CN108733958A - 一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型及设计方法 - Google Patents

一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型及其设计方法，包括7片完全相同的丰满型大侧斜叶片、右旋、侧斜度68.5％、外形逼近于636型潜艇7叶桨。沉深30米时全航速范围内无空化产生，轴向非定常力幅值与平均推力的比值0.94‰，具有振动小和低频离散线谱噪声低的特征。首先设计7叶桨水力模型，叶截面弦长沿径向分布近似呈物体自由落体运动轨迹、侧斜角沿径向呈线性增加、艏纵倾沿径向也近似呈线性增加，叶梢几何具有尾纵倾Kappel桨设计特征，然后校核推进性能和空化性能，求取轴向非定常力，确定7叶桨三维几何。本发明能实现临界航速高、振动噪声低的7叶桨水力模型设计的目标设计方法可以促进7叶桨的自主研制和推广应用。

Description

一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型及设计方法
技术领域
本发明属于船舶推进器技术领域，具体涉及一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型和设计方法。
背景技术
舰艇采用螺旋桨推进技术迄今已有一百多年历史。当前，水面舰艇主要采用5叶大侧斜调距桨和喷水推进泵，常规潜艇主要采用7叶大侧斜螺旋桨，核潜艇主要采用7叶大侧斜螺旋桨和机械式泵喷推进器(简称常规泵喷，与最先进的集成电机式无轴泵喷相区别)，鱼雷主要采用对转桨(前桨和后桨桨叶数通常大于7叶)和常规泵喷。约30年前，7叶螺旋桨(简称7叶桨)不仅是近现代低噪声潜艇的代名词，也是一个国家机械设计和工程加工制造水平的综合体现，无论是厂房内潜艇总体装配、新艇下水仪式，还是坞内修理期间，7叶桨都被厚厚的帆布包裹，始终展现其神秘性。当时，7叶桨甚至发展成为了决定潜艇水下声隐身性和攻防实战能力的战略性要素，如俄罗斯 80年代从日本东芝机械公司成功引进大型数控7轴联动机床后，显著提升了其潜艇7叶桨的加工制造精度和降噪水平，使得该国潜艇一度自由出入美国领海，让美国几十年苦辛经营的声呐探测系统全部失灵。当前，随着以“海狼级”、“弗吉尼亚级”、“机敏级”和“北风之神级”核潜艇为代表的新型低噪声潜艇成功装备常规泵喷主推进器， 7叶桨的神秘面纱终于被揭开，不再遮遮掩掩示人。例如，2015年底最新型的“基洛级”636.3型常规潜艇“克拉斯诺达尔”号(B-265) 在俄罗斯圣彼得堡船厂下水时，其7叶桨就是以真面目示人，如图1 中所示。鉴于“基洛级”潜艇优异的水下隐蔽性(关键是声隐身)，该型潜艇一直被西方国家称之为“大洋黑洞”，甚至一度成为了俄罗斯海军出口舰艇装备系列中的抢手货。毫不夸张地说，基洛级潜艇的 7叶桨代表了当今世界7叶桨声学设计与研制的巅峰水平。
为了深入挖掘基洛级潜艇7叶桨背后所蕴含的科学价值，纵览一段时间跨距内的7叶桨典型设计与应用案例，如图2中所示，包括 MIT年为概念型潜艇Sirenian所设计的DTMB4567A 7叶桨(型值公开，[1]S D Black,Integrated Lifting-Surface/Navier-Stokes Design and Analysis Methods for Marine Propulsors船舶推进器的集成升力面/NS 方程设计与分析方法，MIT博士学位论文，1997.)、意大利船级社 INSEAN主要针对标模SUBOFF潜艇推进所设计的E1619 7叶桨(图片和主要设计参数公开，[2]F D Felice等,Numerical and experimental analysis of the wake behavior of a genericsubmarine propeller概念型潜艇螺旋桨伴流特征的数值和试验分析，第一届船舶推进器国际会议， 2009.)