大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析

梅蕾，周军伟，倪豪良

哈尔滨工业大学（威海）船舶与海洋工程学院，山东威海264209

大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析

梅蕾，周军伟，倪豪良

哈尔滨工业大学（威海）船舶与海洋工程学院，山东威海264209

基于叶栅理论设计了1台单转子导管螺旋桨和2台不同螺距的对转导管螺旋桨，并采用商用CFD软件对流场进行了数值模拟。对转导管螺旋桨的上游转子螺距比分别为1.451和2.108，下游转子螺距比按消除尾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。

螺旋桨；对转导管螺旋桨；大螺距比；推进效率

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1343.028.html期刊网址：www.ship-research.com

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.

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。

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。

1　导管桨的设计

本文在单转子导管桨19A/Ka4-55的基础上设计对转导管桨，以进行两者性能的对比研究。本文拟探讨在相同总推力下，对转转子和单转子的性能区别。为使其具备对比性，在设计阶段设定如下：

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。

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，即螺旋桨桨盘前后总压升Δp与叶元体线速度U，切向诱导速度ΔVθ的关系可表示为

式中：线速度U指的是某半径r处叶元体的切向速度，可以表达为U=ωr；切向诱导速度ΔVθ指的是转子出口的切向速度分量；ρ为水密度。

单转子导管桨螺距角θS，对转导管桨前后桨螺距角θ1和θ2，及叶梢螺距比的计算公式分别为

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Δp的计算可依下式得出，单位为Pa。

式中：T为螺旋桨推力；KT为螺旋桨推力系数；n为转速。

1.2对转导管桨设计方案

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。

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ΔVθ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

简化后，得

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

对转桨整体压升Δp平均分配到前后转子，此时为保持与单转子Δp一致，对转桨前后桨转速为单转子导管桨的12。

1.3设计结果

单转子导管桨的设计要求如表1所示。

表1　单转子导管桨主要设计参数Tab.1Main design parameters of SR

根据前期对19A加长导管的研究，当桨盘处速度与来流速度之比在1.4左右时，导管桨能够达到最高效率。由于本文中设计导管桨的进速为14 m/s，因而近似选取导管喉部速度VZ=20 m/s。

表2所示为不同径向位置r/R时2种方案设计的对转导管桨叶梢螺距比P/D和螺距角θS分布情况，其中，CR1和CR2分别表示由方案1和方案2得到的对转导管桨，SR表示单转子导管桨。设计完成的单转子导管桨SR和对转导管桨CR1分别如图1和图2所示。

表2　单转子导管桨和对转导管桨的螺距角分布Tab.2Pitch angle distribution of single rotor（SR）and contra-rotating（CR）ducted propeller

图1　单转子导管桨Fig.1Single rotor ducted propeller

图2　CR1对转导管桨Fig.2Contra-rotating ducted propeller

2　数值计算

螺旋桨外流场的网格划分可分为旋转域和静止域两部分。流场采用多块结构化网格对流场进行离散，以保证良好的网格正交性和计算收敛性。由于螺旋桨在均匀来流下运转，流场呈现旋转周期性特性，为了提高运算效率，仅模拟1/4的流场，即网格划分仅在单流道中进行（图3），整个静止域的范围包括螺旋桨桨盘上游5倍螺旋桨直径，下游15倍直径，径向10倍半径。单转子导管桨和对转导管桨的旋转域网格分别如图4与图5所示。

图3　流场网格Fig.3Flow region grid

图4　单桨旋转域网格Fig.4Rotation domain grid of SR

图5　对转桨旋转域网格Fig.5Rotation domain grid of CR propeller

采用适用的商用CFD软件ANSYS13.0/CFX对单转子导管桨和对转导管桨的流场进行了求解［9-10］。数值计算时，设定螺旋桨在固定位置以恒定的转速旋转，通过改变进口流速得到不同的进速系数J。采用MRF（Moving Reference Frame）方法，静止域在全局静止的坐标系下求解，旋转域在相对旋转坐标系计算，在转静接触面上进行数据传递。

3　模拟结果

3.1敞水性能

由于导管桨属于组合式推进器，推力和效率均需要以组合体的形式分析。因此，此处推力系数KT按总推力进行计算，包括导管推力和转子推力。敞水效率则定义为推进功率与对转转子总消耗功率之比。

图6分别给出了单转子导管桨SR和方案1的CR1和方案2的CR2设计的对转导管桨的推力系数、转矩系数KQ和敞水效率η。SR最高效率0.6，对应进速系数J=0.7；CR1最高效率0.68，对应进速系数1.4；CR2最高效率0.64，对应进速系数J= 0.99。从结果来看，对转导管桨的效率要高于单转子导管桨，并且随着螺距比的增大，对转导管桨的效率也在提高，且最高效率点也在向右偏移。

