船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究
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效率 ，而 且能够 保持 该优 化效 率基本 不变 、进 一步 降低螺旋 桨轴承 力 。 Ｊｎ ａ ｇ等Ｌ开发 了无 限维 优化方 法 ，根 据希 尔伯特 空 间理论证 明 了优 化解 的唯一 性 ，螺旋桨 性能计 ７ Ｊ 算 采用升 力面 方法 。 以效 率为 目标对 桨叶螺 距进行 了优 化 ，但 得到 的螺距 分布 出现较 大波 动 ，实用性
存 在 问题 。Ｔｋｋ ｓｉ Ｊ ａｅｏｈ 等 基于升 力面方 法 ，应 用非线性 序列 二次规划 算法在 非定 常工况 下对桨 叶形状
Ｌ Ｌ
进 行 了优 化设计 。作者用 Ｆ ｕｉｒ ｏ ｒ 多项 式表达桨 叶螺距 、拱度及 厚度分 布 ，设计 出 的参 数分 布光顺 、合 ｅ
＜一 ＜一
界的重视 。
传 统的螺 旋桨 设计方法 分为 图谱 设计和 理论 设计 两大类 ［，前 者无法 直接用 于适 伴流及 大侧斜 桨 １ 】 的设计 ，后者可分 为升力线【、升 力面【及 面元［方 法等 ，能够 处理伴 流及侧斜 问题 ，但对 负荷面 分布 ２ Ｊ ］ ｊ 】 形式 的处理 比较单一 ，应用 也不够广 泛 。近 年来 ，优化 方法在 螺旋桨 设计 中的应用研 究 开始 出现 ，性
船舶 螺旋 桨螺 距 及拱度 的优 化 设计研 究
赵 威 ，杨 晨俊
（ 海 交通 大学 海 洋 工程 国 家重 点 实验 室 ，上 海 ２０ ３ 上 ０ ００）
摘
要
基于螺旋桨水动力性能的升力面理论预报程序 ，利用 ｉＩ ＨＴ软件进行指定负荷分布形 式下桨叶螺距 ＳＧ 及拱度的优化设计研究，并对设计结果进行粘流 Ｃ Ｄ计算验证。以某集装箱船螺旋桨为母型桨，保持其原 Ｆ
有的径 向负荷分布形 式，指定不同的弦向负荷分布形 式，采用上述方法进行螺距及拱度 的优化设计 （ 叶 桨
其它参数与母 型桨相同 ） Ｆ 计算表明，通过指定适 当的负荷弦向分布 ，可 以在保证效率的同时使桨叶 。Ｃ Ｄ
表面压力分布 更加均匀，从 而推迟桨 叶空化。
关 键 词 ：船舶、舰船工程；螺旋桨；优化；设计；升力面理论；Ｃ Ｄ Ｆ
能计算采 用系 列桨性能试验 回归 公式或升 力面 、Ｃ Ｄ 等数值 方法 ，优 化采用遗传 算法 、序 列二 次规划 Ｆ 法 、Ｄ ＯＥ方法等 ，优化 目标 包括推 力、效率 、激振 力或其组 合 ，但 尚未形成 比较 成熟 的体 系 ，与 工程
应用 的要 求也有较 大距离 。
Ｂ ｎｎ［开发 了基 于遗传算 法的系 列螺旋桨 多 目标优 化方法 ，采用 试验数据 的回 归公式计算 敞水性 ｅ ｉｉ］ ５ 能 。以敞水效率 和推力最大 化为 目标 、Ｋ ｌ ｒ空泡 限界公式 为限制条件 ，对 Ｂ 系列桨优化 计算获 得 了 ｅｌ ｅ
、 ●●●Ｌ
，●Ｊ
压 力场预 报精度 高 的优 点 ，但 是对计算 硬件 的要求 也十分苛 刻 。
本文 基于螺旋 桨水动 力性 能的升力 面理论 预报程序 ， 用 ｉＩ ＨＴ软件进 行指 定负荷 分布形 式下桨 利 ＳＧ
叶螺距及 拱度 的优 化设 计研究 ， 并对 设计 结果进 行粘流 Ｃ Ｄ 计算验 证 。 Ｆ 以某 集装箱 船螺旋 桨为母 型桨 ， 保 持其原 有 的负荷径 向分布 形式 ，另 指定两 种负荷 弦 向分布形 式 ，采 用上 述方 法进行 螺距 与拱度 的优 化 设计 （ 叶其 它参数 与母型桨 相 同） Ｆ 计算表 明 ，通过 指定适 当 的负荷弦 向分布 ，可 以在 保证效 桨 。Ｃ Ｄ 率 的 同时使桨 叶表 面压力 分布更 加均匀 ，从而 推迟桨 叶空化 。
推力 系数 、敞水效率 、盘面 比等设 计变量 的最佳 组合 图谱 ，并提 出 了已知 设计航速 时 ，确 定最佳 直径 和／ 或最佳 转速 的设 计步骤 。Ｃ ｅ ｈｎ等【也 以 Ｂ系列桨 为对象 ，以敞水 效率和激 振力为 综合优 化 目标 ，开 ６ Ｊ
发 了基 于遗传算 法的设计 方法 。系列桨性 能采用 回归公式计 算 ，激 振力 计算 采用 升力面 方法 。该方 法