、20世纪80年代曾经作为美国海军潜艇降噪效果代表的“洛杉矶级”攻击型核潜艇的7叶桨(照片公开)、以及636.3型常规潜艇的7叶桨(照片公开)，可以看出：虽然上述7叶桨都是用于潜艇推进，桨叶叶型都由弦长、螺距、侧斜、纵倾、厚度和拱度6个几何参数唯一确定，都以抗空化临界航速高、辐射噪声低、推进效率适中为设计目标，636型潜艇的7叶桨甚至实现了100米水深时全航速范围内无空化产生的优异设计效果，但几个7叶桨的叶型差异却非常显著，如表现为瘦长形叶片、丰满形叶片、极大侧斜叶片等。那么，自然会问：如636型潜艇这般优秀的7叶桨，其叶型几何参数取值究竟该如何确定，或者说6个叶型参数对于抗空化和降噪效果的贡献是否存在主次排序，又或者说其中的关键参数应该控制在什么范围之内，才能最大限度地保证7叶桨在实艇装备应用后的抗空化和减振降噪效果？如果期望最大化吸收借鉴636型潜艇7叶桨的成功设计经验，应该由什么性能参数来描述桨叶的相对载荷大小比较合理，能否由此来类推其它相当载荷7叶桨的几何设计？
此外，因7叶桨并非潜艇使用的专利，20世纪80年代美国海军就曾以“维持高效的同时最小化振动，并且尽可能减小轴向非定常力”为目标为其AO-177级补给舰成功研制过一型7叶桨(型值公开，[3]D T Valentine等,Highly skewed propeller design for anaval auxiliary oiler (AO-177)海军AO-177级补给舰大侧斜螺旋桨的设计，美国AD报告A041189，1976.)，试验结果表明：该7叶桨不仅满足最大航速21节的快速性要求，而且其抗空化临界航速高达惊人的20.9节，堪称延迟空化初生和抑制轴向非定常力的设计典范。那么，从水面舰艇主要应用的5叶大侧斜螺旋桨，到特殊场合应用的水面低振动7叶桨，再到潜艇装备的水下低噪声7叶桨，桨叶几何型值的变化范围能否趋于收敛，或者说某几个几何参数是否存在特定的变化规律，能够提升对延迟空化初生和降噪的贡献权值，尚需要进行系统梳理，才能更好地服务于现代高性能7叶桨的设计，并助力636型潜艇7叶桨优秀设计经验的消化吸收。
在此基础上，MAN Diesel&Turbo公司针对海军舰艇螺旋桨高效、低噪声的特定需求，于21世纪创新性地推出了Kappel螺旋桨设计方案([4]MAN Alpha high performancenaval propellers MAN Alpha 高性能舰艇螺旋桨)，不仅能够在不牺牲推进效率的条件下尽可能减小叶梢载荷，从而延迟空化初生，而且可以显著减小轴向非定常力所诱导的离散线谱噪声。例如，某潜艇7叶桨增加叶片数到8叶并且引入Kappel桨设计技术后，其一阶叶频推力脉动诱导的线谱噪声的减小量甚至大于10dB([5]P Andersen等,Aspects ofPropeller Developments for a Submarine潜艇螺旋桨的研制要素，第一届船舶推进器国际会议，2009.)，令人震惊.Kappel桨的核心设计思想是：叶梢几何主动引入尾纵倾特征(向压力面弯曲)，单个桨叶几何不再位于一个整体平面，如图3中所示，从而减小叶梢流动载荷，延迟空化初生。随着相关技术人员对Kappel桨设计技术的深入试验研究，其最吸引人之处除了敞水效率略有提高之外，关键是在一定程度上能够抑制梢涡空化、显著减小桨叶诱导的脉动压力幅值，进而有效抑制低频线谱噪声。该技术优势对于潜艇7叶桨设计的吸引力毫无疑问是难以抗拒的。为此，值得将Kappel桨设计技术与636型潜艇7叶桨的优秀设计经验有机结合起来，以最大化7叶桨的延迟空化初生和低噪声设计水平。
