大侧斜对转螺旋桨在鱼雷上的应用研究

（５）
式 中 ｍ 是 轴 的 转 速 ， ｍ１、ｍ２ 是 大 于 或
表 １ 螺旋桨的主要参数
Ｔａｂ．１ Ｍａｉｎ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ ｏｆ ｐｒ ｏｐｅｌｌｅｒ
参数
前桨
后桨
直径 Ｄ
３５０（ ｍｍ）
３３０（ ｍｍ）
螺距比 ! Ｐ／Ｄ "
变
变
等于 ０ 的正整数。 ３．３ 计算结果与试验对比
为了验证上述噪声预报方法， 对某 鱼雷大倾斜对转螺旋桨进行了噪声数 值计算， 并与噪声测量试验结果进行 了比对。螺旋桨参数如表 １ 所示。
（２） （２）
· ｒＨ２ Ｍｒ２ ｅｘｐ ｉ #ｓ ＋#０
（２）
ｋｙ
ＣＬ２ ２
%Ｌ２
（２）
ｋ Ｊ ｘ
ｎ２ Ｂ２－ ｎ１Ｂ２
ｎ２Ｂ２ １－
$２＋ｎ１Ｂ１$１ Ｍｘ２ ｃｏｓ"２
Ｚ０２
Ｍｔ２
ｓｉｎ"２
## &$ %’ ∞ ∞
·ｄＺ０２＋
ｅｘｐ
ｎ２＝－ ∞ｎ２＝－ ∞
ｉ
!ｋ２ｗ２－
ｎ２Ｂ２
"!#－
（２）
#－
图 １ !ｖ＝０．７４， Ｊ＝１．７５ 线谱噪声比较 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒｔ ｎｏｉｓｅ
４ 强度问题
大侧斜螺旋桨在运转时所承受的载荷主要包括作用在桨叶上的流体动力—轴向推力及转向相反
的旋转阻力， 这两个力使得桨叶产生弯曲和扭转。以及由于桨叶的侧斜和纵倾使得螺旋桨在旋转时桨
的远场声压：
&## &$ %’ ｐ２!ｘ，ｔ
"＝
８!
２
－ ｉ !０ｃ０ｓｉｎ"２Ｂ２ !ｒ２ ／Ｄ２ "!１－ Ｍｘ２ ｃｏｓ"２
"
∞ ｎ１＝－ ∞
∞ ｎ２＝－ ∞
ｅｘｐ
ｉ
!ｎ２Ｂ２－
ｎ１Ｂ１
"!#－
（２）
#－
!／２
"＋ ｎ２Ｂ２$２＋ｎ１Ｂ１$１ １－ Ｍｘ２ ｃｏｓ"２
!ｒ２ ／ｃ０－ ｔ
"
( $! "% ! " $ % ｒＴ２ ２
后桨的叶片数； ｑ， & 分别是由叶片侧斜、纵倾引起的局部源强。计算过程可以参见文献［６］。
根据公式（ １） 和（ ２） ， 我们可得到线谱频率预报值：
ｆ ＝ ｍ１，ｍ２ !ｍ１Ｂ１$１＋ｍ２Ｂ２ $２ "／２!
