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第二届船用推进器国际研讨会

smp11，汉堡，德国，2011年6月

轮缘驱动推进器的数值设计与实验验证*

阿列克谢羽·雅科夫列夫，马拉A·索科洛夫，尼古拉五·毛里尼奇¹

¹克雷洛夫造船研究所（KSRI），圣彼得堡，俄罗斯

摘要

本文介绍了轮缘驱动推进器的桨叶系统的设计和实验验证的结果。螺旋桨是直接根据优化叶片间距的方法来进行设计的。为使推进器的左舷和右舷性能对称，叶片外倾角设置为零。对设计的桨叶系统进行了强度分析，并且估计了其空化特性。为了验证设计的可行性，制造了管道式的推进器模型。并将这种模型在克雷洛夫造船研究所的深水拖曳水池进行了试验。

关键词：轮缘驱动式螺旋桨，推进器，设计，实验

1 引言

轮缘驱动推进器已经问世很长的一段时间了，并且也已经被应用，例如，20世纪（列别杰夫，1969年）在德国中部建造的苏联船只瓦列里·契卡洛夫和罗迪纳。然而，只有在最近几年轮缘驱动推进器才被广泛应用。首先，这得益于现代电机的技术水平。并且，现在已经完全可能建造出可靠的轮缘驱动推进器，且比起常规的推进器能够获得更大的水动力，而且操作性更好。在推力器装置中使用轮缘驱动式螺旋桨所带来的优点包括：

1.由于支撑柱的移除，同时简化了吊舱推进器的流道，使得螺旋桨盘的压头损失减少，而且伴流更加均匀。

2.由于螺旋桨前的流量更加均衡，而且螺旋桨桨叶尾流的尖涡的消除，使得推进器引起的噪音和振动得以减少。

3.由于螺旋桨无轮毂的设计，避免了电缆卷入螺旋桨轴的风险。

4.不会由于螺旋桨桨叶和推进器的通道壁之间的间隙使得能量损失。

推进器的设计，计算和实验研究等问题通过列别捷夫等人（1969年）得到了解决。（帕皮尔1970年，库利科夫和赫拉姆金1965年）在喷水推进器上的研究也与轮缘驱动推进器这个主题密切相关。

这些论文提出的理论，可以成功地应用于轮缘驱动推进器的设计，因为它的流体动力结构的具体特征对主计算过程是没有主要影响的。最近的出版物（基纳斯等人在2009年）也证实了这一说法，这得益于现代计算技术集成到传统的计算模式。

2问题的陈述

推进器的性能基本上取决于通道形状的类型，特别是，在通道内的螺旋桨的布置情况。一般情况下，最简单的同时也广泛使用的通道设计是一个直管平缓地接合到船体两侧。推进器一般具有一个螺旋桨或者一对对转螺旋桨包括CP螺旋桨选项。此外，推进器可配备导叶系统。螺旋桨通常安装到立轴。基于所考虑的情况下，单个螺旋桨一般被放置在一个通道内。由于轮缘驱动的设计使得吊舱消除，因为螺旋桨旋转使用轮缘驱动，同时也被用来固定螺旋桨桨叶。这就有两种螺旋桨的设计方案需要考虑到，即，有轮毂螺旋桨的设计和无轮毂螺旋桨的设计。由于推进器的左舷和右舷的性能需同样均衡有效，这就决定了需要设计对称叶片形状的螺旋桨。一般，对于推进器的主要的操作模式是系柱拖力模式。基于所考虑的情况下，该设计前进比假定为J = 0.13，这几乎是非常接近的系柱拖力状态。同时，需求的制定也决定了推进器研究的类型。

本文研究的目的是审查开发成功的轮缘驱动的螺旋桨（有轮毂或无轮毂的设计方案）作为推进单位的可行性。

该项目由俄罗斯联邦总统的资助局（批准MD-8150.2010.8）赞助。

3推进系统设计

3.1推进器的设计

推进器可以被设计为带有固定螺距螺旋桨（FPP）或者是可调螺距螺旋桨（FPP）再或者是对转螺旋桨。本文只考虑单个固定螺距螺旋桨推进的情况。主要操作模式设定为系柱拖力模式。设计过程包括两个阶段：估计在推进器通道里的压头损失和确定螺旋桨的几何结构。压头损失通常是通过单个组件损失和推进器的一些几何参数和水动力参数之间的关系进行估计。这些关系可以通过总结大量的实验数据来获得（艾德奇，1992年）。使用无量纲的形式，这些损失都可表示为阻力系数的关系函数：