在有关舰艇7叶桨的水力设计方面，在中国专利网中以“7叶螺旋桨”或“潜艇螺旋桨”或“7叶大侧斜螺旋桨”为关键词进行检索时，所检索专利中直接与船舶主推进应用相关的非常少，并未出现具体针对水下应用需求中延迟空化初生、降低噪声的7叶桨的相关型值设计方法，仅有的一项直接相关发明专利“一种新型低噪声大侧斜导管螺旋桨(CN104417738 A，2015.3.18)”当前还是处于无权撤回状态，其核心内容是修改传统7叶桨的梢部几何，使之适应于导管内壁面流场，形成导管7叶桨，并且也没有阐述低噪声桨叶的设计方法。其余专利主要集中于水面船舶用螺旋桨(叶片数不超过5叶)提高效率、分割离散集中涡以及通过调整螺距来维持总的推进效率，如发明专利“船用螺旋桨(CN103723260 A，2014.4.16)”提供了一种双曲线导边和随边构成的3叶桨、发明专利“螺旋桨(CN 105129061A， 2015.12.9)”提出将螺旋桨梢部随边乃至整个随边设计成锯齿形或波浪形、发明专利“一种高效螺旋桨(CN105667747 A，2016.6.15)”提供了毂帽鳍消除3到5叶桨叶毂涡空泡的方案、实用新型专利“一种大侧斜大螺距比可调螺距螺旋桨(CN204527594 U，2015.8.5)”提供了大侧斜、大螺距比桨叶设计方案等，真正阐述究竟什么样的叶型具有抗空化、低噪声特征以及唯一确定桨叶叶型的6个几何参数究竟该如何取值等方面为空白。
从上述设计需求和应用现状可以看出，要想真正自主复现636型潜艇7叶桨的优秀设计案例甚至是超越其设计成效，必须要从叶型几何参数控制以及摸清几何参数与流动特征或者说与具体应用场合之间的关联机制这样的底层着手才有可能。这也正是当前国内舰艇螺旋桨严重缺乏原创应用所需要重视的问题之一。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型和设计方法，能够有效填补国内该技术方面的缺项，有力促进国内舰艇用高性能7叶桨的自主研发和推广应用。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，包括：
步骤一，回归分析典型水面舰艇螺旋桨和已有7叶桨的型值几何参数沿径向分布规律，获取几何参数的变化范围及其与叶形之间的适应性；
步骤二，依据预设型号潜艇7叶桨叶型，根据步骤一所得的几何参数变化范围，拟合获取7叶桨的叶片在不同半径处的叶截面弦长、侧斜角和纵倾沿径向分布曲线，结合给定的设计航速、转速和需求推力设计参数以及桨叶直径和轮毂直径几何参数，得出7叶桨三维几何，提取叶片几何型值；
步骤三，采用涡格升力线方法预报步骤二所得7叶桨的敞水性能曲线，判断设计工况的敞水效率是否低于预设限值，若是，则回到步骤二修改桨叶直径，若否，则直接绘制桨叶三维几何模型；
步骤四，采用计算流体力学方法校核设计航速和额定转速下步骤三所得7叶桨几何模型在非均匀进流条件下的水动力性能，从水动力性能结果中提取推力系数、力矩系数和推进效率，判断推进性能是否低于预设推进效率限值，若是，则回到步骤二修改不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线，若否，则进入步骤五；
步骤五，采用计算流体力学方法计算步骤四所得模型在潜深30 米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的空化性能，判断7叶桨叶片是处于无空化、空化初生，还是较为严重空化状态，若处于无空化状态或空化初生状态，则进入步骤六；若处于存在片空化的较为严重空化状态，则回到步骤二小量增加桨叶直径，并调整不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线，改进设计7叶桨；
步骤六)，在步骤五所得7叶桨水力模型的基础上，加入桨叶叶梢尾纵倾Kappel桨设计特征，延迟梢涡空化初生；再次采用计算流体力学方法校核7叶桨在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的空化性能，判断叶片空化初生是否消失，若是，则直接进入步骤七；若否，则增加Kappel桨设计特征作用的径向范围；
