王文全，馬開(kāi)放，王詩(shī)洋，葉禮裕

1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011

2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

隨著船舶向大型化、高速化方向發(fā)展以及高功率主機(jī)的使用，船后伴流場(chǎng)的不均勻程度和螺旋槳的負(fù)荷加重，出現(xiàn)了尾振、結(jié)構(gòu)損壞、噪音及剝蝕等現(xiàn)象。在開(kāi)展螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮伴流場(chǎng)的影響，將可能導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的螺旋槳所在伴流場(chǎng)不匹配，出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲、推力不符合要求，耗能增大等現(xiàn)象。船舶螺旋槳適伴流設(shè)計(jì)的目的就是考慮船槳一體的相互影響，在船舶艉后伴流場(chǎng)條件下，選擇合適的直徑及拱度、螺距、縱斜和側(cè)斜的分布，盡量減小槳引起的振動(dòng)、空泡及噪聲等一系列問(wèn)題。開(kāi)展螺旋槳的適伴流設(shè)計(jì)需預(yù)報(bào)船后伴流場(chǎng)以設(shè)計(jì)適合于所在伴流場(chǎng)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳。

艦艇艉后為以湍流脈動(dòng)、黏性效應(yīng)和漩渦運(yùn)動(dòng)為特征的復(fù)雜流場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)致艇艉后伴流嚴(yán)重不均勻[1-2]。由于潛艇螺旋槳實(shí)際上都是工作于艇艉后伴流中，螺旋槳空化、噪聲性能受到艇艉后不均勻伴流的影響十分嚴(yán)重，在對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮艇艉后不均勻伴流場(chǎng)的影響。1963年，Beveridge等[3]基于Lerps理論采用Eckhardt-Morgan方法設(shè)計(jì)適伴流螺旋槳，在敞水和伴流條件下進(jìn)行試驗(yàn)，均得到很好的性能。Donald MacPherson[4]分析艦船適伴流螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)為隨著越來(lái)越多螺旋槳建造廠能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化建造，艦船量身定制或半定制合適的推進(jìn)器成為可能。丁舉等[5-6]比較單槳與雙槳船的流場(chǎng)不同特點(diǎn)，計(jì)及切向伴流影響，開(kāi)展雙槳船適伴流槳設(shè)計(jì)。羅曉園等[7]針對(duì)傳統(tǒng)舵槳實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的螺旋槳振動(dòng)、低速等問(wèn)題，給出開(kāi)展全回轉(zhuǎn)舵槳適伴流設(shè)計(jì)概念。侯立勛等[8]以實(shí)現(xiàn)節(jié)能為目標(biāo)，以螺旋槳環(huán)流理論分別對(duì)前槳和后槳進(jìn)行實(shí)槳適伴流設(shè)計(jì)，建立了一種高效對(duì)轉(zhuǎn)槳適伴流設(shè)計(jì)方法。宋才生等[9]研究船舶艉型與適伴流螺旋槳的一體化匹配設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)船實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。但是以往學(xué)者都是將螺旋槳理論設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)分開(kāi)研究，可能造成理論設(shè)計(jì)得到的螺旋槳各方面性能不能達(dá)到最優(yōu)，或者開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)缺少母型槳。因此本文將螺旋槳適伴流的理論設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相組合，形成一套比較完整的螺旋槳設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在艦艇艉后伴流場(chǎng)的條件下，合理地設(shè)計(jì)螺旋槳的幾何參數(shù)分布，使設(shè)計(jì)槳適合于所在伴流場(chǎng)下的運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足水動(dòng)力性能方面要求，而且對(duì)空化、噪聲性能有利，實(shí)現(xiàn)為艦艇量身定制螺旋槳。本文首先介紹了船用螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程；然后，介紹螺旋槳參數(shù)化表達(dá)的方法；最后，通過(guò)對(duì)HSP槳重新設(shè)計(jì)，驗(yàn)證螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

