designed on the basis of the cascade theory，and the numerical simulation of the flow field is carried out using commercial CFD software. The upstream rotor pitch ratios of the two CR ducted propellers are 1.451 and 2.108 respectively，and the pitch ratios of the downstream rotors are de⁃ signed according to the principle of eliminating the swirl flow. The simulation results show that both the thrust coefficient and the torque coefficient of the CR ducted propellers are improved significantly with the increase of pitch ratio，while the efficiency increases slightly and the maximum efficiency point of the pro⁃ peller is offset to the right. Compared to the SR propeller，the CR ducted propeller can maintain higher pro⁃ pulsive efficiency at a higher pitch ratio. Key words：propeller；Contra-Rotating（CR）ducted propeller；large pitch-of-ratio；propulsion effi距比的计算公式分别为
θS
=
arctan
U
VZ - DVθ
θ 1
=
arctan
U
VZ - DVθ
（2）
θ2
=
arctan V Z U
P/D = π tan θ
（3）
式中，VZ 为导管内桨盘位置的轴向速度。 根据设计推力要求，导管桨转子前后压差 Dp
的计算可依下式得出，单位为 Pa。
0引言
近 十 几 年 来 ，船 舶 正 在 朝 着 大 型 化 和 高 功 率
的 方 向 不 断 发 展 。 为 适 应 高 速 、高 推 力 的 性 能 要 求，并保证推进器仍具有较高效率，采用导管螺旋 桨（以 下 简 称“ 导 管 桨 ”）是 一 种 选 择［1］。 导 管 桨 能
收稿日期：2016 - 03 - 08
第 11 卷 第 5 期 2016 年 10 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.11 No.5 O第ct. 1210卷16
引用格式：梅蕾，周军伟，倪豪良. 大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析［J］. 中国舰船研究，2016，11（5）：42-47，54. MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang. Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-ofratio［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：42-47，54.
图 1 单转子导管桨 Fig.1 Single rotor ducted propeller
1.3 设计结果
单转子导管桨的设计要求如表 1 所示。
第 11 卷
表 1 单转子导管桨主要设计参数 Tab.1 Main design parameters of SR
参数 来流速度 VA（/ m·s-1）
转子直径 D/m 转速 n（/ r·min-1）
流旋流的原则进行设计。结果表明：随着螺距比的增大，对转导管螺旋桨的推力系数与扭矩系数显著提高，效
率略有提高，其最高效率点向右偏移。与单转子导管螺旋桨的对比发现，对转导管螺旋桨能够在更大的螺距比
下保持较高的推进效率。
关键词：螺旋桨；对转导管螺旋桨；大螺距比；推进效率
中图分类号：U664.33
文献标志码：A
目前螺旋桨常规的水动力设计方法为升力 线 、升 力 面 法［4-5］，对 于 对 转 桨 这 样 的 组 合 推 进 器 而言，前后桨之间存在非定常的干扰速度，并且在 对转导管桨的设计中还涉及导管和螺旋桨之间 的 相互干扰，因此，其计算方法更加复杂、计算难 度大。
作 为 一 种 叶 轮 机 械 ，对 转 导 管 桨 的 设 计 除 了 采 用 传 统 方 法 外 ，还 可 以 采 用 叶 栅 理 论［6］，但 这 类 方法在导管桨中的应用还较少。作者在前期的研 究 中 发 现 ，叶 栅 理 论 能 够 较 好 地 指 导 导 管 桨 的 设 计 。 ［7-8］ 本文将基于前期对转导管桨的设计研究， 探 讨 在 相 同 总 推 力 下 ，对 转 转 子 和 单 转 子 效 率 的 区别，并对不同螺距比（P/D）对转导管桨下的水动 力性能进行初步对比分析。