（４）
如 $１＝$２， 令
$１ ／２!＝$２ ／２!＝ｍ
则可简化为：
ｆ ＝ ｍ１，ｍ２ !ｍ１Ｂ１＋ｍ２Ｂ２ "ｍ
定常力辐射形成了螺旋桨的负荷噪声， 所以负荷噪声的源是桨叶与非均匀来流之间的势流相互作用
而产生的非定常力［４， ５］。
３．２ 螺旋桨线谱噪声的数值计算
根据螺旋桨的几何参数及其运行工况， 运用升力面理论和声学方法相结合， 研究非均匀来流情况
下鱼雷大侧斜螺旋桨的非定常负荷噪声， 实现大侧斜对转螺旋桨负荷噪声的数值预报， 最后得到后桨
ｎ２Ｂ２
"Ｍｘｉ Ｚ０１
Ｃｉ Ｄｉ
+ + +
#ｓ! ｉ" ＝ｋｘ! ｉ"Ｃｑｉ
+ + +
! ｉ"
#ｏ ＝－
Leabharlann Baidu
ｋｙ! ｉ"Ｃ&ｉ
+ ++
$ % ｋｘ! ｗｉ" ＝ Ｍ２ｒｉ
ｎｉ Ｂｉ １－ Ｍｘｉ
Ｍｔｉ ｃｏｓ"ｉ
－
ｋｉ
ｗｉ
Ｍｔｉ
Ｃｉ Ｄｉ
* + +
（３）
$ % ２
! ｉ"
ｋｙｗ＝－
２ Ｍｒｉ
!ｎｉ
Ｂｉ－
ｋｉ
ｗｉ
"Ｍｘｉ Ｚ０１
＋
ｎｉ
Ｂｉ
Ｍｔｉ Ｚ０ｉ
ｃｏｓ"ｉ
Ｃｉ Ｄｉ
+ + + +
#ｓ! ｗｉ" ＝ｋｘ! ｗｉ"Ｃｑｉ
+ + +
! ｉ"
#ｏｗ＝－
ｋｙ! ｉ"Ｃ&ｉ
++ ,
其中 ｉ＝１ 是前桨， ｉ＝２ 是后桨； Ｃｉ 是桨叶片的弦长； Ｄｉ 是桨叶片的直径； ｎ１， ｎ２ 是谐波数； Ｂ１， Ｂ２ 分别是前
叶本身质量产生径向的离心力会使桨叶产生弯曲。对于桨叶高速旋转时受到其自身重量产生的离心
力， 大部分有限元分析软件均提供了添加惯性载荷的功能， 只需定义旋转轴和旋转角速度即可完成离
对于大侧斜对转螺旋桨来说， 线谱噪声是其主要噪声。线谱噪声的一部分是由于对转螺旋桨工作 在航行体尾部和附体所形成的非均匀流场中， 由流场和前后桨相互作用产生了周期性的不定常力， 从 而形成了离散谱噪声。另一部分是由前桨对后桨、后桨对前桨通过势流场的相互干扰作用产生不定常 的干扰力而引起的。因此大侧斜对转螺旋桨的线谱要比单个螺旋桨复杂得多， 不能继续沿用单桨的噪 声预报方法。对所设计的螺旋桨进行准确的噪声预报成为大侧斜对转螺旋桨设计过程中的一个关键 问题。
ＣＬ１Ｗ１ ２
（１）
%ＬＷ１ ｋｘｗｄＺ０１
式中：
$ % （ｉ）
ｋｘ ＝
２ Ｍｒｉ
ｎ１Ｂ１Ｍｔ１ ＋ｎ２Ｂ２Ｍｔ２ １－ Ｍｘｉｃｏｓ"ｉ
－ ｎｉ Ｂｉ !Ｍｔ１ ＋Ｍｔ２
"
Ｃｉ Ｄｉ
) + +
$ % （ｉ）
ｋｙ ＝
２ Ｍｒｉ
ｎ１Ｂ１Ｍｔ１ ＋ｎ２ Ｂ２Ｍｔ２ １－ Ｍｘｉｃｏｓ"ｉ
＋ !ｎ１Ｂ１－
用具有参考价值。
关键词： 鱼雷； 大侧斜对转螺旋桨； 噪声性能预报； 强度分析
中图分类号： Ｕ６６１．３３＋６ ＴＪ６３０．１
文献标识码： Ａ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ ｓｋｅｗｅｄ ｃｏｎｔｒ ａｒ ｏｔａｔｉｎｇ ｐｒ ｏｐｅｌｌｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｏｒ ｐｅｄｏｅｓ
ＣＨＥＮ Ｙａｎ－ ｙｏｎｇ １， ＧＡＯ Ｙｏｎｇ－ ｔａｏ ２， ＸＩＡ Ｙｕ ２
本文正是针对大侧斜对转螺旋桨设计中的噪声和强度问题进行研究。
３ 噪声预报
３．１ 噪声预报原理
从声学的观点出发， 螺旋桨采用侧斜分布， 可以降低桨叶上非定常力的幅值， 即减小噪声源的强
度， 还可以凭借声传播中的相位差关系， 降低噪声的辐射， 因此侧斜对降噪是非常有利的。
鱼雷大侧斜对转螺旋桨工作在非均匀的伴流场中， 在桨叶面上形成了非定常的作用力， 由这些非
