导管空气螺旋性能计算与绘图的一体化实现*

张宗科

(七○八研究所 上海 200011)

导管空气螺旋性能计算与绘图的一体化实现*

张宗科

(七○八研究所 上海 200011)

导管空气螺旋桨;LISP;CATIA;二次开发

在Excel中编程实现了导管空气螺旋桨的性能计算,使得计算过程更加直观可视,并将计算结果较快转化形成导管桨性能计算书中的表格形式。在AutoCAD中编制了LISP程序,利用Excel中生成的剖面型值,较为方便的绘制桨叶图,并自动加密剖面轮廓线控制点以形成CATIA中建模所需数据文件。在CATIA中通过二次开发,实现了桨叶三维模型的自动绘制,该模型不仅可用于整艇的三维建模,亦可用作CFD计算的输入模型。对设计过的气垫船导管空气螺旋桨进行汇总,形成了设计数据库。

0 引 言

全垫升气垫船在垫态航行时,艇基本悬浮在运行表面上。因此,其推进方式一般采用空气螺旋桨,为减小桨的直径及降低运转噪音,大多使用导管来提高推力。为在不同的航速下,均能获得较高推进效率以及提高操纵性,又采用可变距方式。七○八研究所从事气垫船研究已有40多年,共设计了30多型气垫船,建造百余条,使用的导管空气螺旋桨翼型主要为NACA-16 Series[1]与西北工业大学开发的NPU翼型[2]。

1 推力性能计算

在性能计算中,基于叶素理论与升力线理论,沿桨半径方向进行典型剖面升力/阻力分量的积分来获得导管桨的计算推力与所吸收的功率。参照美国空气螺旋桨设计手册,NACA-16 Series桨的性能计算过程见图1。

可以发现,图1中计算表格为一迭代计算过程,其中有些参数需查图表曲线获取,本文对这些图表曲线进行了数字化处理以方便使用(参见图3),并编制了MATLAB程序进行迭代计算。

图1 NACA-16 Series桨性能计算表

图2 螺旋桨性能计算书中的表格

图3 NACA-16 Series翼型桨性能计算参数曲线

螺旋桨初始推力可参照英协法的经验公式加以估算,根据导管的翼型以及桨在导管中的安装位置,换算出桨的推力作为初始迭代值;根据经验公式或母型船相关数据,给定设计所需要的初始参数,包括沿径向不同位置处的典型剖面的t′(无因次厚度t/b)、φi(桨叶初始安装角)与CLi(翼型升力系数)。

为使计算更加直观,编制VBA程序实现了Excel表格计算,仅需调节桨叶假定初始推力Tp0与桨叶安装角调节量Δφ,其余计算可一键自动完成。对计算中的一些中间值可即时进行查看,判断合理与否,从而部分实现了计算过程的可视化。并可方便将计算表格输出到导管桨计算书的Word文件内(见图2)。

2 桨叶图的绘制

在Excel中编程实现桨叶剖面翼型参数的自动计算,并形成剖面翼型数据文件。用AutoCAD中编制的LISP程序自动绘制出各剖面的形状,进而绘制出桨叶图。其中表格翼型参数表中的数值通过LISP程序用数据文件中的数值自动加以替代。

绘制NACA-16 Series翼型桨叶剖面轮廓时,先绘制导边圆与随边圆,再由型值点的首端点向导边圆作两条切线,依据此切线对导边圆作剪切,导边圆剩余部分圆弧与型值点连接成polyline曲线。对随边圆作同样处理,可得到整条轮廓曲线。将其绕剖面形心旋转φi角度,绘制轮廓曲线的包络框(BoundingBox),可得到其在旋转桨平面内相应的投影边界控制点(参见图4a),不同剖面处的投影边界控制点连接而成桨叶投影图(参见图4b)。而且,从桨叶图中投影轮廓线的光顺程度可反映原先初步设定的桨叶初始安装角φi值是否合适。

图4

3 CATIA中桨叶三维立体图的绘制

CATIA是法国达索系统公司(Dassault Systemes)的CAD/CAE/CAM一体化软件,在世界CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位。CATIA内嵌了VBA等二次开发工具,便于用户按照实际工作需要进行二次开发[3]。需要对NACA-16 Series翼型桨叶每个剖面的轮廓曲线的控制点进行加密,这样在CATIA中用Spline来表示翼型剖面时才不会变形走样[4,5]。用Vsiual LISP中的vlax-curve-get-ParamAtPoint与vlax-curve-getPointAtParam函数编程来对轮廓线加密控制点,并将控制点的坐标输出到数据文件内。