1 螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

本文將螺旋槳適伴流的理論設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相組合，形成一套比較完整的螺旋槳設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了伴流場(chǎng)的諧振分析方法、螺旋槳理論設(shè)計(jì)前槳葉數(shù)、縱傾分布和側(cè)斜分布的選擇方法、考慮縱傾側(cè)斜影響的升力線設(shè)計(jì)程序、升力面設(shè)計(jì)程序、非定常面元法預(yù)報(bào)螺旋槳水動(dòng)力性能程序和以設(shè)計(jì)槳為母型的適伴流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。該系統(tǒng)全面考慮了適伴流設(shè)計(jì)槳的水動(dòng)力性能、非定常推力的脈動(dòng)、強(qiáng)度條件，而且操作簡(jiǎn)單，可自動(dòng)完成各程序之間的數(shù)據(jù)傳輸，大大減少人工的介入。該系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中可輸出文檔和設(shè)計(jì)槳模型，便于設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)程進(jìn)行觀察和控制。

具體流程如下：

1）螺旋槳適伴流槳的初始化理論設(shè)計(jì)。根據(jù)艦艇的船型特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，確定升力線輸入?yún)?shù)，包括螺旋槳轉(zhuǎn)速、直徑，推力，螺旋槳收到的馬力、伴流分?jǐn)?shù)等。其中，伴流分?jǐn)?shù)可根據(jù)船型特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)公式估算，開(kāi)展不考慮縱傾側(cè)斜的螺旋槳適伴流初始化理論設(shè)計(jì)，根據(jù)側(cè)斜縱傾的選擇原則，結(jié)合初始化適伴流槳的幾何螺距角、諧振船后伴流場(chǎng)選擇合適的側(cè)斜分布和縱傾分布。

2）螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)。在船后伴流場(chǎng)條件下，采用考慮縱傾和側(cè)斜分布的升力線和升力面設(shè)計(jì)程序開(kāi)展螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)。采用非定常面元程序預(yù)報(bào)適伴流設(shè)計(jì)槳的性能，判斷適伴流設(shè)計(jì)槳水動(dòng)力性能、激振力是否滿足要求，否則，重新進(jìn)行螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)。

3）螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)。這一步驟是為了進(jìn)一步提高適伴流理論設(shè)計(jì)槳的各方面性能而開(kāi)展的。以適伴流理論設(shè)計(jì)槳為母型，探索設(shè)計(jì)變量空間，確定設(shè)計(jì)變量的變化范圍。結(jié)合優(yōu)化算法和非定常面元法程序，采用懸臂梁法預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)槳的應(yīng)力分布，限制其最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力6.37×107Pa，對(duì)設(shè)計(jì)槳的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)部分的流程如圖1所示，螺旋槳適伴流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)部分的流程如圖2所示。

圖1 螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)流程

圖2 螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2 螺旋槳參數(shù)化表達(dá)

B樣條曲線對(duì)曲線控制靈活[10]。如果用基于B樣條曲線參數(shù)來(lái)表達(dá)槳的幾何參數(shù)，可用較少的控制點(diǎn)得到光順半徑方向的幾何參數(shù)分布。螺旋槳幾何參數(shù)徑向分布的B樣條曲線的具體表達(dá)如下：

式中 ：p(u)為幾何參數(shù)分布 ；di(i=1,2,···,n)為曲線形狀的控制頂點(diǎn)；Ni,k(u)為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。

在螺旋槳的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，螺旋槳的幾何參數(shù)在不同的徑向處有不同的值，進(jìn)行幾何參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需要重新獲得不同徑向處的幾何參數(shù)值，其表現(xiàn)為一條曲線。通過(guò)改變控制頂點(diǎn)得到新的幾何參數(shù)分布不能很好地控制幾何參數(shù)的變換范圍。因此，對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該直接考慮曲線上的幾何參數(shù)分布而不是控制多邊形的形狀。從初始曲線，反算出控制多邊形，求出合理的曲線形狀[10]。具體來(lái)講，就是已知B樣條曲線上沿徑向的幾何參數(shù)，取其中的p1,p2,···,pn，反算出n+2個(gè)控制頂點(diǎn)d1,d2,···,dn,dn+1,dn+2。根據(jù)這些控制頂點(diǎn)擬合出一條B樣條曲線，進(jìn)而獲得不同徑向處的幾何參數(shù)值。

