螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

螺旋桨空泡与脉动压力及振动特性研究

为了提高螺旋桨效率,在船舶螺旋桨设计中通常会增大桨叶梢部载荷。桨叶在旋转过程中不断地重复进入和退出船体尾流场,使得梢涡空泡容易发生猝发(bursting)现象;另外由于尺度效应的存在使得梢涡空泡在实船螺旋桨上比模型试验观测到的更为强烈,猝发现象更容易发生并且更为剧烈;当梢涡空泡猝发产生时将引起脉动压力高阶量或宽带谱的增大,从而引起相应的船体振动或严重的噪声。本文通过对3 600箱集装箱船实船螺旋桨梢涡空泡猝发现象与脉动压力、振动等特性关系的分析,研究了螺旋桨梢涡空泡猝发引起的脉动压力高阶量或宽带谱特性以及相应的振动等特性。结果表明:船体振动宽带谱特性与螺旋桨梢涡空泡的猝发有关;螺旋桨梢涡空泡猝发引起的船体振动高阶量特性比脉动压力高阶量更为强烈。     

斜流下螺旋桨空泡及脉动压力数值预报研究

空泡性能是船舶螺旋桨重要的水动力性能之一。由于桨轴存在倾斜安装角，船舶在水面航行时，螺旋桨的进流条件主要为斜流工况。为研究斜流工况下螺旋桨的空泡形态及空泡脉动压力特性，论文基于黏流CFD方法针对PC456螺旋桨标模开展了斜流下螺旋桨空泡及脉动压力数值模拟研究，并与大型空泡水筒中的斜流螺旋桨空泡试验结果进行了比较。结果表明，数值预报的空泡形态、面积和平板表面脉动压力与试验观测及测量的结果吻合较好，验证了数值模拟方法的可靠性。     

侧推器脉动压力及噪声的试验研究

侧推器桨叶负荷重、叶梢间隙很小,比普通螺旋桨更容易产生空泡,因此振动和噪声问题更加突出。公开文献中相关试验研究极少。作者在上海交通大学空泡水筒开展了侧推器脉动压力和噪声的模型试验研究,对于齿轮箱位于桨叶上游的情况,考察了来流速度、螺旋桨转速以及空泡对脉动压力和噪声的影响。试验分析表明前两个因素影响很小;有空泡时的脉动压力和噪声均比无空泡时明显增大;有空泡时,随着空泡数的降低,桨盘面处的压力脉动会进一步加剧,而噪声却下降了。     

两艘多用途船的螺旋桨设计研究

以2艘多用途船螺旋桨设计为例,运用螺旋桨理论设计与模型试验为手段,探索了特定条件下加大桨叶后倾角（增加桨叶梢与船底板间隙）、改变螺旋桨叶面积以及增加桨叶侧斜角对诱导脉动压力和效率的影响。结果表明：采用减小空泡裕度增加盘面比的措施,对降低脉动压力的效果最为显著;增大侧斜角措施的效果居中;通过改变后倾角增大叶梢与船底板间隙的措施,降低脉动压力效果相对要小一些。     

超大型矿砂船螺旋桨空泡剥蚀研究

为解决某超大型矿砂船螺旋桨梢部随边剥蚀问题，在中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展了全附体船舶带螺旋桨模型的空泡与脉动压力特性研究，确认了实船螺旋桨空泡剥蚀产生的原因，并基于产生剥蚀空泡的动态特征，设计了三种不同解决方案，期望改善矿砂船螺旋桨空泡运动行为，降低空泡剥蚀风险。试验结果表明：对原螺旋桨压力面导边0.6R～1.0R削边处理，可增加空泡体积与稳定性，明显改善原螺旋桨叶梢空泡动态行为，降低剥蚀风险；新设计的Eppler剖面螺旋桨，可产生无害的空泡形态，避免了空泡剥蚀的产生。     

某工程船艉部振动问题诊断及改进

某工程船试航时在恒转速低工况下艉部舵机舱存在异常局部振动现象,且振动频谱峰值并不对应机电设备主激励频率。为了诊断艉部振动的原因,在恒转速低工况下对艉部结构振动速度及螺旋桨脉动压力进行测量和分析。初步判断振动与螺旋桨桨叶相关,引起艉部较强振动的原因是恒转速小螺距工况下螺旋桨面空泡破裂,进而激发螺旋桨前2阶模态引起桨叶共振,然后通过桨轴传递给船体。改进建议是优化叶形以减小面空泡。该案例对船舶设计具有以下指导意义：螺旋桨设计时要考虑强度和刚度,尽量避免叶梢比刚度过低;对于调距桨,在螺旋桨0.7R～1.0R(R为螺旋桨半径)范围内螺距卸载要缓和,避免大幅度螺距卸载。     

不均匀流场中非空泡螺旋桨诱发的脉动压力场计算(英文)

