基于PropCad的螺旋桨几何建模研究

付军涛，王建政，李善从

（沪东重机有限公司，上海 200129）

0 引言

在船用推进器中，螺旋桨是效率较高、应用最广的一种。为缩短设计周期，提高设计质量，螺旋桨设计一般需借助专业软件，但这些专业软件通常仅能得到螺旋桨的主要参数和水动力性能[1-2]，缺乏几何建模功能。螺旋桨桨叶为空间螺旋面[3-4]，同时往往蕴含纵倾及侧斜[5-6]，螺距分布也往往不一致[7-10]。因此基于螺旋桨设计所获取的主要参数进行螺旋桨制图，如借助通用CAD软件，通常准确性不高、快捷性不强。

本文基于PropCad软件，以B型桨为例，进行螺旋桨几何建模研究，以求精确、高效地将螺旋桨设计所得到的主要参数和水动力性能转换为螺旋桨几何模型[11]。

研究内容如图1所示。

图1 基于PropCad的螺旋桨几何建模

1 建模输入

螺旋桨设计所得到的螺旋桨主要参数和水动力性能外加主要船舶参数，即为螺旋桨几何建模输入。本例输入包括船舶参数和螺旋桨参数。

1）船舶参数

船舶设计水线长为21 ft（1 ft=0.304 8 m）；设计功率为150 HP；轴系设计转速为1 250 r/min。入级ABS，无冰区要求。

2）螺旋桨参数

桨型为B型定距桨；旋向为右旋；桨径为20 in（1 in=2.54 cm）；参考螺距为20 in；盘面比为0.65；纵倾角为10°；螺旋桨材质为镍铝青铜；螺距分布规律；侧斜分布规律等。

2 几何建模

螺旋桨几何建模分为6步，依次为：单位设置、螺旋桨主要参数设置、强度及材料设置、桨叶几何建模设置、桨毂几何建模设置、叶梢几何修正设置。

2.1 单位设置

螺旋桨设计所获取的螺旋桨主要参数中有些需带单位，比如桨径、螺距等。因此在进行螺旋桨几何建模前，首先需进行单位设置，以便统一。点击“SI”可以一键实现国际单位制默认设置，点击“Imperial”可以一键实现英制单位制默认设置，通过下拉框可以逐项进行单位设置。本文单位设置如图2所示。

2.2 螺旋桨主要参数设置

需要设置的螺旋桨主要参数包括：桨型、旋向、桨叶数、桨径、参考螺距、后倾角、毂径比等。该船桨型为定螺距螺旋桨，旋向为右旋，桨叶数选 4叶，桨径为20 in，参考螺距为20 in，后倾角为10°，毂径比采用标准B型桨推荐值0.18（换算后的桨毂中心直径为3.6 in）。设置如图3所示。

图2 单位设置

图3 螺旋桨主要参数设置

2.3 强度及材料设置

螺旋桨强度及材料设置的理论依据为船级社规范。目前，PropCad可依据的船级社包括：ABS、BV/RINA、KR、LR、CCS、NK、Baltic等。本文基于建模输入中的入级要求，船级社选择 ABS。该船设计水线长为21 ft，为钢制海船，因此参照“Steel Under 90 m (2014)”规范进行螺旋桨强度计算设置。该船螺旋桨桨型为适度侧斜定距桨，因此参照“FPP[4-3-2/9.11]”进行螺旋桨厚度分布设置。螺旋桨材质选用通用螺旋桨材质“Mn-Ni-Al bronze[Type5]”，调用该材质的默认密度0.27 ibm/in3。设计功率输入150 HP。轴系转速输入1 250 r/min。船舶设计水线长输入21 ft。强度及材料设置如图4所示。

图4 螺旋桨强度及材料设置

2.4 桨叶几何建模设置

螺旋桨桨叶为空间螺旋面，同时往往蕴含纵倾角及侧斜角，螺距分布也往往不一致。因此需基于建模输入分别从半径分布、螺距、弦长、后倾、纵斜、叶剖面最大厚度分布、叶剖面特征、导边及随边特征、拱度以及桨叶随边弯折等方面对桨叶进行精确设置以完成桨叶几何建模。