本文采用反求控制點(diǎn)的三次B樣條曲線求解方法如下：已知三次B樣條曲線上的分段點(diǎn)p1,p2,···,pn， 求其n+2個(gè)控制頂點(diǎn)d1,d2,···,dn,dn+1,dn+2。求解控制方程組為[11]：

式（1）有n個(gè)方程及n+2個(gè)未知量，因此只需2個(gè)邊界條件即可求解。沿徑向分布的螺旋槳幾何參數(shù)為不封閉的曲線，對(duì)此需補(bǔ)充如下邊界條件：

結(jié)合上述反求控制點(diǎn)的B樣條曲線方法理論，作者基于FROTRAN語(yǔ)言編譯了相關(guān)程序用于表達(dá)螺旋槳幾何參數(shù)。以P4382槳為例，驗(yàn)證本程序表達(dá)的可行性。用反求B樣條曲線的程序?qū)4382槳的沿徑向的分布弦長(zhǎng)、螺距、厚度、拱度、縱傾和側(cè)斜進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)。

鑒于B樣條曲線的優(yōu)點(diǎn)，本文選了4個(gè)控制點(diǎn)。4個(gè)控制點(diǎn)的具體位置需根據(jù)幾何參數(shù)的分布情況而定。如圖3所示，P4382槳沿徑向的弦長(zhǎng)、螺距、厚度、拱度、縱傾和側(cè)斜經(jīng)參數(shù)化表達(dá)后基本與原槳相吻合。

圖3 原槳與參數(shù)化表達(dá)后槳的幾何參數(shù)對(duì)比

計(jì)算出經(jīng)參數(shù)化表達(dá)后槳的水動(dòng)力性能，并將其與原槳的水動(dòng)力性能相比較。如圖4所示，圖中KT、KQ分別為螺旋槳的推力系數(shù)與扭矩系數(shù)，原P4382槳與參數(shù)化表達(dá)后的槳的敞水性能曲線基本一致。可見(jiàn)，本文的反求B樣條曲線參數(shù)化表達(dá)程序是可用于表達(dá)螺旋槳的幾何參數(shù)。因此，在以下開(kāi)展螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)來(lái)改變螺旋槳的幾何形狀。

圖4 原槳與參數(shù)化表達(dá)后槳的敞水性能曲線對(duì)比

3 算例分析

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入

為驗(yàn)證本文所述船用螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，以對(duì)HSP槳再設(shè)計(jì)為例。HSP槳的幾何參數(shù)、伴流場(chǎng)以及水動(dòng)力性能的實(shí)驗(yàn)值見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。根據(jù)HSP槳的試驗(yàn)條件，給出HSP槳部分升力線設(shè)計(jì)的初始輸入?yún)?shù)，如表1所示。根據(jù)HSP槳軸向伴流分布如圖5所示，得到每個(gè)半徑處的軸向伴流周向平均值，如表2所示。

表1 HSP槳升力線輸入?yún)?shù)

圖5 HSP槳軸向伴流分布

表2 HSP槳軸向伴流的周向平均值

3.2 側(cè)斜與縱傾分布的選擇

由于不同艦艇艉后伴流場(chǎng)是不同的，需要根據(jù)船舶伴流的具體情況選擇螺旋槳合適的側(cè)斜分布。在螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)前，采用諧調(diào)分析法分析艦艇艉后法向伴流（如圖6所示），合理的選擇側(cè)斜分布，目的是避開(kāi)槳各個(gè)剖面同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)到高伴流區(qū)。側(cè)斜分布必須與伴流場(chǎng)的各諧調(diào)分量一起考慮，不計(jì)徑向伴流影響，各個(gè)剖面的法向伴流為：

圖6 槳葉剖面法向伴流

螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)前，需要初始化設(shè)計(jì)螺旋槳，得到設(shè)計(jì)槳的幾何螺旋槳角，以便開(kāi)展法向伴流場(chǎng)的諧振分析。由于原HSP槳的幾何螺距角已知，本文省去了該步驟。通過(guò)對(duì)HSP槳的法向伴流場(chǎng)協(xié)調(diào)分析，得到5階最大法向相位角如表3所示。