步骤七，采用瞬态计算步骤六所得7叶桨水力模型在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的轴向非定常力，判断轴向非定常力幅值与轴向平均推力的比值是否满足小于1‰，若是，则由理论公式计算得到离散线谱噪声，进入步骤八；若否，则回到步骤二修改不同半径处的叶截面侧斜角沿径向分布曲线，优化改进设计7叶桨；
步骤八，确定延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型。
较佳地，步骤一回归分析水面舰艇螺旋桨和已有7叶桨的型值几何参数包括弦长、螺距、侧斜角和纵倾。
较佳地，步骤二中依据预设型号潜艇7叶桨叶型设计7叶桨几何模型时，除了外形上逼近设计外，还要保持桨叶载荷大小相近，首次引入描述桨叶相对载荷大小的功率系数变量，
其中，N为螺旋桨功率，单位为kW，n为螺旋桨转速，单位为转/秒，D为桨叶直径。功率系数越小，意味着桨叶相对载荷越小，空化初生越延迟，振动噪声越小。
较佳地，步骤四用计算流体力学方法计算步骤三所得模型在设计航速和额定转速下位于艇尾伴流中的推进性能时采用稳态计算法。计算过程中，进行桨叶壁面和周围流场的网格离散时，采用六面体全结构化网格，桨叶单通道网格节点的数量至少为50万，网格最小正则度指数不低于0.2。
较佳地，步骤五和步骤六中判断空化性能时优先采用改进型 Sauer空化模型。
较佳地，步骤五中空化初生是指空化面积与桨盘面积的比值小于 1％。
较佳地，预设敞水效率限值为0.68。
较佳地，预设推进效率限值为0.65。
本发明还提供一种利用上述方法设计的延迟空化初生的低噪声7 叶螺旋桨水力模型：包括7片相同的丰满型大侧斜叶片，叶片不同半径处的叶截面弦长沿径向分布近似呈物体自由落体运动轨迹、侧斜角沿径向呈线性增加，艏纵倾沿径向也近似呈线性增加，叶梢几何具有尾纵倾Kappel桨设计特征。
较佳地，桨叶直径3.1米，侧斜度68.5％，桨叶叶截面采用 NACA66翼型厚度分布和NACA α＝0.8拱度分布规律，叶截面最大厚度沿径向近似呈线性减小。
本发明的有益效果在于：本发明延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型及设计方法具有临界航速高、辐射噪声低特征，可以用于水面舰艇和潜艇推进的7叶螺旋桨。本发明在设计方法中首次阐述水面舰艇螺旋桨和潜艇7叶桨两者之间型值几何参数取值差异的原则，能够实现抗空化临界航速高、振动噪声低的7叶桨水力设计的目标。借助已有典型5叶和7叶螺旋桨型值参数，设计出外形与性能均向 636型潜艇优秀7叶桨逼近的7叶桨水力模型，提出了一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型及其设计方法。所设计7叶桨直径 3.1米，在设计航速18节、转速240转/分时敞水效率0.685、产生推力280.8kN、消耗功率3.79MW，桨叶叶梢几何上具有尾纵倾Kappel 桨设计特征，水深大于30米时全航速范围内无空化产生，轴向非定常力幅值与平均推力的比值0.94‰，具有振动小和低频离散线谱噪声低的特征。该设计方案中梳理得出的水面舰艇螺旋桨和潜艇7叶桨的典型型值几何参数沿径向分布规律，可以直接用于指导军民用船舶螺旋桨的叶型设计，该技术措施推广应用后可进一步促进潜艇和鱼雷推进器低噪声设计水平的提升。
附图说明
图1是“基洛级”636.3型常规潜艇(B-265)艇首及7叶桨外形展示；
图2是典型潜艇用7叶桨设计案例及叶型展示；
图3是典型Kappel桨设计案例及叶型展示；
图4是本发明实施例一和实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片在不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线；