理 ，优化 结果经模 型试验 验证 ，效率及 空泡性 能均得 到改进 。
Fra Baidu bibliotek
＜ 一 ＮＴ 国内相关研 究还很 少 。程成 等 应 用 ｉＩ Ｔ 优化软 件 的实验 设计 （ Ｏ Ｊ ＳＧＨ Ｄ Ｅ）方 法 ，集成 Ｆ Ｕ ＜一 Ｌ Ｅ
厶
软 件 ，以降低桨 叶表 面负压 峰值 为 目标 对螺 距进行 了优 化 。与 前述研 究 工作相 比，该方法 具有 流场及
收稿 日期：２０ 一１ ５ ０８ｌ． ：修 改稿收稿 臼期 ：２０ ８１ ２ ０ ９０—０ 基金项 目： 本论文受教 育部 、财政部 重大科 技攻 关项 目“ 船舶 数字化智 能设 计系统” 资助 。
中
国
造
船
学术 论文
以空泡 、强度 为 限制条件 ，并在性能 计算 中引入 了尺度 效应 的修 正 。算例 表 明 ，该 方法 不仅 能够 优化
中 图 分 类 号 ： Ｕ ６．３ ６ １３１
文献标识 码 ：Ａ
０ 引 言
随着 船舶 向大型化 、高速 化发展 ，对螺 旋桨 的综合 性能要求 日益提 高 。现 代船 舶螺旋桨 设计 在追 求高推进 效率 的同时 ，还必须 在复杂 的船尾 流场 中尽量 推迟乃至 避 免空化 的发生 ，从而降低 螺旋桨 诱 发的船 体振动 及噪声 。为 了满 足这些 相互制 约 的要求 ，螺旋桨优 化设 计方法 的研 究 日益受 到船舶 工程
５卷 １
第 １期 （ 总第 １ ９期 ） ８
中
国
造
船
Ｖ １ Ｉ Ｎｏ１ Ｓ ｒ ｌ ｏ １ ９ ｏ． ５ ． （ ｅｉ ． ８ ） ａＮ
Ｍａ Ｏ ０ ｒ２ １
２１年 ３月 ００
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＤＩ Ｌ ＮＧ ＦＣＨ Ｉ Ｏ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２（０ ０ ０－０ １０ ０ ０４ ８ ２ １） １ ０ —８ ０
存 在 问题 。Ｔｋｋ ｓｉ Ｊ ａｅｏｈ 等 基于升 力面方 法 ，应 用非线性 序列 二次规划 算法在 非定 常工况 下对桨 叶形状
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进 行 了优 化设计 。作者用 Ｆ ｕｉｒ ｏ ｒ 多项 式表达桨 叶螺距 、拱度及 厚度分 布 ，设计 出 的参 数分 布光顺 、合 ｅ
＜一 ＜一
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传 统的螺 旋桨 设计方法 分为 图谱 设计和 理论 设计 两大类 ［，前 者无法 直接用 于适 伴流及 大侧斜 桨 １ 】 的设计 ，后者可分 为升力线【、升 力面【及 面元［方 法等 ，能够 处理伴 流及侧斜 问题 ，但对 负荷面 分布 ２ Ｊ ］ ｊ 】 形式 的处理 比较单一 ，应用 也不够广 泛 。近 年来 ，优化 方法在 螺旋桨 设计 中的应用研 究 开始 出现 ，性
船舶 螺旋 桨螺 距 及拱度 的优 化 设计研 究
赵 威 ，杨 晨俊
（ 海 交通 大学 海 洋 工程 国 家重 点 实验 室 ，上 海 ２０ ３ 上 ０ ００）
摘
要
基于螺旋桨水动力性能的升力面理论预报程序 ，利用 ｉＩ ＨＴ软件进行指定负荷分布形 式下桨叶螺距 ＳＧ 及拱度的优化设计研究，并对设计结果进行粘流 Ｃ Ｄ计算验证。以某集装箱船螺旋桨为母型桨，保持其原 Ｆ
有的径 向负荷分布形 式，指定不同的弦向负荷分布形 式，采用上述方法进行螺距及拱度 的优化设计 （ 叶 桨
其它参数与母 型桨相同 ） Ｆ 计算表明，通过指定适 当的负荷弦向分布 ，可 以在保证效率的同时使桨叶 。Ｃ Ｄ
表面压力分布 更加均匀，从 而推迟桨 叶空化。
关 键 词 ：船舶、舰船工程；螺旋桨；优化；设计；升力面理论；Ｃ Ｄ Ｆ
能计算采 用系 列桨性能试验 回归 公式或升 力面 、Ｃ Ｄ 等数值 方法 ，优 化采用遗传 算法 、序 列二 次规划 Ｆ 法 、Ｄ ＯＥ方法等 ，优化 目标 包括推 力、效率 、激振 力或其组 合 ，但 尚未形成 比较 成熟 的体 系 ，与 工程