表3 HSP槳伴流場(chǎng)最大法向相位及3種側(cè)斜分布

表3同時(shí)給出了HSP槳的原側(cè)斜分布。為了方便理解，圖7給出了3種側(cè)斜分布的螺旋槳正投影圖。側(cè)斜分布設(shè)計(jì)原則是初步確定的螺旋槳側(cè)斜分布要盡量使得側(cè)斜分布線與法向伴流相位的分布曲線存在比較大的交角。根據(jù)該原則，作者初步選定平衡式和后側(cè)斜形式這2種方式的HSP槳沿徑向的側(cè)斜分布形式進(jìn)行探討。

圖7 3種不同側(cè)斜分布槳的正視圖

在其他幾何參數(shù)不變條件下，分別預(yù)報(bào)了原側(cè)斜、平衡式以及后側(cè)斜形式的不同HSP槳的非定常的水動(dòng)力性能。基于傅里葉分析法頻譜分析3種側(cè)斜方式的HSP槳主槳葉的非定常推力系數(shù)，可得到主槳葉的各階力的幅值。由圖8可知，平衡式和后側(cè)斜式的側(cè)斜分布對(duì)應(yīng)的HSP槳的非定常推力主要脈動(dòng)幅值均比原槳減小了，其中平衡式減小的幅度更大。另外，后側(cè)斜式的HSP槳主槳葉平均推力系數(shù)（0階推力幅值）比原槳增大了，而平衡式的HSP槳的主槳葉平均推力幅值比原槳減小了，但是減小的幅度不大。因此，為了保證強(qiáng)度特性，在滿足螺旋槳的推力條件下，盡量選擇平衡式側(cè)斜分布形式。若槳的強(qiáng)度可保證，為提高螺旋槳的推力系數(shù)，可選擇后側(cè)斜式的側(cè)斜分布形式。

圖8 不同側(cè)斜分布槳非定常推力系數(shù)各階幅值

縱傾設(shè)計(jì)主要目的是增加槳葉和船艉板之間的間隙，降低槳的尾流對(duì)船艉的沖刷，從而降低振動(dòng)，而設(shè)計(jì)者通常是孤立進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)，并通過(guò)船后伴流場(chǎng)來(lái)計(jì)入船體艉后速度場(chǎng)對(duì)螺旋槳的作用?？v傾的分布形式有槳葉縱傾內(nèi)半徑前置外半徑后置分布、前置縱傾以及后置縱傾等。從強(qiáng)度角度考慮，后置縱傾不宜過(guò)大，以減小縱傾引起的離心力彎矩；前置縱傾對(duì)大側(cè)斜螺旋槳強(qiáng)度有利，能有效降低槳的應(yīng)力水平。從水動(dòng)力性能角度考慮，后傾槳隨著縱傾角度增加，其推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都會(huì)提高；而前置縱傾能夠提高螺旋槳的效率。從空泡角度考慮，后置縱傾能改善梢部的三維繞流，從而推遲梢渦空泡起始。綜合考慮螺旋槳的水動(dòng)力性能、空泡、噪聲和強(qiáng)度，可以選用槳葉縱傾內(nèi)半徑前置外半徑后置的分布方式，內(nèi)半徑區(qū)內(nèi)縱傾分布前置螺旋槳的效率有所增加，外半徑稍后置對(duì)其效率影響較小。

本算例以HSP槳再設(shè)計(jì)選擇五葉槳，縱傾和側(cè)斜分布選擇如表4所示，作為升力線的輸入?yún)?shù)。

表4 HSP槳升力線側(cè)斜縱傾輸入?yún)?shù)

3.3 螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)結(jié)果

完成了設(shè)計(jì)槳的側(cè)斜和縱傾選擇后，即可開(kāi)展HSP槳的適伴流理論設(shè)計(jì)。表5給出了適伴流理論設(shè)計(jì)槳的幾何參數(shù)，該槳的葉根和葉梢處的螺距比原槳小，對(duì)減小螺旋槳的轂渦和梢渦有利。

表5 適伴流理論設(shè)計(jì)槳幾何參數(shù)