图6　敞水性能曲线Fig.6Open water performance curves

除此之外，从单转子导管桨到对转导管桨，最明显的变化是推力系数和扭矩系数有了大幅度的提高，并且随着螺距比的增大，其增加幅度持续上升。

3.2尾流分析

图7中给出了进速系数J分别为0.3，0.7和0.9时，单转子导管桨桨盘后旋流分量的分布曲线。其中，Vθ/Vd为导管桨第一级转子出口旋流速度和桨盘位置轴向速度的比值。从图中可以看出，桨盘后旋流分量随进速系数的降低而增大。这是因为当进速系数较低时，螺旋桨做功更多，根据动量定理，其旋流分量必然增大。由图8可以看出，随着流速增大，对转导管桨与单转子导管桨的效率差逐渐增大。

图7　单转子导管桨尾流切向速度分布Fig.7Tangential velocity distribution of SR in wake

图8　敞水效率随来流速度变化Fig.8Open water efficiency of two kinds of ducted propellers at different advanced velocities

为分析原因，图9中给出了来流速度VA=6和14 m/s时，对转导管桨、单转子导管桨桨盘后的切向速度Vt云图，图中右下角点为导管桨旋转轴，左上角点为导管内壁位置。图10为螺旋桨桨盘前后切向速度沿半径的分布，用来定量描述图9。可以看出，由于桨叶旋转的扰动，对转导管桨和单转子导管桨桨盘前有大小接近的旋流，当来流速度VA=14 m/s时，对转桨后的尾流旋量几乎减为0。

图9　尾流切向速度分布云图Fig.9Contours of tangential wake velocity

图10　桨盘前后切向速度沿半径分布图Fig.10Upstream and downstream tangential velocity distribution of propeller along radical direction

3.3桨叶表面压强分析

图11为设计来流速度情况下对转导管桨和单转子导管桨桨叶的压强分布云图。从图中可以看出，在对转桨和单桨产生相同推力的前提下，对转桨桨叶压力面和吸力面之间压强差明显较小。

图11桨叶压强分布云图Fig.11Pressure contours on blade surface

图12给出了设计来流下对转桨前后桨叶和单桨在0.4R和0.9R处的压强沿弦长方向的分布，其中，纵坐标Cp为压力系数，横坐标x/c为无量纲弦长。从图中可以看出，双桨的压强分布更均匀，导边和随边附近压强梯度更为平缓。桨叶负荷的减少，压强分布的改善将带来优越的空泡性能。在提供相同推力的情况下，对转桨桨叶压强差低于空化临界压强的概率，即形成空泡的可能性大幅降低。

图12　压强沿弦长分布Fig.12Distribution of pressure along the chord length

4　结论

本文基于叶栅理论设计了1台单转子导管桨和2台不同螺距的对转导管桨。2台对转导管桨的设计分别采用等出口处切向诱导速度和等加功量比的方案进行设计。为保证三者在相同设计航速下的推力相当，降低了对转导管桨的设计转速，即提高了对转转子的螺距比。在相同的进速和推力条件下，即不同转速条件下，通过对3台导管桨的水动力性能分析，可以得出如下结论：

1）通过对对转桨转速降低的设计，在本文设计的3台导管桨中，对转导管桨方案1和方案2分别比单转子导管桨效率提高了8%和4%。

2）对转导管桨最高效率点对应的进速系数高于单转子导管桨，且推力系数与扭矩系数明显提高，做功能力提高显著。

3）对转导管桨对尾流中旋流动能的回收效果明显，在设计航速下，甚至可以消除尾流中的旋流。

4）在产生相同推力的前提下，对转桨桨叶负荷更低。

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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，Weihai 264209，China

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 designed 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 propeller is offset to the right.Compared to the SR propeller，the CR ducted propeller can maintain higher propulsive efficiency at a higher pitch ratio.

propeller；Contra-Rotating（CR）ducted propeller；large pitch-of-ratio；propulsion efficiency

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.007

2016-03-08网络出版时间：2016-9-21 13:43

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）

梅蕾，女，1981年生，博士，讲师。研究方向：复合材料螺旋桨增效降噪，复合材料高速船艇

设计建造。E-mail：mlsmile81@163.com

周军伟（通信作者），男，1981年生，博士，副教授。研究方向：船舶推进叶轮机水动力学。

E-mail：zhou_junwei@foxmail.com