图5是本发明实施例一和实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片在不同半径处的叶截面侧斜角沿径向分布曲线；
图6是本发明实施例一和实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片在不同半径处的叶截面纵倾沿径向分布曲线；
图7是本发明实施例一和实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片叶梢引入Kappel桨设计特征前的水力模型正视图和侧视图；
图8是本发明实施例一和实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片叶梢引入Kappel桨设计特征后的水力模型正视图和侧视图；
图9是本发明实施例一和实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨 (含Kappel桨设计特征)的敞水性能曲线；
图10是本发明实施例二延迟空化初生的低噪声7叶桨水力模型的设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
本实施例的延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型，所述桨叶叶片数为7叶、右旋、侧斜度68.5％，叶片表现为丰满型叶片，外形逼近于636型潜艇7叶桨。具体地：
包括7片完全相同的丰满型大侧斜叶片，外形逼近于636型潜艇 7叶桨，具有30米潜深时全航速范围内无空化产生和低频振动噪声小的特征。本实施例中，所述7叶桨水力模型由开源程序OpenProp 设计得到，叶片叶梢几何具有尾纵倾Kappel桨设计特征，Kappel桨指的是叶梢部位引入大的纵倾值，与叶梢以下部位的纵倾值不再曲率连续，桨叶不再是一个整体曲面。设计时，用于唯一确定螺旋桨三维几何模型的弦长、螺距、侧斜角、纵倾、厚度和拱度6个型值几何参数中，弦长、侧斜角和纵倾作为设计输入参数，是优化取值变量，取值时向潜艇7叶桨的回归变化规律曲线靠拢，螺距是设计输出参数，厚度和拱度直接由低振动7叶桨应用案例缩放得到。
本实施例中，所述延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片在不同半径处的的叶截面弦长沿径向分布近似呈物体自由落体运动轨迹，区别于水面舰艇螺旋桨的反向抛物线变化规律；所述7叶桨叶片在不同半径处的叶截面侧斜角沿径向分布呈线性增加，不同于水面舰艇螺旋桨的抛物线变化规律；所述7叶桨叶片在不同半径处的叶截面艏纵倾沿径向分布近似呈线性增加，不同于水面舰艇螺旋桨的艏纵倾抛物线变化规律；所述7叶桨叶片的叶截面采用NACA66(mod)翼型厚度分布和NACAα＝0.8拱度分布规律，不同半径处的叶截面的最大厚度沿径向分布近似呈线性减小。
本实施例中，所述延迟空化初生的低噪声7叶桨叶片从叶根到叶梢截面的侧斜角分布为向螺旋桨参考线两边平衡侧斜，侧斜角先负后正。侧斜角的正负定义为后侧斜方向(旋转反方向)为正，反之为负。
本实施例中，所述延迟空化初生的低噪声7叶桨直径3.1米，在设计航速18节、转速240转/分时敞水效率0.685、产生推力280.8kN、消耗功率3.79MW，满足功率小于4MW、推进效率大于0.65的设计要求。设计得到的7叶桨水力模型在叶梢引入Kappel桨设计特征前、后分别如图7和图8中所示，特别是在引入Kappel桨设计特征后，桨叶压力面和吸力面都不再是一个整体曲面，能够进一步抑制梢涡空化产生。最终设计得到的7叶桨水力模型的敞水性能曲线如图9中所示，设计效率0.685，最高效率0.71。图9中，横坐标为桨叶工作点进速系数，纵坐标为桨叶推力系数、力矩系数和敞水效率，表达式为：
其中，v为进流速度，n为转速，D为直径，ρ为流体密度，T为推力，Q为力矩。
