双桨船螺旋桨的适伴流设计

用 同一对 备用 桨 模分 别进 行 内、 旋 的 自航 试 验 ， 外 可得 到设 计航 速 对 应 的 和 Ｄ 代入 式 （ ）和 式 （ ） 即可求得 和 。 １ ２， 。 １ 双桨 船切 向伴 流和 轴 向伴 流分 布 的确 定 ． ３
，
，ｎ ｎ 。 。 ｎ ， 。
假 定 在 同一 设计航 速 Ｋ ， 内、外旋 工况 对应 的 Ｗａ相 同， Ｗｅ 相 同 。将 ， ａ ， ｓ下 ｅ ， 也 ｏ
＋
（） １
…
式 中：
为 实 效轴 向伴 流 分数 ， 。 为实 效切 向伴 流 分数 ，
为船 速 （ ｓ ，， 桨转 速 （／） ｍ／） ｚ为 ｒ ，Ｄ ｓ
为桨径 （ 。 ｍ） 同理 ，若右 桨 为左 （ 内）旋桨 时 ，其进速 系 数 为
收 稿 日期 ：２ １．９０ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ １—ｌｌ ０ ００ —３ ０ １ —３ ０
２１ 设 计 过程和 结 果 ．
以某 Ｌ Ｇ双尾鳍船为例 ， Ｎ 标称轴向和切 向伴流测量数据见表 ｌ 标称轴 向伴流的体积平均值 为 。
４ ２
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学 术论文
用对应实桨直径 ７ ｍ 的一对备用桨模 ，分别进行 内旋和外旋桨 的 自 ． ８ 航试验，得到的有关数据见
表 ２ 。
２２ 桨模 试验 结 果 ．
对 内旋 桨 设计 方案 ，进 行 了螺 旋桨 模型 的空 泡和 脉动 压 力试 验 。试验 必须 考 虑切 向伴 流 的影 响 ， 故 将整 个船 模连 同两 只桨 模置 于大 型循 环水槽 中试 验 ， 图 ２ 图 ３为船 模尾 部脉 动压 力测 点布 置情 况 。 见 ； 桨 模 直径 为 ２ ０ １ｍｍ，船模 长度 超过 ８ ｍ。
效率 。
定 义预 旋效 率 ：
１ Ａｎ ＋一
： ：
（） ８
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（ 总第 １５期 ） ９
丁
举 ，等 ：双 桨 船螺 旋桨 的适 伴流 设计
４ ３
注意 ＝
中转速 要 用桨 相对 于水 的转速 。
在 本例 中 ，
一００５ ， ．８ ６
＝ ９５０５４ ｍ／，Ｄ＝ ． １． ．１４ ｓ ７８ ｍ， ｎ＝ ．１ｒ 螺 旋桨 设 计 点 主机 转 速 是 １ ７／ ４ ｓ（
的轴 向伴流径向分布，得到的设计螺距分布是不 同的。分开考虑切 向伴流分布的设计结果更接近实际
情 况 ，设计 效 果理 应更 好 。这种 适 伴流 设计 桨 的效 果体现 在 伴流 场 中螺旋 桨 的空泡 和脉 动压 力性 能上 ，
而不是体现在均匀流场 中的螺旋桨 敞水效率上 。
ｌ 内旋双桨设计Ｉ 一
由表 ２可见，沿用常规进速系数定义对 自航试验结果采用等推力方法分析，内外旋对应 的轴 向实
效 伴 流 Ｗ 分 别 为 ０２３ 和 ０２ ９ ｅ ． ５ ．８ ，而 按 本 文 方 法 所 得 的轴 向 实效 伴 流
：一 ０ ６。 ０．８５
＝ ．７８ ０ １ ，切 向 实效 伴 流 ２
表 ２ 自航 试验 实船预报 结果
：＝＝ ． ［＝ ＝～ 三 — —— — ‘ — ～＝ —
／ ／
Ｏ． ６
Ｏ ７ ．
０ ８ ．
ｒ｝ Ｒ
图 １ 螺距分布对 比图
经 匹配性 设 计计 算和 强度 校 核后 内旋 设计 桨最 终 的参 数见 表 ４ 。
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表 ４ 内旋设计桨参数
双 桨 船螺 旋 桨 的适 伴 流 设 计
丁 举 ，郭永崧
（ ．中国船舶工业集 团公 司第七。八研究所 ，上海 ２ ０ １； １ ００１
２ 上 海船舶运输科 学研 究所 ，上 海 ２ ０３ ） ． ０ １５
摘
要