本文介绍了一种基于升力线理论考虑升力面修正的准定常处理方法及相应的计算程序。应用此方法,可计算不均匀流场中非空泡螺旋桨一系列水动力性能的周向径向分布;脉动轴承力的各阶幅值及相位分布可以得解;由叶片厚度、叶片动态及静态负荷所诱发的自由空间脉动压力场利用源汇分布及压力偶极子分布亦可得解;数值计算表明该方法所计算的敞水性能及脉动轴承力与试验结果吻合良好。本方法可用于螺旋桨在均匀及不均匀流场中的性能预估及脉动轴承力六分力的理论预测,亦可用于进行非空泡螺旋桨在不均匀流场中诱发的自由空间脉动压力场计算。另外,本方法还可用于计算不均匀伴流场中各切面遭遇的脉动攻角及相应空泡数,以之作为输入数据可进一步依理论计算片空泡的几何形状,是空泡螺旋桨激振力计算的重要基础。     

某船用螺旋桨空泡诱导下的脉动压力试验方法

文章分析了由螺旋桨空泡诱导的脉动压力对船体振动的影响及计算方法。为了进一步研究螺旋桨空泡对脉动压力的贡献量,以某船用螺旋桨为对象,分别进行了设计和压载工况下的空泡及无空化时的脉动压力试验。试验结果表明,在相应的测量点处,无空泡下时的对应阶次脉动压力值都低于发生空泡下的值,尽量减小或避免空泡的发生,将可有效减小螺旋桨诱导的脉动压力值,从而减缓船体的振动。     

某科考船螺旋桨空泡和脉动压力性能试验

为了准确预报螺旋桨空泡和脉动压力性能,以东方红3科考船螺旋桨为研究对象,分别在减压水池和空泡水筒进行了空泡和脉动压力模型试验研究,对荷兰MARIN减压水池的试验方案进行了论述,并对比分析了减压水池和空泡水筒的试验结果。试验结果表明, 东方红3船螺旋桨空泡性能优秀,在最关心的11kn工况,螺旋桨无任何型式的空泡出现;在11kn和15kn工况,螺旋桨脉动压力非常轻微, 本船不会产生螺旋桨引起的振动问题。螺旋桨应该能够满足挪威船级社DNV-GL Silent-R的低噪声要求。     

某科考船螺旋桨空泡和脉动压力性能试验

为准确预报螺旋桨的空泡性能和脉动压力性能,以某科考船螺旋桨为研究对象,分别在空泡水筒和减压水池进行空泡和脉动压力模型试验。对荷兰MARIN减压水池的试验方案进行论述,并对比分析空泡水筒和减压水池的试验结果。试验结果表明:目标船螺旋桨的空泡性能优秀,在11 kn航速工况下,螺旋桨无任何型式的空泡出现;在11 kn和15 kn航速工况下,螺旋桨的脉动压力非常小,该船的螺旋桨不会引起振动问题。螺旋桨应能满足挪威船级社DNV-GL Silent-R的低噪声要求。     

42kn高速滑行艇大侧斜空泡螺旋浆设计研究

本文通过对一型排水量４０ｔ滑行艇 大仙斜空泡螺旋桨的试验和设计研究，探索了在４０ｋｎ左右航速时，空泡螺旋桨的水动力性能变化规律。找出了因空泡发展引起的推力下降的控制方法，成功地设计出了航速达到４２ｋｎ的大侧斜空不包螺旋桨。     

小水线面双体船螺旋桨脉动压力预报方法研究

小水线面双体船(SWATH)因其优异的耐波性能成为当前重要的高性能船舶之一。针对某SWATH试验船,分别采用经验公式估算方法、CFD数值计算方法和船模试验测试方法对其螺旋桨脉动压力进行了预报分析。结果表明,SWATH船在无空泡状态下螺旋桨脉动压力整体较小,在早期设计阶段可以用常用的经验公式进行初步估算;CFD数值计算方法能满足实际工程需要,为SWATH船螺旋桨脉动压力计算和艉部振动控制提供了参考。     

大侧斜对转螺旋桨在鱼雷上的应用研究

文章从鱼雷螺旋桨设计过程中的噪声性能分析和强度分析两个方面研究了大侧斜对转螺旋桨应用于鱼雷的设计方法,并通过一个具体的鱼雷大侧斜螺旋桨设计实例和试验验证来说明此设计方法在鱼雷大侧斜螺旋桨设计中的应用前景及设计过程中的改进措施.研究结果表明,采用大侧斜桨叶可以得到良好的推进性能和更好的空泡噪声性能,而且振动小.同时也指出了大侧斜螺旋桨所存在的不足.文章对鱼雷用螺旋桨的设计和实际应用具有参考价值.     