为对桨叶几何建模进行精确控制，桨叶半径分布设置为：0.16r/R、0.2r/R、0.3r/R、0.4r/R、0.5r/R、0.6r/R、0.7r/R、0.8r/R、0.9r/R、0.95r/R、0.975r/R、0.987 5r/R、1r/R；由于该桨为变螺距螺旋桨，其桨毂处的螺距减小为满螺距的 80%，因此螺距分布选择为“80%hub”；采用“BB-series”分布规律对桨叶弦长分布进行优化处理；该船螺旋桨盘面比为0.65；桨叶后倾取用“linear”意为遵循直线分布规律；参照标准BB-series螺旋桨纵斜规律控制该桨纵斜，并由此推算出该桨叶梢总侧斜值为 1.16 in；参照标准B-series螺旋桨叶剖面分布规律控制该桨叶剖面最大厚度的分布；参照标准B-series进行该桨的叶剖面特征控制；导边做倒角处理，倒角为 0.01 in，而随边做垂直处理；导边和随边的厚度分布规律为定常分布，厚度值为0.06 in；采用 “C-shape (arc)”（即弓形分布）进行叶剖面拱度增值形状控制，梁拱增值峰值处于0.7r/R处；采用桨叶随边弯折技术以提升该桨性能，随边最大弯折值为0.2 in，弯折扫略角为30°，桨叶叶梢及桨毂区域无弯折，0.6r/R～0.8r/R区域为满弯折，并采用余弦规律过渡。基于上述分析要素，桨叶几何建模设置见图5。

2.5 桨毂几何建模设置

桨毂几何建模，主要从桨毂前端面外径、桨毂中心面外径、桨毂后端面外径、桨毂内孔设计标准、内孔锥度、内孔前端面直径、轴名义直径、有无键槽、叶根与桨毂的倒角、桨叶位置等方面考虑。桨毂前端面外径取3.7 in，桨毂中心面外径取3.6 in，桨毂后端面外径取3.2 in；桨毂内孔采用英制锥形设计，内孔前端面直径取1.75 in，轴名义直径取1.75 in，桨轴采用无键液压连接方式；叶根与桨毂的倒角为0.5 in，桨叶位置为距桨毂前端面2.54 in。基于上述分析，桨毂几何建模设置见图6。

2.6 叶梢几何修正设置

螺旋桨叶梢曲面较为复杂，通用CAD软件较难处理。针对B型桨，可考虑其叶梢自导边至随边为平滑过渡，因此叶梢几何修正设置见图7。

3 建模输出

根据以上设计参考思路及几何输入设置，运行PropCad软件，并结合工程经验，可完成相应螺旋桨的建模输出。

3.1 螺旋桨2D图

图5 桨叶几何建模设置

图6 桨毂几何建模设置

PropCad可输出为“.dxf”格式的2D图，如图8所示。2D图包括侧投影图、螺距分布图、正投影图、伸张轮廓图以及包括螺旋桨主要参数的标题栏。

图7 叶梢几何修正设置

3.2 螺旋桨3D图

基于PropCad的绘图功能，可输出多种3D模型格式，如图 9所示。通常来说，为便于通用型的CAD/CAE软件直接读取3D图，以便结合工程经验进行进一步的工艺设计与分析，输出“.igs”格式的3D图较为适宜。

3.3 桨叶切面型值表

针对螺旋桨各半径处叶切面，需精确计算出其型值，基于 PropCad的数据进行编辑后完成型值报告表。

3.4 桨叶厚度送审报告

图8 螺旋桨2D图

图9 螺旋桨3D图

依据ABS船级社规范，需提供桨叶厚度送审报告。基于PropCad并进行相应的编辑，本文依据ABS的具体要求，出具桨叶厚度送审报告，如图11所示。

从桨叶厚度送审报告可以看出，在“Section Properties at 0.25r/R”章节中，螺旋桨实际最大厚度为0.832 in，而ABS要求是0.831 in，因此可判断该螺旋桨的设计满足ABS要求。

4 结论

PropCad软件除了可以精确、快捷的绘制B型桨几何模型，对AU桨、AUCPP桨、Gawn桨、Kaplan桨、SK桨、Thruster桨以及Wedge桨同样适用，甚至其应用可以扩展至旋转机械行业。

基于PropCad软件输出的螺旋桨2D/3D图、桨叶切面型值表、桨叶厚度送审报告等可以进行螺旋桨工艺设计并最终完成螺旋桨的生产制造。

图11 桨叶厚度送审报告