由于接近旋转轴,桨叶翼面与桨根之间过渡一般不考虑气动性能,而是要求光顺过渡并兼顾强度方面的要求。可采用图5中所示的方式来绘制过渡曲面。即先确定桨叶翼面与桨根端面圆过渡面导引线,再由CATIA中的多截面放样(Loft)形成过渡曲面。

图5 NACA-16 Series翼型桨叶与桨根过渡面

CATIA中绘制的典型三维桨叶见图6,包括直径1.3m、1.8 m、2.0 m、2.8 m、3.2 m的NACA-16 Series翼型桨与直径1.5 m、2.0 m的NPU翼型桨。

图6 CATIA中绘制的NACA-16Series翼型与NPU翼型桨叶模型

图7为1.81m NACA-16 Series翼型导管桨组合模型。有了导管桨的三维模型,即可方便转化为CFD计算所需的输入模型,减少CFD计算准备的工作量。美国CDIM-SDD公司(原Band,Lavis＆Associations)为芬兰海军设计的T-2000Combat ACV时,利用CFD软件对包含桨前船体在内的导管桨进行了优化设计,得出其最佳桨叶数为6叶、桨后整流支架叶片数为7片[6,7],相应计算模型见图8。

图7 CATIA中绘制的导管桨模型

图8 带桨前船体的导管桨CFD计算模型[7]

4 形成导管桨设计数据库

在船舶设计中,已有船的数据是宝贵的参考资料。对目前有资料可查的20多例气垫船用空气螺旋桨进行了汇总,形成导管桨设计数据库。这样可以方便借鉴以前设计的成功经验,从而减少设计工作量。导管桨设计数据库包含以下几个方面的内容:船名、翼型、桨直径(m)、桨叶数、转速(rpm)、功率(kW)、剖面参数、型值表、桨叶图、性能计算书、三维模型图、导管线型图。以上形成一张Excel表格,见图9。对于不能直接在Excel中加以表述的部分,则通过HyperLink方式加以链接融合。

图9 导管桨设计数据库

5 结 语

本文对七○八研究所设计过的气垫船用空气螺旋桨进行了汇总,形成设计数据库。将NACA-16 Series翼型空气螺旋桨计算所需的曲线图表作了数字化处理,实现了Excel中性能计算的自动化,并可方便转化为计算书中的Word表格形式。AutoCAD中编制的LISP程序可自动绘制沿桨叶径向不同位置处的剖面轮廓,进而形成整个桨叶图。在CATIA中开发的VBA程序可自动绘制各剖面的形状,经多截面放样绘出桨叶三维模型,可以方便地转化为导管桨CFD计算的输入模型。利用CFD软件对包含气垫船船体在内的导管桨性能进行优化设计,导管内壁与桨尖之间的最优间隙以及导管内壁动载荷的计算确定,将是下一步工作的重点。

[1] ANC-9Bulletin Aircraft Propeller Handbook[M].1955.

[2] 乔志德等.函道螺旋桨翼型与函道螺旋桨设计报告[R].西北工业大学.1992.

[3] 胡挺,吴立军.CATIA二次开发技术基础[M].电子工业出版社.2006.

[4] 胡添元,余雄庆.基于CATIA二次开发的飞翼外形参数化建模[J].飞机设计.2007,Vol.27No.6:10～13.

[5] 尤春风等.CATIA V5曲面造型[M].清华大学出版社.2002.

[6] J.A.Allison,B.G.Forstell,D.R.Lavis,et al.The Influence of New Technology on the Design and Manufacture of High Speed Craft with Special Reference to Recent Monohulls,Multihulls,Air Cushion Vehicles and Surface Effect Ships[C].High Speed Craft:Design＆Operation,RINA,2004:1～19.

[7] D.R.Lavis and B.G.Forstell Air Cushion Vehicle(ACV)Developments In the U.S.FAST2005[C],Russia,2005.

Integration of performance calculation and drawing for air-ducted propeller

Zhang Zongke

air-ducted propeller;LISP;CATIA;secondary development

This paper implements the performance calculation for air-ducted propeller by Excel program,which makes the calculation process more directly visible,and makes the results more quickly to the sheet in performance calculation report.Then,it makes LISP program in Auto CAD to conveniently work out the blade drawing based on section offsets from Excel,and automatically encrypt the control points of section outline to get the data for CATIA modeling.It also implements the automatically drawing of blade 3-D model through CATIA secondary development.This model can not only applied for overall 3-D modeling for the ship,but also for input model in CFD calculation.At last,the designed air-ducted propellers have been summarized as a design database.

U 662.9

A

1001-9855(2010)02-0049-05

2009-12-21

张宗科(1973.11-),男,汉族,山东人,工程师,主要从事船舶设计与软件开发工作。