（1）

在这里介绍以下阻力系数：

xi;_I - 在推进渠道入口处的阻力系数，xi;_L – 沿通道长度的摩擦阻力系数，xi;_M -在通道的入口和出口的网格阻力系数，xi;_P-吊舱推进的阻力系数，Delta;P -能量损失形成的压力差，Vs-在推进器通道里的速度，rho; - 水的密度。

在推进器通道的入口能量损耗取决于船体进水边缘的形状和倾角的大小。摩擦造成的损失通过使用布拉休斯传统方法计算式可计算得到（艾德奇，1992年）。防护网格造成的损失由网格堵塞系数的函数表示（在有我们设定的情况下，是不存在这样的损失）。吊舱引起的损失取决于吊舱长度和直径（因为吊舱的简化，故这些损失是有限的）。

基于所估计的压头损失，通道里螺旋桨的操作模式就被确定了。为了达到这目的，将应用水射流理论（鲁谢茨基和马夫柳托夫，2009年），来发现螺旋桨设计推进比，这是基于内部速度，以及螺旋桨的所需推力系数来确定的。然后，根据规定的程序，通过使用已有推进器的螺旋桨图谱设计螺旋桨。然而，它不可能直接由上述图谱来设计轮缘驱动螺旋桨，而且还需要一个特别目的的计算方法用于通道内螺旋桨的计算。

3.2通道内螺旋桨的计算

在这项研究中，通道内的螺旋桨是根据二维流场的计算方法来进行计算（瓦西里耶夫与雅科夫列夫2001年，）。尽管使用简化的数学模型，此计算方法具有足够精度的推力系数和效率，以及具有宽泛操作范围条件下叶片上的压力分布。此外，将使用下列表达式的特性：

（2）

其中，T - 螺旋桨的推力，Q - 螺旋桨轴的扭矩，n- 转速，D - 螺旋桨的直径，V-来流速度，Vs – 通道内的平均速度，eta; - 螺旋桨的效率，K_T - 螺旋桨的推力系数，K_Q - 螺桨扭矩的系数，J - 螺旋桨的进距比，J_S - 螺旋桨内部的进距比

由该方法计算的准确度（瓦西里耶夫和雅科夫列夫，2001年）可以用OD-10轴流泵的情况进行评估（帕皮尔，1970年）。 图1比较计算和实验获得该泵的推力与进距比。由于泵可具有不同的桨叶角，并设置为Phi;，图1列出了多个桨距角的所获得的结果。在宽泛的桨距角范围内，计算结果与实验结果，显示了令人满意的一致性。

图1：比较计算和实验在OD-10在桨距角变化Ф（度）时获得的特性。

1 - 实验，2 - 分析方法（瓦西里耶夫和雅科夫列夫，2001年）。

3.3螺旋桨设计

上面提出的方法提供了解决一个直接的问题的途径，即，通道内螺旋桨特性的估计。对于螺旋桨设计，要求解决所谓逆问题，即，根据所给的特性确定螺旋桨桨叶形状。从数学的角度看，相反的问题可以被很简单地形式化，同时降低到具有多种解决方法的直接问题。这种方法被称为“螺旋桨的直接优化”以区分更为传统的设计方法。

严格地说，需要解决的最优化问题包括目标函数和若干约束：

（3）

其中 - 函数描述的是半径上的叶距分布，C_P - 叶片表压系数，k -两个参数优化过程的平衡系数，f – 气缸叶片的弧度，J_S0和K_T0 -设计的内部进距比和推力系数。

目标函数的选择依赖于有关叶片系统特定的实际要求。最常见的情况是，需要获得叶片系统的最大效率eta;;然而，其它优化准则也是可能的。不过这个要求可能会滞后，例如，螺旋桨叶片空化尽可能多。在此情况下，空化数sigma;被最小化。最佳点，也可以根据叶片的强度，力的水平和压力波动来规定。它也可以有混合的优化标准，此时叶片系统应该是多个参数之间的折衷。在本文中，考虑双参数进行优化，即，传统的最大螺旋桨效率的要求，而且同时，叶片表面压力减少的最小化。未知的叶片几何参数是半径r上间距H的分布。在这个问题上没有圆柱形的桨叶截面曲率，故f = 0。