根 据 叶 栅 理 论 ，在 内 流 中 ，不 考 虑 摩 擦 损 失 ， 叶 轮 做 功 完 全 转 化 为 总 压 能 ，即 螺 旋 桨 桨 盘 前 后
对 转 导 管 桨 由 于 具 有 前 后 两 排 转 子 ，因 而 做 功 能 力 远 大 于 单 转 子 导 管 桨 。 在 相 同 的 进 速 、转 速 和 推 力 要 求 下 ，对 转 导 管 桨 的 负 荷 将 明 显 降 低。为了在相同的进速和推力要求下对比两者性 能，必须改变对转导管桨的负荷系数，本文通过降 低 转 速 来 实 现 。 降 低 转 速 后 ，对 转 导 管 桨 的 转 子 螺 距 明 显 增 大 ，进 而 将 探 讨 螺 距 增 加 对 对 转 导 管 桨的水动力性能的影响。
网络出版时间：2016-9-21 13:43
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51309070）；山东省科技厅资助项目（2013GGA10065）；山东省自然科学基金资助
项目（ZR2012EEQ004）
第5期
梅蕾等：大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析
43
增加单位时间内通过桨盘的流量，减小尾流收缩， 从 而 减 小 推 进 器 的 载 荷 系 数 ，提 高 推 进 效 率 。 此 外 ，采 用 对 转 推 进 形 式 是 另 一 种 选 择 ，这 是 因 为 对 转 桨 后 桨 能 够 减 小 甚 至 消 除 尾 流 中 的 旋 流 ，从 而吸收前桨施加给水中的旋转能量，提高效率 。 ［2-3］ 结 合 导 管 桨 和 对 转 桨 的 特 点 ，可 以 构 造 出 一 种 新 型 推 进 器 —— 对 转 导 管 桨 ，有 可 能 进 一 步 提 高 推 进器的性能。
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.007
Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-of-ratio
MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Harbin Institute of Technology at Weihai，
本文拟采用 2 种设计原则来重新分配对转导 管桨的转子负荷，分别介绍如下。
方案 1：等出口处切向诱导速度。 本方案目的是尽量保证对转的第一级转子和 单 转 子 具 有 相 似 的 上 、下 游 流 场 。 将 总 压 升 平 均 分配给对转桨的前、后桨，保持单转子导管桨和对 转导管桨的前桨出口切向诱导速度 DVθ 不变。根 据式（1），对转桨前后桨的转速变为单转子导管桨 的 1/2。根据式（2）和式（3）可分别计算对转导管 桨 叶 梢 处 的 螺 距 比 ，由 叶 梢 处 的 螺 距 比 确 定 整 个 桨叶各个半径处的螺距角。 方案 2：等加功量比。 将叶梢处叶元体压升无量纲化，得
1）对 转 导 管 桨 和 单 转 子 导 管 桨 采 用 同 样 的 翼型与盘面比；
2）单 转 子 导 管 桨 采 用 和 对 转 导 管 桨 相 同 的 加 长 导 管 且 转 子 前 后 压 差 相 同 ，即 在 理 想 的 鼓 动 盘假设下二者推力相同。
为 简 化 设 计 ，并 保 证 叶 根 处 不 会 出 现 过 大 的 螺距角 θS ，本文中的单转子导管桨和对转导管桨 都采用等螺距分布。其螺距分布均采用叶栅理论 方法重新进行设计。考虑到导管桨的半径越大， 做功能力越强，因此螺距计算在最大半径处进行， 而不是传统螺旋桨中常用的 0.7R 或 0.75R（R 为桨 叶 半 径）位 置 。 单 转 子 导 管 桨 和 对 转 导 管 桨 的 具 体设计方法如下。
44
中国舰船研究
ρUDVθ ρU 2
=c
（5）
简化后，得
DVθ = c U
（6）
这个比值 c定义为叶元体的加功量比。于是
在任意半径位置
Dp = ρUDVθ = ρU × cU = cρU 2
（7）
对转桨整体压升 Dp 平均分配到前后转子，此
时为保持与单转子 Dp 一致，对转桨前后桨转速为
单转子导管桨的 1 2 。
Weihai 264209，China