讨论 了双桨船和 单桨船伴流场 的不 同特 点，给 出 了双桨船切 向伴流 的分析方 法和不 同旋 向下的螺旋桨 设计结果 ，指 出双桨船适伴流设计考虑切 向伴流影响的必要性。 内旋设 计桨 在大型循环水槽 中进行 了 型试 模 验 ，试验结果表 明螺旋桨 的空泡和脉动压力性 能优 良 。
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、 Ｉ ２ Ｎｏ ２ （ ｅ ｉ １ ． ９ ） ，． ０５ ． Ｓ ｒａ ＮＯ １ ５
Ｊ ｎ ． ０１ ｕ ｅ２ １
２ １ 年 ６ 月 ０１
Ｓ Ｉ Ｂ Ｉ ＤＩ ＦＣ Ｎ Ａ Ｈ Ｐ Ｕ Ｌ ＮＧ Ｏ ＨＩ
文章 编 号 ： １０ —８ ２ （ ０ １ ２０ ４ ．７ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ —０ ００
分 别对 内旋 、外 旋 、 以及 不单 独考 虑切 向伴流 分 布 的内旋情 况 ，在设 计航 速 １． ｎ下 ，指定 螺旋 ９５ ｋ 桨 直径 为 ７８ ． ｍ，用理 论方 法设 计螺 旋桨 ，得 到三 个设 计计 算结 果 ，见表 ３ ，螺距 分布 见 图 １ 。
为了解释 内外旋桨推进效率的不同，本文引入预旋效率的概念 。设螺旋桨转速为 ｎ，若船后螺旋 桨相对于水的转速为 ， 则预旋转速增量 Ｄｎ ． 。 ＝ 不考虑螺旋桨诱导速度产生的相对转速变化，
则△ｚ ・ ／ｒｇ ， ＝± （ ），当切向伴流 的方 向与螺旋桨旋 向相反时，Ｄｎ ａ 为正值 。
推 进效 率 为
＂ 一 ：
二
二 ． ． 墨．
７ ｏ ０ ＂Ｑ
２ｍＱ ７
２ｍＱ ｒ
：
．
且
１ Ｗｅ 一
２ Ｑ ｒ ｎ 兀 ｏ ｏ Ｑ
：ｒ ・ ０ｒ ・ 。 ｌ ｒ ・，１ ＾ｌ ｌ ７
计计 算 。
１ 基本考虑
１１ 双桨船 螺旋 桨进 速 系数定 义 ． 设右 螺旋 桨 为右 （ ）旋 桨 ，切 向伴 流速 度逆 时针 方 向为正 ，假 定轴 向和 切 向实效 伴流 分 数与桨 外 旋 向无关 ，则外旋 桨进速 系 数可 定义 为
Ｊ ｒ
ｏｕ
：
一
！ 二
双桨船标称轴、切向伴流分布 （，） ０ 可由试验方法测定。
标 切 伴 分 的 向 均 ｔ 为 ｗｒ ｆ（Ｏ Ｏ 称 向 流 布 周 平 值ｗｒ ： ｔ） １ ） ； （ ） （＝ ，ｄ
．（ ） ｄ ｆ ｒ Ｏ ，ｄ ０
标称 切 向伴流 的体积 平均 值 为： ＝ —一 。
关 键 词 ：船舶、舰船工程；双桨船；伴流场；螺旋桨；模型试验 中 图 分 类 号 ： Ｕ ６． ６４ ３ ３ 文 献标 识码 ：Ａ
０ 引 言
双 桨船 和 单桨 船 的伴流 场 不 同。单 桨船 因船体 左右 对称 ，桨 盘 面处 的伴 流左 右对 称 ；任 一半 径一
周 的切 向伴流 的平 均值 为零 。所 以 ，理论 设计 单桨 船螺 旋桨 时，只 考虑 轴 向伴流 分布 ，不考 虑切 向伴 流 影 响 。而在 双桨 船 的桨盘 面 处 ，切 向伴 流一 般呈 外旋 方 向，任 一 半径 上 的一 周 的切 向伴流 平均 值不 为零 。特 别是 双尾 鳍船 型 伴流 场 ，不 仅具 有较 高 的轴 向伴 流峰值 ，切 向伴流 数值 也相 对 较大 ，易导致 螺旋桨 空 泡和 激振 性 能变 差 。 因此 进 行双 桨船 适伴 流螺 旋 桨设 计 时 ，有 必要 考 虑切 向伴 流 的影 响 。本 文在 螺旋 桨数 值升 力 面理 论一 涡格 法 基础 上 ，考虑 了切 向伴流 的影 响 ，进行 了不 同旋 向下 的螺 旋桨设
｝ 常 规 单桨 设计 ｌ 一
ｌ２ ＿
１１ ．
ｒ —一 — ＼
一 外旋双桨设计 ｆ
１ ０ ９ ． ０ ８ ． ０ ７ ． ０ ６ ． ０ ５ ． ０４ ． ０３ ．
／ ／ —— Ｊ ／ 一 ／ ＝／ ＝ ＝ — — 一 —
／ ｒ ／
— ～
．
＼ｄ ｒＯ 如
０
通常情况下，
≠ ，设计桨叶用的修正切向伴流径向分布为 ’ ） （ ： ｗ’ ） Ｗ ． （） ｆ ：．， （ ｅ．
（ ４）