对于螺旋桨效率与良好的空化性能的优化，应该令kne;0（在第一或第二甚至小数位内）。根据这种方法的优化主要集中在效率，同时在接近效率值的螺旋桨几何选项优选的是具有最小压降的情况。 如果我们设置K =0，则螺旋桨以最佳的效率来设计，而且不考虑最佳的压降参数。

（3）中的第一个约束是控制螺旋桨操作模式的条件。在我们的例子中，推力系数K_T0被假定为操作进距比J_S0。在解决问题（3），需要考虑的情况是当前间隔的叶片的几何形状是否会涉及叶片相交的危险。为了避免这种情况，需规定可允许的最小间距H_min。这一要求体现在（3）中的第二约束。

为求解问题（3）的直接数值解，需降低到有限数目未知数的数学规划问题。为了达到这个目的，所求的函数H（r）的表示为基本函数的线性组合：

（4）

这个基本函数是优先给定的，只有它们的系数是A_k需要求解的。因此，在无限维空间的（3）的初始问题减小为求A_K的N个值的问题，保证了在给定的约束范围内最少的的目标函数。这样，问题就可以利用非线性的标准方法来解决。如果应用这些方法，在问题（3）中函数eta;，C_P和K_T可以由在通道内螺旋桨性能预测在每一个步骤中计算出（瓦西里耶夫和雅科夫列夫，2001年）。上述的方法是一个对称的桨叶截面轮廓情况下的轴流泵设计方法的简化（雅科夫列夫，2008年）。

3.4推进器的设计结果

在推进器的设计过程中，假定该螺旋桨直径为D = 0.2m， 螺旋桨转速为n = 15rps。基于这些条件，可以获得在进距比J = 0.13下，推力系数K_T约为0.337，即靠近系柱拖力模式。

基于所设计的推进器水通道的形状，阻力系数估计为xi;= 0.38。在这种情况下，由于摩擦和通道进口的流动引起的损失需考虑在内。考虑到该通道具有固定的半径，所需的推力需在内部进距比J_S0 = 0.83时才能达到。

螺旋桨可通过上述方法进行设计。因此，半径上的最优间距分布由其他已知叶片几何参数得到。叶片宽度分布按照列别杰夫等（1969年）提出的推进情况进行选择。叶片厚度最初选择基于梁理论估计,然后使用下面介绍的螺旋桨强度进行估计。叶片截面轮廓是对称、 透镜状的，类似于气缸叶片的部分。

图2表示设计收敛过程的最优解。在这种情况下，效率和 C_P 的变化需考虑到（3）中系数值 k = 0 和 kne;0 的俩种情况，即，在不考虑压降的过程中的最优效率以及同时考虑最优效率和压降的最小化。比较这俩种解决方案，可以看出，当k = 0的螺旋桨效率虽平缓地增加，但叶片的压力却进一步减小。与两个参数的最优化比较，基于螺旋桨效率的优化仅有0.4％的效率增加，但代价却是叶片压力额外地减少30％。在选择最终的设计，最好还需要确保更好的空化性能。因此，选取几何系数kne;0的情况进行进一步考虑。

图2：螺旋桨效率eta;_S和叶片压降最优化过程的收敛性

1 - C_P在基于效率的最优化（K= 0），

2 - C_P在基于效率和C_P的最优化（Kne;0），

3 - eta;在基于效率的优化（K= 0），

4 - eta;在基于效率和C_P的最优化（Kne;0）

M - 迭代步骤的数目，eta;_S – 在推进器管道内的效率

在这些研究的过程中，设计出了俩种螺旋桨：有毂螺旋桨（轮毂直径D =0.3* D）; 和无毂螺旋桨。螺旋桨的几何形状是类似的。无毂螺旋桨叶片到内部半径的厚度不同程度地减小，而且叶片被拉长。

图3显示了根据设计理念制造的有毂螺旋桨和无毂螺旋桨的图片

图3：设计的螺旋桨模型：轮毂式设计（а）和无轮毂的设计（b）。

4螺旋桨设计的其他研究

通常，推进器的设计是不局限于上述的描述的方法。设计计算后，需对螺旋桨性能进行了深入研究;首先分析后再实验。基于这些研究，然后改进螺旋桨的设计。在这种情况下，以研究为目的进行了设计和螺旋桨的调整还没有进行。

4.1螺旋桨叶片强度研究

螺旋桨叶片强度的评估是在螺旋桨的设计过程中是不可或缺的一部分。目前，叶片强度是使用有限元的方法来进行分析。这种方法对螺旋桨整体结构强度分析（沃尔科夫和波斯诺夫，1990）已被证明是有效的

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