应用 的要 求也有较 大距离 。
Ｂ ｎｎ［开发 了基 于遗传算 法的系 列螺旋桨 多 目标优 化方法 ，采用 试验数据 的回 归公式计算 敞水性 ｅ ｉｉ］ ５ 能 。以敞水效率 和推力最大 化为 目标 、Ｋ ｌ ｒ空泡 限界公式 为限制条件 ，对 Ｂ 系列桨优化 计算获 得 了 ｅｌ ｅ
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压 力场预 报精度 高 的优 点 ，但 是对计算 硬件 的要求 也十分苛 刻 。
本文 基于螺旋 桨水动 力性 能的升力 面理论 预报程序 ， 用 ｉＩ ＨＴ软件进 行指 定负荷 分布形 式下桨 利 ＳＧ
叶螺距及 拱度 的优 化设 计研究 ， 并对 设计 结果进 行粘流 Ｃ Ｄ 计算验 证 。 Ｆ 以某 集装箱 船螺旋 桨为母 型桨 ， 保 持其原 有 的负荷径 向分布 形式 ，另 指定两 种负荷 弦 向分布形 式 ，采 用上 述方 法进行 螺距 与拱度 的优 化 设计 （ 叶其 它参数 与母型桨 相 同） Ｆ 计算表 明 ，通过 指定适 当 的负荷弦 向分布 ，可 以在 保证效 桨 。Ｃ Ｄ 率 的 同时使桨 叶表 面压力 分布更 加均匀 ，从而 推迟桨 叶空化 。
推力 系数 、敞水效率 、盘面 比等设 计变量 的最佳 组合 图谱 ，并提 出 了已知 设计航速 时 ，确 定最佳 直径 和／ 或最佳 转速 的设 计步骤 。Ｃ ｅ ｈｎ等【也 以 Ｂ系列桨 为对象 ，以敞水 效率和激 振力为 综合优 化 目标 ，开 ６ Ｊ
发 了基 于遗传算 法的设计 方法 。系列桨性 能采用 回归公式计 算 ，激 振力 计算 采用 升力面 方法 。该方 法
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＜ 一 ＮＴ 国内相关研 究还很 少 。程成 等 应 用 ｉＩ Ｔ 优化软 件 的实验 设计 （ Ｏ Ｊ ＳＧＨ Ｄ Ｅ）方 法 ，集成 Ｆ Ｕ ＜一 Ｌ Ｅ
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软 件 ，以降低桨 叶表 面负压 峰值 为 目标 对螺 距进行 了优 化 。与 前述研 究 工作相 比，该方法 具有 流场及
收稿 日期：２０ 一１ ５ ０８ｌ． ：修 改稿收稿 臼期 ：２０ ８１ ２ ０ ９０—０ 基金项 目： 本论文受教 育部 、财政部 重大科 技攻 关项 目“ 船舶 数字化智 能设 计系统” 资助 。
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国
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船
学术 论文
以空泡 、强度 为 限制条件 ，并在性能 计算 中引入 了尺度 效应 的修 正 。算例 表 明 ，该 方法 不仅 能够 优化
中 图 分 类 号 ： Ｕ ６．３ ６ １３１
文献标识 码 ：Ａ
０ 引 言
随着 船舶 向大型化 、高速 化发展 ，对螺 旋桨 的综合 性能要求 日益提 高 。现 代船 舶螺旋桨 设计 在追 求高推进 效率 的同时 ，还必须 在复杂 的船尾 流场 中尽量 推迟乃至 避 免空化 的发生 ，从而降低 螺旋桨 诱 发的船 体振动 及噪声 。为 了满 足这些 相互制 约 的要求 ，螺旋桨优 化设 计方法 的研 究 日益受 到船舶 工程
５卷 １
第 １期 （ 总第 １ ９期 ） ８
中
国
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Ｖ １ Ｉ Ｎｏ１ Ｓ ｒ ｌ ｏ １ ９ ｏ． ５ ． （ ｅｉ ． ８ ） ａＮ
Ｍａ Ｏ ０ ｒ２ １
２１年 ３月 ００
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＤＩ Ｌ ＮＧ ＦＣＨ Ｉ Ｏ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２（０ ０ ０－０ １０ ０ ０４ ８ ２ １） １ ０ —８ ０