Abstract：A Single Rotor（SR）ducted propeller and two Contra-Rotating（CR）ducted propellers with different pitch-of-ratios are designed on the basis of the cascade theory，and the numerical simulation of the flow field is carried out using commercial CFD software. The upstream rotor pitch ratios of the two CR ducted propellers are 1.451 and 2.108 respectively，and the pitch ratios of the downstream rotors are de⁃ signed according to the principle of eliminating the swirl flow. The simulation results show that both the thrust coefficient and the torque coefficient of the CR ducted propellers are improved significantly with the increase of pitch ratio，while the efficiency increases slightly and the maximum efficiency point of the pro⁃ peller is offset to the right. Compared to the SR propeller，the CR ducted propeller can maintain higher pro⁃ pulsive efficiency at a higher pitch ratio. Key words：propeller；Contra-Rotating（CR）ducted propeller；large pitch-of-ratio；propulsion effi距比的计算公式分别为
θS
=
arctan
U
VZ - DVθ
θ 1
=
arctan
U
VZ - DVθ
（2）
θ2
=
arctan V Z U
P/D = π tan θ
（3）
式中，VZ 为导管内桨盘位置的轴向速度。 根据设计推力要求，导管桨转子前后压差 Dp
的计算可依下式得出，单位为 Pa。
0引言
近 十 几 年 来 ，船 舶 正 在 朝 着 大 型 化 和 高 功 率
的 方 向 不 断 发 展 。 为 适 应 高 速 、高 推 力 的 性 能 要 求，并保证推进器仍具有较高效率，采用导管螺旋 桨（以 下 简 称“ 导 管 桨 ”）是 一 种 选 择［1］。 导 管 桨 能
收稿日期：2016 - 03 - 08
第 11 卷 第 5 期 2016 年 10 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.11 No.5 O第ct. 1210卷16
引用格式：梅蕾，周军伟，倪豪良. 大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析［J］. 中国舰船研究，2016，11（5）：42-47，54. MEI Lei，ZHOU Junwei，NI Haoliang. Hydrodynamic forces of contra-rotating ducted propeller with large pitch-ofratio［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：42-47，54.
图 1 单转子导管桨 Fig.1 Single rotor ducted propeller
1.3 设计结果
单转子导管桨的设计要求如表 1 所示。
第 11 卷
表 1 单转子导管桨主要设计参数 Tab.1 Main design parameters of SR
参数 来流速度 VA（/ m·s-1）
转子直径 D/m 转速 n（/ r·min-1）
流旋流的原则进行设计。结果表明：随着螺距比的增大，对转导管螺旋桨的推力系数与扭矩系数显著提高，效
率略有提高，其最高效率点向右偏移。与单转子导管螺旋桨的对比发现，对转导管螺旋桨能够在更大的螺距比
下保持较高的推进效率。
关键词：螺旋桨；对转导管螺旋桨；大螺距比；推进效率
中图分类号：U664.33
文献标志码：A
目前螺旋桨常规的水动力设计方法为升力 线 、升 力 面 法［4-5］，对 于 对 转 桨 这 样 的 组 合 推 进 器 而言，前后桨之间存在非定常的干扰速度，并且在 对转导管桨的设计中还涉及导管和螺旋桨之间 的 相互干扰，因此，其计算方法更加复杂、计算难 度大。
作 为 一 种 叶 轮 机 械 ，对 转 导 管 桨 的 设 计 除 了 采 用 传 统 方 法 外 ，还 可 以 采 用 叶 栅 理 论［6］，但 这 类 方法在导管桨中的应用还较少。作者在前期的研 究 中 发 现 ，叶 栅 理 论 能 够 较 好 地 指 导 导 管 桨 的 设 计 。 ［7-8］ 本文将基于前期对转导管桨的设计研究， 探 讨 在 相 同 总 推 力 下 ，对 转 转 子 和 单 转 子 效 率 的 区别，并对不同螺距比（P/D）对转导管桨下的水动 力性能进行初步对比分析。