圖9給出了螺旋槳的三維模型，幾何外形比較光順。采用本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的基于面元法和懸臂梁法的螺旋槳應(yīng)力預(yù)報(bào)方法對(duì)該設(shè)計(jì)槳的應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)報(bào)，如圖10所示。該槳的最大應(yīng)力值為 2.5×107Pa，小于材料的許用應(yīng)力 6.37×107Pa，強(qiáng)度滿足要求。

圖9 設(shè)計(jì)槳示意

圖10 設(shè)計(jì)槳應(yīng)力分布

為了對(duì)適伴流理論設(shè)計(jì)槳進(jìn)行更好地分析，采用非定常面元法對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，并與原HSP槳的性能進(jìn)行對(duì)比，如表6和圖11所示。

表6 原HSP槳與設(shè)計(jì)槳水動(dòng)力性能均值對(duì)比

圖11 主槳葉旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)

由表6可知，原HSP槳和設(shè)計(jì)槳的推力系數(shù)與扭矩系數(shù)的誤差均控制在3%以內(nèi)?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)槳的水動(dòng)力性能與原HSP槳一致。由圖11可知，原槳和設(shè)計(jì)槳的主槳葉在旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)比較吻合。同時(shí)，由圖12可知，原槳和設(shè)計(jì)槳的主槳葉在旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中的推力系數(shù)各階幅值基本一致，但是設(shè)計(jì)槳的推力幅值要比原槳小。有利于減小螺旋槳的振動(dòng)與噪聲。

圖12 主槳葉一周旋轉(zhuǎn)得到的推力系數(shù)各階幅值

3.4 螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

本算例以文中HSP槳的適伴流理論設(shè)計(jì)槳為母型，驗(yàn)證建立的螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性。在設(shè)計(jì)進(jìn)速系數(shù)下，以提高平均推力系數(shù)和降低主槳葉最大非定常推力幅值為目標(biāo)，將螺旋槳最大應(yīng)力限制在6.37×107Pa以下，對(duì)適伴流設(shè)計(jì)槳沿徑向的分布的弦長(zhǎng)、螺距、縱傾、側(cè)斜、拱度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，螺旋槳應(yīng)力計(jì)算采用懸臂梁法計(jì)算得到。為了節(jié)省優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間，搜索目標(biāo)槳時(shí)將種群數(shù)目設(shè)為30，迭代次數(shù)12次。

以優(yōu)化后的適伴流設(shè)計(jì)槳的最大主槳葉非定常推力幅值為橫坐標(biāo)和平均推力系數(shù)為縱坐標(biāo)，組成了Pareto前沿。如圖13所示，優(yōu)化前的適伴流設(shè)計(jì)槳的主槳葉最大非定常推力幅和平均推力系數(shù)的坐標(biāo)點(diǎn)離Pareto前沿有段距離。可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)后，將會(huì)進(jìn)一步提高螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)槳的性能。Pareto前沿的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)代表一個(gè)設(shè)計(jì)方案，船舶設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的船舶需求來(lái)權(quán)衡各方面因素，選擇合適的方案槳。

圖13 螺旋槳適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)槳Pareto前沿

從Pareto前沿上選擇2個(gè)適伴流優(yōu)化設(shè)計(jì)槳進(jìn)行分析，以下簡(jiǎn)稱方案槳。圖14、15給出了2個(gè)方案槳的應(yīng)力預(yù)報(bào)結(jié)果，方案槳1的最大應(yīng)力為 3.5×107Pa，方案槳 2 的最大應(yīng)力為 3×107Pa?？梢?jiàn)，2個(gè)方案槳的最大應(yīng)力均未超過(guò)6.37×107Pa，強(qiáng)度符合要求。

圖14 方案1槳的槳葉應(yīng)力分布

圖15 方案2槳的槳葉應(yīng)力分布

表7給出了2個(gè)方案槳、適伴流理論設(shè)計(jì)槳和原槳的最大主槳葉非定常推力幅值和平均推力系數(shù)。由表7和圖16可知，方案槳1和方案槳2的最大主槳葉非定常推力幅值均低于原HSP槳；方案槳1、2均高于原HSP槳的平均推力系數(shù)。因此，在HSP槳船后伴流場(chǎng)下，方案槳1和方案槳2的快速性和振動(dòng)性能要比原HSP槳更優(yōu)。