第 １２ 卷第 ２ 期 ２００８ 年 ４ 月
文章编号： １００７－ ７２９４（ ２００８） ０２－ ０２３１－ ０６
船舶力学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．２ Ａｐｒ． ２００８
大侧斜对转螺旋桨在鱼雷上的应用研究
陈彦勇 １， 高咏涛 ２， 夏 雨 ２
（ １ 浙江大学材化学院， 杭州 ３１００２７； ２ 昆明精密机械研究所， 昆明 ６５０１１８）
前桨的远场声压为：
第２期
陈彦勇等： 大侧斜对转螺旋桨在鱼雷上的 …
２３３
&# # &$ %’ ｐ１!ｘ，ｔ
"＝
８!
２
－ ｉ !０ｃ０ｓｉｎ"１Ｂ１ !ｒ１ ／Ｄ１ "!１－ Ｍｘ１ ｃｏｓ"１
"
∞ ｎ１＝－ ∞
∞ ｎ２＝－ ∞
ｅｘｐ
ｉ
!ｎ２Ｂ２－
ｎ１Ｂ１
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（１）
#－
!／２
"＋ ｎ２Ｂ２$２＋ｎ１Ｂ１$１ １－ Ｍｘ１ ｃｏｓ"１
１引言
鱼雷的推进器通常为螺旋桨， 随着鱼雷航速不断提高， 其螺旋桨的载荷迅速增加， 随之也出现了 激振力大、桨叶剥蚀、空泡噪声等一系列问题， 直接影响到鱼雷武器的机动性、隐蔽性、可靠性以及作 战能力。其中声隐身问题已成为现代鱼雷设计中最突出的问题。由于推进器噪声是鱼雷的主要噪声源 之一， 因此低噪声螺旋桨设计是鱼雷设计中的一个重要课题， 受到国内外鱼雷行业的高度重视［１， ２］。使 用大侧斜螺旋桨可以极大地降低螺旋桨在不均衡进流中工作时所形成的不稳定负载， 减轻由水压变 化引起的螺旋桨垂直方向的振动， 有效地改善螺旋桨在非均匀伴流场中的空泡性能， 并可在较高航速 下不产生空泡。由于这些优势， 大侧斜螺旋桨已在船舶领域内获得广泛应用。但在鱼雷上的应用目前 还处于起步阶段。因此， 研究大侧斜对转螺旋桨在鱼雷上的应用对研制高速低噪声鱼雷具有重要意 义。
收稿日期： ２００７－ １１－ １９
作者简介： 陈彦勇（ １９６２－ ） ， 男， 研究员， 主要从事 ＣＡＤ／ＣＡＥ 研究， Ｅ－ ｍａｉｌ： ａ＿ｙａｎ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．
２３２
船舶力学
第 １２ 卷第 ２ 期
２ 应用中的关键问题
由于鱼雷重心下移量小， 对螺旋桨失衡力矩较为敏感。其推进器与船舶推进器有着较大的差别， 鱼雷螺旋桨总是以旋转方向相反的对桨或“转子＋定子”方式出现， 以降低失衡力矩。对转桨前后桨在 运动过程中产生相互干扰， 并改变了前后桨的流场分布和推力减额分数， 从而有可能比单轴螺旋桨的 效率更高， 平衡性能更好［３］。低噪声大侧斜螺旋桨的设计， 应在确保其水动力性能达到规定要求的前提 下还要满足规定的噪声指标， 并保证桨叶具备足够的强度。
（ １ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７， Ｃｈｉｎａ； ２ Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０１１８， Ｃｈｉｎａ）
盘面比 （Ａｅ ／Ａ０） 桨毂 ｄ１ 桨毂 ｄ２ 毂长 ｌ 叶数 Ｚ 旋向
０．８３ １５０（ ｍｍ） １３０（ ｍｍ） ７０（ ｍｍ）
９ 右
０．９５ １３５（ ｍｍ） １１０（ ｍｍ） ７５（ ｍｍ）
７ 左
２３４
船舶力学
试验结果如图 １ 在 !ｖ＝０．７４， Ｊ＝１．７５ 情况下的线谱噪声比较。
第 １２ 卷第 ２ 期
!／２
"＋ ｎ２ Ｂ２ $２ １－ Ｍｘ２ ｃｏｓ"２
