无梢涡螺旋桨试验研究

张海泉 万国桥

（1.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050；2.武汉市船舶检验所，湖北武汉 430033）

为了提高螺旋桨自身效率，使螺旋桨叶梢处不产生梢涡，以减少螺旋桨叶梢处能量的损失，因此开展了无梢涡螺旋桨的试验研究。螺旋桨的升力线模型，是以一根升力线代替一个桨叶，其环量沿径向是变化的，记为Г（r），由于环量沿径向变化，其后逸出自由涡片，在半径r处的dr区域逸出的自由涡强度等于Г｀（r）＝r（r）dr＝－（dГ（r）／dr）＊dr。

因此，我们探索在螺旋桨叶梢处增加叶片的方法，使叶梢不产生旋涡，减少叶梢处能量损失，也称无梢涡螺旋桨。早在八十年代，日本造船界就已经对旋桨叶梢处增加叶片的方法进行过探讨，并在《日本造船学会编文集86》中发表过相关的内容。

1 无梢涡螺旋桨原理分析

对于B4－66桨来说，有4个桨叶，共有4根升力线及相应的4个螺旋自由涡面。由于螺旋桨叶梢处存在横向绕流（桨叶相当于三元翼展），使同一叶片的梢部上的压力面和吸力面之力趋于相同，造成叶梢处升力为零，环量Г（r）＝0，使涡强也为零。而且在r半径的叶梢处逸出自由涡线，这种模型的自由涡可以涡片的形式延伸到远后方，实际在桨后不很远的地方将因变形而破裂、卷曲，形成处于梢、根处两个涡卷。如果在叶梢处的截面上安装一个与螺旋桨同轴旋转面相切的的弧面封板，由于该封板能起着升力线径向等值面的作用，使叶梢涡的强度有可能不会失效。由于封板的存在，使叶片端截面上的压力面和吸力面之间存在一压差，致使叶梢不产生旋涡，减少叶梢处能量损失。

2 试验研究内容

首先我们选定试验模型：Ka4－70桨和AU－3型桨。

（1）Ka4－70 桨。据有关资料研究，在推轮上广泛使用的Ka系列桨，减少梢涡的方法是在桨叶梢加装封板。因此我们选定Ka4－70桨为试验桨，比较桨叶加装封板后敞水性能的变化。

加装封板后，整个桨的推力与转矩为：

T＝ρZ∫RrhГ（r）｛2∏rn－UT（r）｝｛1－εtgβi（r）｝dr－⊿T

Q＝ρZ∫RrhГ（r）｛VA＋UA｝｛1＋εctgβi（r）｝rdr＋⊿Q

⊿T 和⊿Q 为封板产生的负推力和对浆轴中心线的附加力矩

⊿T＝SZρ｛VA2＋（∏Dn）2｝A·sinβ

⊿Q ＝1／2·SZρ｛VA2＋（∏Dn）2｝· A·Dcosβ

封板宽度的选择，要使因叶梢有限环流存在而产生的正效果，大于由于封板本身粘性阻力所造成的负效果，因此过大的宽度将使A 增大，从而⊿T 和⊿Q 增大，过小的宽度，又使Г（r）没有明显增加，起不到减少梢涡的作用。因此采用三种宽度的封板：B1＝2.8%D＝5mm，B2＝5.6%D＝10mm，B3＝8.4%D＝15mm。

采用平板式的封板，能减轻叶片自身的重量，减少螺旋桨在叶梢处的负荷。封板与桨叶梢垂直安装，这样封板与螺旋桨同轴旋转面完全相切，才能起到升力线径向等值面的作用。如图1所示。

图1 叶片的安装位置

（2）AU－3型桨。

AU－3型桨的叶梢是园弧形的，对这种浆减少桨叶梢涡损失的最有效方法是在浆叶两侧的梢端加装小翼。参照书［1］中介绍的最佳安装角为本次试验研究的安装角。即在AU－3型桨（DM＝0.178m）、0.9R 处，安装小翼。

安装工况为：上反角r1＝r2＝45°；安装角α1＝－4°，α2＝6°；后掠角β1＝10°，β2＝30°。小翼安装在叶梢后，其投影高度应与原桨叶梢高度（0.1R）一致，因此小翼的高度为h＝0.1R／sinr＝0.0126（m）。小翼侧斜角根据后掠角β1＝10°，β2＝30°来定，因此设计两种形状的小翼。如图2、图3所示。

图2 翼剖面形状

图3 安装位置图

3 无梢涡螺旋桨试验结果分析

我们选用Ka4－70桨做敞水试验，P／D＝1.21，实桨D＝1.88米，表1 为不加叶片和加叶片的敞水试验结果对比：

表1 敞水试验结果对比

在Ka系列和B 系列螺旋桨上安装叶片，经过试验，发现当进速系数J增大到0.6以后敞水效率有一定提高，但当进速系数J小于0.6时敞水效率反而下降了，说明叶片的安装位置和角度还有待于进一步试验研究，以及在不同的螺旋桨上安装叶片，也会产生不同的效果。此次试验研究为今后相关领域的进一步深入研究打下了一定基础。

1 日本造船学会编文集