本实施例中，所述7叶桨在工作沉深30米时全航速范围内无空化产生。所述延迟空化初生的低噪声7叶桨工作于艇尾伴流中时，轴向非定常力幅值与平均推力的比值0.94‰，具有振动小和低频离散线谱噪声低的特征。
实施例二
本发明设计的延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法的流程图如图10所示，
步骤S1，回归分析典型水面舰艇螺旋桨和已有7叶桨的型值几何参数沿径向分布规律，包括弦长、侧斜角和纵倾，总结上述3个几何参数的变化范围及其与叶形之间的适应性；
典型水面舰艇螺旋桨包括：美国海军驱逐舰用桨模DTMB 5168 5 叶螺旋桨(型值几何参数、敞水性能曲线和空化性能试验结果均公开)、成功通过海试测量的低噪声渔政船FRV 40 5叶螺旋桨(型值几何参数和敞水性能曲线均公开)、某护卫舰5叶螺旋桨和某驱逐舰5 叶螺旋桨(型值几何参数均为内部数据)，四个应用案例中螺旋桨均同时兼顾推进效率和抗空化性能需求，代表性强。
已有7叶桨包括：MIT年为概念型潜艇Sirenian所设计的 DTMB4567A 7叶桨(型值几何参数公开，设计点敞水性能试验结果公开)、美国海军AO-177级补给舰低振动7叶桨(型值几何参数、敞水性能曲线和空化性能试验结果均公开)、某试验用A7叶桨和试验用B 7叶桨(型值几何参数均为内部数据)，四个应用案例中7叶桨均为重点强调抗空化临界航速高和振动噪声低的工程设计结果，应用针对性强。
图4是4个水面舰艇5叶桨和4个7叶桨的叶片在不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线的回归分析结果；图5是4个水面舰艇5 叶桨和4个7叶桨的叶片在不同半径处的叶截面侧斜角沿径向分布曲线的回归分析结果；图6是4个水面舰艇5叶桨和4个7叶桨的叶片在不同半径处的叶截面纵倾沿径向分布曲线的回归分析结果。图4～图6中均包含有本发明延迟空化初生的低噪声7叶桨的型值几何参数取值结果。
从弦长沿径向分布曲线的回归结果可以看出：水面舰艇5叶桨的叶截面弦长沿径向分布呈反向抛物线变化规律，最大弦长位于 0.6R～0.9R区间；水面船7叶桨的叶截面弦长沿径向分布也呈反向抛物线变化规律，但最大弦长峰值区间前移至0.4R～0.6R，且最大弦长幅值相对于水面舰艇5叶桨也明显减小；潜艇7叶桨的叶截面弦长沿径向分布近似呈物体自由落体运动轨迹，无明显最大弦长峰值区间，最大弦长幅值相对于水面船7叶桨再次减小。
从侧斜角沿径向分布曲线的回归结果可以看出：水面舰艇5叶桨的叶截面侧斜角沿径向分布呈明显的抛物线变化规律，最大前侧斜角位于0.5R～0.7R区间，最大后侧斜角位于桨叶叶梢；无论是水面船7 叶桨还是潜艇7叶桨，0.4R至叶梢区间的侧斜角沿径向近似呈线性增加，最大后侧斜角位于桨叶叶梢。
步骤S2，以636型潜艇7叶桨丰满形叶型为参照，根据步骤S1 得到的型值几何参数变化范围，拟合得出拟设计7叶桨在不同半径处的叶截面弦长、侧斜角和纵倾沿径向分布曲线，结合给定的设计航速、转速和需求推力设计参数以及桨叶直径和轮毂直径全局参数，由开源程序OpenProp设计得出7叶桨三维几何，提取叶片几何型值。轮毂直径等于桨叶直径与毂径比的乘积，毂径比按经验一般取0.2～0.25。
由开源程序OpenProp设计7叶桨三维几何时，叶片在不同半径处的叶截面最大厚度沿径向分布曲线与最大拱度沿径向分布曲线，均直接由AO-177级补给舰低振动7叶桨的最大厚度与最大拱度均按桨叶直径成比例缩放得到。叶片在不同半径处的叶截面螺距沿径向分布曲线，是OpenProp桨叶设计时的输出参数，用于接下来的桨叶三维几何建模与推进性能CFD计算校核。
以636型潜艇7叶桨为设计参照时，为了实现在外形与性能上同时向其逼近的设计目标，首次引入描述桨叶相对载荷大小的功率系数变量，以定量描述不同7叶桨之间承载相对大小。功率系数定义为：