!ｒ２／ｃ０－ ｔ
"
（１）
( $! "% ’ ·
ｒＴ２ ２
（２） （２）
ｒＨ２ Ｍｒ２ ｅｘｐ ｉ #ｗ ＋#ｏｗ
·Ｊｎ２
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ｎ２１Ｂ－２ＺＭ０２ｘＭ２ ｃｔｏ２ ｓｓｉ"ｎ２"２·ｋ（ｙ２ｗ）
ＣＬ２Ｗ２ ２
（２）
%ＬＷ２ ｋｘｗｄＺ０２
摘要： 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
＋
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（１） （１）
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ｋ１Ｗ１
ｎ１１Ｂ－１ＺＭ０１ｘＭ２ ｃｔｏ１ ｓｓｉ"ｎ２"１·ｋ（ｙ１ｗ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ ｓｋｅｗｅｄ ｃｏｎｔｒａｒｏｔａｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｏｒｐｅｄｏｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ａ ｔｅｓｔ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｍａｎｅｕｖｅｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｓｈｏｃｋ ｉｓ ａｂｓｏｒｂｅｄ． Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｃａｖｉｔｙ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｔｏｒｐｅｄｏ； ｈｉｇｈ－ ｓｋｅｗｅｄ ｃｏｎｔｒａｒｏｔａｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ； ｎｏｉｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ； ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒ
由于大侧斜对转螺旋桨所具有的特殊的几何形状， 在正常工况下桨叶上的应力分布不同于常规 桨。大侧斜对转螺旋桨最大主应力出现区域一般位于桨叶径向中部 ０．４￣０．６Ｒ 半径的随边附近。螺旋桨 在运转时， 作用在桨叶上的流体动力两个分量—轴向推力及与转向相反的旋转阻力使得桨叶产生弯 曲和扭转。由于桨叶的侧斜和纵倾使得螺旋桨在旋转时桨叶本身质量产生径向的离心力会使桨叶产 生弯曲。而且大侧斜桨的几何形状及载荷分布都相当复杂， 因此， 常规的悬臂梁计算方法已不适用于 大侧斜螺旋桨的强度计算， 实桨（ 或模型桨） 测量方法又有较大困难， 所以强度分析是大侧斜螺旋桨研 究中的另一个关键问题。
!ｒ１ ／ｃ０－ ｔ
"
( $! "% ! " $ % ｒＴ１ ２
（１） （１）
· ｒＨ１ Ｍｒ１ ｅｘｐ ｉ #ｓ ＋#０
（１）
ｋｙ
ＣＬ１ ２
%Ｌ１
ｋ Ｊ （１）
ｘ
ｎ２ Ｂ２－ ｎ２Ｂ２
ｎ２Ｂ２$２＋ｎ１Ｂ１$１ １－ Ｍｘ１ ｃｏｓ"１
Ｚ０１Ｍｔ１
ｓｉｎ"１
ｄＺ０１
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