非均匀流场中抗空泡桨叶剖面设计

船海工程２００６年第３期（总第１７２期）　文章编号１６７１．７９５３（２００６）０３．０００１．０５　

非均匀流场中抗空泡桨叶剖面设计　谭廷寿　武汉理工大学交通学院武汉４３００６３　

摘要给出非均匀流场中螺旋桨桨叶剖面的设计方法，提出保持剖面空泡特征不变的等效运转曲线　的思想与确定方法。本文方法设计的桨叶剖面能有效地控制空泡范围和空泡类型，得到期望的空泡性能。剖　面可哭用母型剖面或“新剖面”方法来设计，进而可确定桨叶弦向环量分布，然后由升力面理论设计三维桨叶　的几何形状。通过实例螺旋桨的设计，其空泡性能得到显著的改善，说明本方法是合理和有效的。　关键词螺旋桨新剖面空泡设计　中图分类号Ｕ６６１．３１３　文献标识码Ａ　

Ａｎｔｉ．ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｂｌａｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｎｏｎ．ｕｎｉｆｏｒｍ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ＴＡＮ　Ｔｉｎｇ－ｓｈｏｕ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｗｕｈａ￣ｌ　Ｕｎｉｖｅｍｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｗｕｈａｎ　４３００６３　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｂｌａｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｉｎ　ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｎｌ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ａｎ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｕｒｖｅ　ｗｈｅｒｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｎ　ｂｌａｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅ．Ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｄｅ・　ｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｐｒｅｓｅｎｔｍｅｔｈｏｄ　Ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｆｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｉｏｎ　ａｒｅａ　ａｎｄｔｙｐｅｔｏ　ｏｂｔａｉｎｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｍａｙ　ｂｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｐａｒｅｎｔ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｒ　ｎｅｗ　ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｂｙ　ｉｔｓ　ｃｈｏｒｄ－ｗｉｓｅ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｏｒｋｅｄ　ｏｕｔ，ｔｈｅｎ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｂｌａｄｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍａｒｋｅｄｌｙ，ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｎｅｗ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　

以往船舶螺旋桨基本上是按均匀流场来设计　的，如图谱设计或定常升力面设计，实际上螺旋桨　总是运转于船尾非均匀流场中，桨叶各半径剖面　的来流和攻角都是随时间变化的，当攻角的变化　范围较大时，往往难于避免空泡的发生，从而引起　船尾的剧烈振动，导致桨叶空泡剥蚀，引发噪音。　因此，在螺旋桨设计阶段应充分考虑并兼顾效率、　空泡、振动和剥蚀等多种性能要求。　通常空泡首先容易在桨叶梢部发生，这是由　于在桨叶外半径区域的剖面的厚度弦长比较小，　空泡斗较窄。而在叶根区域，空泡斗的宽度较宽，　一般不会产生空泡，但是对于螺旋桨桨轴下倾角　较大的高速船，在叶根区域常常产生泡状空泡而　引发严重的空泡剥蚀现象。因此，在螺旋桨设计　过程中，应充分注意这些特征，采用不同的设计原　则，桨叶外半径区域的剖面应采用空化性能优良　收稿日期２００６．０１．１８　修回日期２００６．０３．０９　作者简介谭廷寿（１９５６一），男，博士，副教授。　的剖面，而内半径的剖面通常要从效率上来考虑，　对于高速船还要注意避免泡状空泡的产生，因此　叶根剖面的厚度弦长比不能太大，否则容易发生　流动分离而增加剖面的阻力，产生泡状空泡。　螺旋桨升力面设计的关键是要知道环量的径　向和弦向分布ｕ　Ｊ。环量的径向分布仅保证螺旋桨　水动力的径向分布和螺旋桨作用力的大小；而剖　面的环量弦向分布形式决定了剖面的拱度分布和　螺距角，在升力面设计中，大多采用的环量分布形　式，对于均匀流场的螺旋桨设计ｌ２　是可行的。但　这样设计的螺旋桨在非均匀流场中往往会产生有　害的空泡类型，从而引发空泡剥蚀，振动和辐射噪　声等。所以在螺旋桨的设计中，要避免有害的空　泡的发生，应该遵循下面两个原则：　１）尽量采用宽空泡斗的剖面，使其尽可能不　产生空泡。　２）在不能避免空泡发生的情况下，使其产生　有利空泡，即允许产生部分背片空泡，避免泡状空　泡或面空泡的发生，以避免空泡剥蚀和振动。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 非均匀流场中抗空泡桨叶剖面设计——谭廷寿　１　桨叶剖面的运转曲线　保证桨叶剖面空泡性能的关键是螺旋桨升力　面设计【３］中的环量弦向分布，设计状态下桨叶剖　面的弦向环量分布可以通过相应的等价二维剖面　（包括拱度和厚度弦向分布）和设计攻角来确定，　这就要求设计出合理的等价二维剖面并确定其二　维设计攻角，使相应的桨叶剖面在非均匀流场中　运转时满足期望的空泡性能要求。因此，必须掌　握和了解该桨叶剖面在非均匀流场中旋转一周时　的水动力参数和工况的变化情况，如该桨叶剖面　的最小压力、空泡数，等价二维攻角与剖面空泡斗　的关系，在此基础上才能作出修改等价二维剖面　的决定。等价二维攻角随空泡数的变化曲线是调　整剖面形状的依据，此曲线称为剖面运转曲线。　剖面运转曲线的确定是非均匀流场中螺旋桨　设计的关键，采用螺旋桨非定常面元法　ｊ。根据　桨叶在旋转一周的各个角位置时剖面的压力分　布，用二维面元法确定其等价二维剖面，从而可以　得到该剖面的运转曲线和空泡斗曲线，根据运转　曲线和空泡斗的相对位置就可以判断该剖面是否　有空泡产生。对于二维机翼，升力系数Ｃ　，与攻　角ａ和拱度比厂／６之间的关系可表示为　ＣＬ＝２丁ｃ　（ａ＋　ｆ／６）＝２丁ｃ　（ａ＋ａ０）（１）　式中：　——升力系数斜率的粘性影响系数；　