其中，N为螺旋桨功率，单位为kW，n为螺旋桨转速，单位为转/秒，D为桨叶直径。功率系数越小，意味着桨叶相对载荷越小，空化初生越延迟，振动噪声越小。636型潜艇7叶桨设计参数为：转速250rpm、功率4100kW、直径3.1m，则功率系数为0.198；AO-177 级补给舰低振动7叶桨设计参数为：转速100rpm、功率13458kW、直径6.4m，则功率系数为0.271，承受载荷明显重于636型潜艇7叶桨。同理，试验用B 7叶桨的设计参数为：转速200rpm、功率3500kW、直径3.15m，则功率系数为0.305，相对载荷甚至大于上述低振动7 叶桨；该桨在试验后并未装备应用的关键问题之一也正是其振动噪声偏高，还有较大的改善空间。本发明所得7叶桨的设计参数为：转速 240rpm、功率3793kW、直径3.1m，则功率系数为0.207，虽然相对载荷略微大于636型潜艇7叶桨，但直径相同、转速更低，可以控制辐射噪声相当甚至略微更低。
步骤S3，采用涡格升力线理论预报步骤S2所得7叶桨的敞水性能曲线，若设计工况的敞水效率低于0.68，则回到步骤S2小量修改桨叶直径，反之，根据OpenProp输出的叶片6个型值几何参数，在三维CAD软件中绘制桨叶三维几何模型。涡格升力线理论预报的计算精度为现有技术，在上海交通大学学报,2011,45(4):486-493.的公开文献“融合升力线理论和雷诺时均模拟在螺旋桨设计与水动力性能预报中的应用”中得到校核。
步骤S4，采用CFD计算校核设计航速和额定转速下步骤S3所得7叶桨几何模型在非均匀进流条件下的水动力性能，提取推力系数、力矩系数和推进效率结果。非均匀进流取为标模SUBOFF潜艇尾部的伴流速度分布。若推进效率低于0.65，则回到步骤S2修改不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线，反之，进行下一步；
校核7叶桨几何模型的水动力性能时采用稳态计算。桨叶壁面和周围流场的网格离散时，优先采用六面体全结构化网格，桨叶单通道网格节点的数量至少50万，网格最小正则度指数不低于0.2。湍流模型优先采用剪切应力输运SST模型，流场控制方程中对流项离散采用高阶精度格式，迭代求解时速度和压力项的残差收敛标准是至少下降3个量级，计算结束后模型尺度(雷诺数为106量级)的桨叶壁面 Y+值小于200，实尺度(雷诺数大于107量级)的桨叶壁面Y+值小于1000，以充分保证计算求解的精度。
步骤S5，采用CFD计算步骤S4所得7叶桨几何模型在潜深30 米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的空化性能，判断7叶桨叶片是处于无空化、空化初生，还是较为严重空化状态，确认7叶桨是否满足延迟空化初生的设计要求；若处于无空化状态或空化初生状态，则初步满足全航速范围内无空化产生的设计要求，进行下一步；若处于较为严重空化状态，如出现片空化，则回到步骤S2小量增加桨叶直径的同时调整不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线，改进设计7叶桨。空化初生所指为：空化面积与桨盘面积的比值小于1％。
判断桨叶是处于空化初生还是严重空化状态的标准是：空化面积与桨盘面积的比值是否大于1％，若是，桨叶出现片空化，则处于严重空化状态。
空化性能计算校核时，空化模型优先采用发明人提出的改进型 Sauer空化模型：
其中，和分别代表了水蒸汽蒸发(气泡生长)和凝结(气泡溃灭)过程，蒸发和凝结系数分别取Cprod＝50和Cdest＝0.01，气泡平均初始半径RB＝1.5μm，αv和ρv分别表示水蒸汽体积分数和密度，ρl表示水的密度，p表示流体压力，pv表示相变临界压力，计算时取值：
其中，psat表示汽化压力常数，k表示流体湍动能，ρm表示混合流体密度，计算时取值：
ρm＝(αvρv+(1-αv-αg)ρl)/(1-fg)，
其中，αg和fg分别表示非凝结性气核NCG的体积分数和质量分数，取值为αg＝7.8×10-4和fg＝1.0×10-6。对于由水、水蒸汽和NCG组成的三相混合流体来说，每一相的体积分数和质量分数均满足关系式