设计桨叶用的修正轴向伴流径向分布 。 的确定与ｗ ） ） （ ｆ 的确定类似： （
Ｗ ｒ ： ａ（） ’ ． （）
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举 ，等 ：双 桨船 螺旋 桨 的适伴 流 设计
“一
（ ２）
如果 在船 模 的 白航分 析 中 ，进 速 系数 沿用 常规 定义 ，不 考虑 切 向伴流 影 响 ，即用 ， ＝ 取代 上述 内、外旋 进 速系 数 时 ，则有 ：
１ 一 １ ｅ － Ｗａ （） ３
．． ．
（） ７
按等 推 力法 Ｔ＝ ７ ，则 有 ＂ ０
式中： Ｒ为船体阻力 （ ， Ｔ Ｎ） 为螺旋桨推力 （ ， 为进速 （ ｓ，Ｑ 为螺旋桨敞水扭矩 （ ｍ） Ｎ） ｍ／ ） ｏ Ｎ． ， Ｑ为螺旋桨船后扭矩 （ ｍ） 为推力减额分数，ｈ 为船身效率，ｈ 为敞水效率，ｈ 为相对旋转 Ｎ． ， ＾ ｏ ，
７ ｃ
其 中正 负号 分别 对 应外 、 内旋 桨情 况 。可 见 ，沿 用 常规进 速 系数 定 义得 到 的双 桨船 实效 轴 向伴流 分 数 Ｗｅ ，它 不是 双桨 船 真实 的轴 向伴 流 分数 ，而 是包 含 了切 向伴流 影 响 的轴 向伴流 分数 。 ≠
１ 双 桨船 实 效轴 向和 切 向伴 流分 数 的确定 ． ２
（ ）推进效率不 同。就 内旋桨和外旋桨本身而言，敞水效率 几乎相同；但在船后 由于预旋效率 ３
的影 响 ， 内旋 桨 的推 进效 率 ７ ．． ７ ｒ ｎ ／比外旋 桨 高 ５０ ． ％。在达 到 同样航 速情 况下 ， 内旋桨 需 求 的功率 比外 旋桨 低 。按 常规 单 桨设 计 法得 到 的 内旋推 进 桨 的盘 面 比和 螺距 比居 于 内旋 桨和 外 旋桨 设计 结果 之 间 ， 而 敞水效 率相 差 小于 ｌ ％。 从 图 ｌ可 见 ， 内旋工 况 的螺旋 桨 设计 中分 别考 虑轴 、切 向伴流 径 向分布 和仅 考虑 含切 向伴 流影 响
表 ３ 三种螺旋桨初步设计结果
由表 ３可见 ，在 螺 旋桨 直径 相 同 的前提 下 ， 内、外旋 适伴 流 螺旋桨 的设计 结果 有 以下不 同： （ ）螺距 分布 和平 均 螺距 不 同 。桨旋 向与伴 流旋 向相 同时，桨 叶 的设 计螺距 大 ，反之 ，设计 螺距小 。 １ （ ）盘 面 比不 同 。转 向与伴 流旋 向相 同的桨 叶设 计盘 面 比小 ，反 之 ，盘面 比大 。 ２
空 泡试验 手 绘 图见 图 ４ 。无论 在满 载还 是压 载状 态 ，桨 叶背 片空 泡 出现在 ０７Ｒ到 叶梢处 ，空泡 稳 ． ５ 定 ；梢 涡空 泡在 ３ ０范 围 内都有 ；毂 涡很 弱 ；无面 空泡 ，且裕 度 很大 。螺 旋桨没 有 空泡剥 蚀危 险 。 ６。
图 ２ 循 环 水 槽 中 模 型 布 置 图
继
｜
… 龟
￡｛ ￡｛
ｅ
一 簪 — ｛ 一 — 。
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’ 一
０ ｛
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６ ｍ Ｏｍ
南Ｂ
６ ｍ Ｉ ０ｍ
０ ｝ （ ０ｌ
瓣 援
图 ３ 脉动 压力传感器布 置图
８ｒ ｎ ５／ ，船速 要求 不 低于 １． ｎ ，对 于 内旋 工况 计算 得 Ｄｎ＝ ． ５／， ｈ ＝ ．２７ ｍｉ ９５ ） ｋ ００ ｒ ３ ｓ １ ４ １对 于外 旋工 况计 ０ 算 得 Ｄ 一００ ５／， ｒ ＝ ． ５ ，可见 内旋推进 的 ｒ ． ｒ ３ ｓ ／ ０９ ３ ． ７ ／ ．比外 旋推 进 高 ５１ ． ％。
（ ５）
不同半径 ｒ 处叶元体的进流角ｆ（） ｌｒ： ｌ ｒ ＝ａｃｇ（ ，） （￣ ｒ ） ｆ（） ｒｔ（ 一 （）／２ ｎ ／ ± （） １ ． ）
此 （） 的径向分布 同时考虑了轴向和切 向两个方向伴流分量 的径 向分布影响。
（ ６）
２ 双桨船 的适伴流设计 实例