ａ——来流攻角；　

ａ。——零升力角；　

——零升力角影响系数。　等价二元机翼的攻角在一周的变化正是桨叶　剖面设计的依据，但是二维拱度及其分布在旋转　过程中也是变化的，这意味着其空泡斗曲线也是　变化的，与设计状态（平均状态）下的剖面的空泡　斗曲线不同，由于剖面运转工况点（剖面空泡数和　攻角）和空泡斗之间的相对位置关系反映了其空　泡特性，利用其相对位置来考虑设计状态下的二　元剖面，以保证有相同的空泡性能，某角位置的运　转工况点的攻角相对于设计状态下的空泡斗曲线　应进行如下修改，见图１。　设　和ａ　分别为桨叶剖面在攻角增加和减　小方向上开始出现空泡的攻角。　ａｍ＝ａ＋（ａｂ—ａｂ日）　（２）　式中：ｂＯ——与桨叶某角位置对应的‰。　２　

修改后的攻角ａ　与设计状态的空泡斗的相　对位置反映了该瞬时角位置时的空泡特性，把相　对于设计空泡斗的运转曲线称为等效运转曲线，　一旦确定了等效运转曲线，就可进行剖面设计和　调整。　

２设计状态下等价二维剖面的设计　在设计状态下等价二维剖面的设计过程中，　首先引入下面的参数　△ａ　＝Ｃｔ　ｒｎ￣一。ｄ　△ａ　面＝ａ　曲一ａｄ　（３）　Ａａｒ　Ｏ＇ｍａｘ—ａＩｒＩｉｎ　

式中：ａ　ａ一、ａ　——二元设计攻角、剖面在旋　

转中的最大攻角和最小攻　角；　一、　——剖面攻角相对于设计攻角　ａ　的最大增加量和最小减　少量；　

，——总的攻角变化值。　为了便于判断是否发生空泡及空泡的类型，　引入下面的参数ｂ］　

ｃ　＝　ｒ　±　二　一　＝　（４）　

ｂ一△ａｒ一（ａｂ一口ｆ）一Ａａｒ（１一Ｃ　）　显然，参数Ｃ　表示桨叶剖面无空泡的攻角　范围与剖面旋转一周攻角变化范围之比，当　Ｃ　＜１时，该剖面一定有空泡的发生，如果剖面的　背空泡的裕度较大，应增加剖面的厚度比来增加　剖面空泡斗的宽度，但应满足一Ｃ　＜０．９　（空泡　数）的条件，反之，当Ｃ　＞１时，则可以避免空泡的　