表7 設(shè)計(jì)槳與原槳水動(dòng)力性能對(duì)比

圖16 主槳葉非定常推力系數(shù)各階幅值

圖17給出了原槳、適伴流理論設(shè)計(jì)槳和2個(gè)方案槳的弦長(zhǎng)、螺距、拱度、側(cè)斜以及縱傾沿徑向的分布。與原槳相比，方案槳的這些幾何參數(shù)的分布曲線均比原槳要光順且分布趨勢(shì)與原槳有較大不同。適伴流理論設(shè)計(jì)槳和2個(gè)方案槳的內(nèi)半徑處的弦長(zhǎng)與原槳相比有所減小，從而提高了設(shè)計(jì)槳的敞水效率；葉根處和葉梢處的螺距均比原槳小，槳葉中部的螺距比原槳大，這對(duì)減小螺旋槳的轂渦和梢渦是有利的。2個(gè)方案槳沿徑向的螺距分布與適伴流理論設(shè)計(jì)槳有較大不同，推斷螺距分布對(duì)螺旋槳的最大主槳葉非定常推力幅值和平均推力系數(shù)影響較大。拱度決定葉剖面的負(fù)荷沿弦向的分布，拱度增大能避免導(dǎo)邊附近出現(xiàn)負(fù)壓峰，推遲空泡的發(fā)生，但對(duì)整個(gè)槳葉的強(qiáng)度不利，適伴流理論設(shè)計(jì)槳和2個(gè)方案槳的葉根處的拱度比原HSP槳要小很多，這對(duì)葉根處的強(qiáng)度和轂渦是有利的；2個(gè)方案槳槳葉中部的拱度分布均比適伴流理論設(shè)計(jì)槳大，對(duì)提高螺旋槳的推力有利。原HSP槳、適伴流理論設(shè)計(jì)槳和2個(gè)方案槳的側(cè)斜分布變化趨勢(shì)比較類似，但是適伴流理論設(shè)計(jì)槳和2個(gè)方案槳在葉梢處的側(cè)斜要比原HSP槳大，這對(duì)減小最大主槳葉非定常推力幅值有利。對(duì)于縱傾，方案槳的槳葉葉根處縱傾減小而葉梢附近的縱傾增加，適伴流理論設(shè)計(jì)槳和兩2個(gè)方案槳的縱傾分布與原槳有較大不同，這種分布形式對(duì)螺旋槳的強(qiáng)度是有利的。

圖17 原槳和設(shè)計(jì)槳的幾何參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文將伴流場(chǎng)的諧振分析方法、螺旋槳理論設(shè)計(jì)前槳葉數(shù)、縱傾分布和側(cè)斜分布的選擇方法、考慮縱傾側(cè)斜影響的升力線設(shè)計(jì)程序、升力面設(shè)計(jì)程序、非定常面元法預(yù)報(bào)螺旋槳水動(dòng)力性能程序和以適伴流理論設(shè)計(jì)槳為母型的適伴流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序等組合，形成了一套比較完整的螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，分析得到以下結(jié)論：

1）采用B樣條曲線的螺旋槳參數(shù)化表達(dá)方法，通過(guò)合理的選擇控制點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)以較少的控制點(diǎn)得到光順螺旋槳的幾何參數(shù)分布，并且沿徑向的弦長(zhǎng)、螺距、厚度、拱度、縱傾和側(cè)斜經(jīng)參數(shù)化表達(dá)后分布曲線與原槳是一致的，可應(yīng)用于螺旋槳的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)要求螺旋槳的水動(dòng)力性能與原槳一致，強(qiáng)度滿足要求，而振動(dòng)、噪聲性能優(yōu)于原槳，而本文所述的螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這一目的，驗(yàn)證了該方法的有效性。

3）螺旋槳適伴流理論設(shè)計(jì)要達(dá)到的效果是在原適伴流理論設(shè)計(jì)槳的基礎(chǔ)上，限制強(qiáng)度條件，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)槳的各方面性能。而本文所述的螺旋槳適伴流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得優(yōu)化后的適伴流設(shè)計(jì)槳的推進(jìn)性能和振動(dòng)性能比適伴流理論設(shè)計(jì)要好，強(qiáng)度滿足要求。