不均匀流中螺旋浆侧斜对空泡性能的影响

为了阐明在不均匀流中船用螺旋浆侧斜对不定常空泡性能的影响，选用了六只等螺距不同侧斜角分布的螺旋浆。用这些螺旋浆，通过试验研究了侧斜角和侧斜分布对螺旋浆空泡性能的影响。并在两种不同的伴流下进行了空泡观测、螺旋浆上方船体上的脉动压力测量、空泡厚度测量、油膜法试验和噪声测量。一种伴流分布是第十七届ITTC作为剥蚀比较试验的汽车运输船的模型伴流分布，另一种是用世岛(Sasajima)和田中（Tanaka）的方法修正的实船伴流分布。实验结果表明，随着侧斜角的增大，船体的脉动压力振幅减小，随着侧斜角的增大空泡体积按比例增大。侧斜增大的影响似乎使在非定常空泡溃灭时产生云状空泡的冲击压力范围减小并且减弱。这一点可从油膜法试验和空泡噪声测量结果中得到证实。随着侧斜角增大，在浆叶吸力面上的涂料脱落的面积和声压级减小。     

带前置预旋导轮的螺旋桨空泡脉动压力数值模拟研究（英文）

本文基于非定常粘性RANS方法结合Schnerr-Sauer空泡模型,建立了船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报方法,并开展了数值方法的不确定度分析;然后采用ITTC'78自航预报规程结合CFD方法预报了带前置预旋导轮的节能效果,开展了安装节能导轮后的螺旋桨空泡脉动压力预报研究;对比分析了有无节能装置时的螺旋桨叶表面空泡形态及1阶和2阶船体脉动压力。研究表明,在本实例中安装节能装置后的1阶和2阶脉动压力分别下降了33%和20%,而桨叶表面空泡面积也有所下降。     

带前置预旋导轮的螺旋桨空泡脉动压力数值模拟研究

本文基于非定常粘性RANS方法结合Schnerr-Sauer空泡模型,建立了船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报方法,并开展了数值方法的不确定度分析;然后采用ITTC'78自航预报规程结合CFD方法预报了带前置预旋导轮的节能效果,开展了安装节能导轮后的螺旋桨空泡脉动压力预报研究;对比分析了有无节能装置时的螺旋桨叶表面空泡形态及1阶和2阶船体脉动压力.研究表明,在本实例中安装节能装置后的1阶和2阶脉动压力分别下降了33％和20％,而桨叶表面空泡面积也有所下降.     

大侧斜可调螺距螺旋桨

本文论述了大侧斜可调螺距螺旋桨的设计与试验。近几年来大侧斜可调螺距螺旋桨由于螺旋桨与船体伴流场间的相互作用而减小了螺旋桨的诱导振动,改善了转叶扭矩因而得到了显著的发展。作者所在的卡米华公司的船用试验室对大侧斜螺旋桨进行了广泛的研究,其中包括:螺旋桨流体动力特性的确定;在模拟船艉伴流场情况下,对空泡模型的观察以及对作用在船体上的螺旋桨诱导脉动力的测量;在模拟船艉伴流场的情况下,对不同工况测量了螺旋桨桨叶的动态力与力矩;在系统地改变进速比、空泡数、螺距比的情况下,测量了桨叶的转叶扭矩值并比较了常规叶型与大侧斜螺旋桨的各种参数。本文还介绍了进行上述试验所选用的仪器,并将试验结果以曲线形式给出。最后作者还对大侧斜可调螺距螺旋桨的设计和应用提出了一些建设性的意见并对大侧斜螺旋桨予以正确的评价。     

初步估算螺旋桨所引起的诱导脉动压力和振动的简单方法

在瑞典国家水池(简称SSPA)多年来一直广泛地运用简化的估算螺旋桨激振力和船体总振动的方法。这两种方法近年来得到了进一步地发展。其基础是建立在大量空泡筒和全尺度试验结果上的。为了估算脉动压力的幅值,SSPA采用了一种简单的图谱用以考虑螺旋桨桨叶叶梢间隙,伴流分布以及空泡数的影响。最近又提出了一种用以决定桨叶盘面比,径向负荷分布以及螺旋桨桨叶侧斜影响的简易图谱。估算自由液面的存在对脉动压力的影响也是近年来SSPA的一项发展成果。本文将对上述完整方法扼要地作一介绍,并提供与模型和全尺度试验的比较结果。在许多年以前,为了估算一定量级的脉动压力幅值而产生的总振动量,SSPA发展了一种新的估算方法,这种方法当时仅局限于大吃水的单桨船舶。本文将对此方法以及最近的一些修改和补充作一简单的叙述。补充后的上述方法不仅适合于单桨船还适用于双桨以及双导流尾鳍的船舶,还考虑到船舶吃水,长度的影响。     

一个估算螺旋桨叶片上出现空泡范围的简单方法

本文在常用的螺旋桨水动力性能和叶片切面压力分布计算方法的基础上,提出了一个估算螺旋桨在径向非均匀水流中叶片上出现空泡范围的简单方法。此法可根据桨叶的几何形状,伴流分布和螺旋桨工况估计桨叶出现空泡的范围,也可给出出现空泡与螺旋桨的几何要素例如切面的拱度、厚度分布和冲角等之间的关系。这样,我们就能仔细地分折螺旋桨叶片上发生空泡的情况,提出改进螺旋桨空泡性能的措施。针对一条船舶的螺旋桨,用本方法进行了计算,计算结果与用空泡筒模型试验所得的结果相当一致。