维普资讯 http://www.cqvip.com 船海工程２００６年第３期（总第１７２期）　发生。　参数ｆ　表示该剖面在攻角增加方向出现空　泡的范围与出现空泡的总范围之比，它能反映该　剖面的空泡类型，根据工况点与空泡斗图的相对　关系，参数ｃ　的含义为　１）对于Ｃ。＞１的剖面，Ｃ　＜０有背空泡而无　面空泡；Ｃｂ＞１有面空泡而无背空泡；０＜Ｃ　＜１　时无任何空泡产生。　２）对于Ｃ。＜１的剖面，Ｃ　＞１有背空泡而无　面空泡；Ｃｂ＜０有面空泡而无背空泡，０＜Ｃ　＜１　同时有面空泡和背空泡。　为了使剖面有期望的空泡类型，对于Ｃ　＞１　的剖面，应满足０．３＜Ｃ　＜０．６的条件，可保证该　剖面不会有空泡发生，且面空泡的裕度大于背空　泡的裕度，对于Ｃ。＜１的剖面，为避免面空泡的存　在，应满足１．０２＜Ｃｂ＜１．０６的条件，如Ｃｂ＝１，这　表明面空泡刚好避免而没有裕度；但是Ｃ　的值　不能过大，否则会导致面空泡裕度过大而背空泡　太多，在螺旋桨旋转过程中，有背空泡的角位置范　围也会较宽。　设计状态下的桨叶剖面采用“Ｅｐｐｌｅｒ”　’］方法　设计，称为“新剖面”，以区别于母型剖面（如ＮＡ—　ＣＡ６６ｍｏｄ＋ａ＝０．８的拱弧线的翼型剖面），“新剖　面”应满足空泡性能要求，不但有较宽的空泡斗曲　线，而且与等效运转曲线有良好的配合，虽然　Ｅｐｐｌｅ建立了二维机翼剖面的设计理论，但是要设　计出满足要求的一个二维机翼剖面也有一定的难　度，因为有许多参数需要设计者来选择，而桨叶各　半径剖面对性能的要求是不同的，设计者必须小　心地选择各桨叶半径剖面的设计参数。　２．１二维剖面设计方法　该剖面设计方法是在机翼表面上指定压力或　速度分布形式，通过保角变换的方法来实现＿６　Ｊ，　将翼表面分为若干部分，在每部分上指定一个速　度分布和一个攻角（相对于零升力线），因而该方　法也称为多点设计方法或多攻角设计方法，特别　适用于来流攻角变化的问题。如果要设计一个在　某个来流攻角下其表面某部分具有常值速度分布　的机翼以延缓空泡初生，就可以在不同的机翼表　面部分指定不同的攻角和常值速度分布。但是，　对于任意给定的速度分布，有时会出现不合理的　机翼尾缘，因此必须引入尾缘封闭条件来控制尾　缘的几何形状，在尾缘附近的上下表面采用合理　的速度分布形式，其速度分布可采用文献［６，７］给　出的形式。　对于本文所研究的螺旋桨问题，上表面的压　力开始回复位置可由叶根剖面到叶梢剖面线性地　从（弦长中点）增加到（接近随边），这主要是考虑　外半径剖面容易发生空泡，较短的压力回复段可　以增加空泡斗宽度，而内半径剖面基本上没有空　泡，应侧重避免流动分离，减少剖面粘性阻力，提　高效率，所以压力回复段长度应增加，下表面的压　力回复位置由其它条件决定而不需要指定；压力　封闭段长度取弦长的４％　５％。　２．２桨叶等价二维剖面设计过程　根据剖面在旋转一周过程中的最大攻角和最　小攻角，结合设计升力系数，使设计出的剖面在旋　转一周过程中不产生泡状空泡和面空泡，并且使　桨叶剖面具有最大的空泡斗宽度。根据剖面设计　得到的几何型值和零升力角，求出厚度和拱度分　布，由设计升力系数和零升力角可确定其设计攻　角。具体设计步骤如下。　１）设空泡斗中点处攻角ａ　的初值等于设计　攻角。　２）调整剖面厚度比，根据已知的厚度比，根　据空泡斗中点的攻角　，空泡斗的上下角点处　（分别以ｕ和Ｌ表示）的攻角可按下式计算　：　ｍ　＋Ａａ　㈣　ａ　Ｌ＝ｄｍ一凸ａ　由于攻角增量　和剖面厚度比呈线性关　系，改变　可设计出该厚度比的剖面，然后计算一　该剖面的空泡斗曲线和参数ｃ。。对于Ｃ。＜１的　剖面，有空泡发生，可通过减少泡状空泡裕度来增　大剖面的厚度比，加大空泡斗的宽度，但不能小于　给定的最小泡状空泡裕度，使参数ｃ。的值增加。　３）计算参数ｃ　，根据ｃ　判断剖面是否满足　空泡性能要求，如果参数ｃ　满足要求，则完成剖　面设计，否则，执行下一步。　４）为了使剖面满足空泡要求，需要剖面的空　泡斗上下移动，通过改变空泡斗中点的攻角来实　现，空泡斗中点的攻角可根据参数ｃ　的值按如　下迭代结构进行调整。　ａ　＝ａｎ　一（　一Ｃ：）Ａａ，（１一Ｃ　）　（６）