步骤S6，在步骤S5所得7叶桨水力模型的基础上，引入桨叶叶梢尾纵倾Kappel桨设计特征，减小叶梢流动载荷，延迟梢涡空化初生；再次采用CFD计算校核7叶桨在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的空化性能，判断7叶桨叶片的空化初生是否消失，若是，则进行下一步；若否，则小量增加Kappel桨设计特征作用的径向范围，如由初始0.95R以上叶梢区域增加为0.93R以上叶梢区域。
步骤S7，采用CFD瞬态计算步骤S6所得7叶桨水力模型在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的轴向非定常力，判断轴向非定常力幅值与轴向平均推力的比值是否满足小于1‰，若是，则由理论公式计算得到离散线谱噪声，进行下一步；若否，则回到步骤S2修改不同半径处的叶截面侧斜角沿径向分布曲线，优化改进设计7叶桨；
轴向非定常力瞬态计算时，采用尺度适应模拟方法SAS或分离涡模拟方法DES或大涡模拟方法LES。优先采用SAS模拟，可在保证轴向非定常力计算精度的条件下有效缩短计算时间。
由轴向非定常力计算低频离散线谱噪声时采用理论公式：
其中，p为声压，t'为迟滞时间，F为轴向非定常力，r为脉动力源到测点距离，θ为F与r矢量之间夹角，cosθ项用于表征脉动力源的偶极声场指向性。一旦轴向非定常力幅值确定，则线谱噪声谱源级就可以确定。
步骤S8，确定延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型。
本实施例步骤S5和S6中空化性能计算时采用中国专利《空化模型首选组合式推进器初生空化状态下的宽带谱噪声预报方法》(申请号：201310712174.6)中的改进型Sauer空化模型。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于，包括：
步骤一，回归分析水面舰艇螺旋桨和已有7叶桨的型值几何参数沿径向分布规律，获取几何参数的变化范围及其与叶形之间的适应性；
步骤二，依据预设型号潜艇7叶桨叶型，根据所述步骤一所得的几何参数变化范围，拟合获取7叶桨的叶片在不同半径处的叶截面弦长、侧斜角和纵倾沿径向分布曲线，结合桨叶直径和轮毂直径，得出7叶桨三维几何，提取叶片几何型值；
步骤三，采用涡格升力线方法预报步骤二所得7叶桨的敞水性能曲线，判断所述7叶桨在设计工况下的敞水效率是否低于预设门限值，若是，则回到步骤二修改桨叶直径，若否，则直接绘制桨叶三维几何模型；
步骤四，采用计算流体力学方法校核设计航速和额定转速下步骤三所得7叶桨几何模型在非均匀进流条件下的水动力性能，从所述水动力性能结果中提取推力系数、力矩系数和推进效率，判断所述推进性能是否低于预设推进效率限值，若是，则回到步骤二修改不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线，若否，则进入步骤五；
步骤五，采用计算流体力学方法计算步骤四所得模型在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的空化性能，判断7叶桨叶片是处于无空化、空化初生，还是空化状态，若处于无空化状态或空化初生状态，则进入步骤六；若处于存在片空化的空化状态，则回到步骤二小量增加桨叶直径，并调整不同半径处的叶截面弦长沿径向分布曲线，改进设计7叶桨；
步骤六)，在步骤五所得7叶桨水力模型的基础上，加入桨叶叶梢尾纵倾Kappel桨设计特征，延迟梢涡空化初生；再次采用计算流体力学方法校核7叶桨在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的空化性能，判断叶片空化初生是否消失，若是，则直接进入步骤七；若否，则增加Kappel桨设计特征作用的径向范围；
步骤七，采用瞬态计算步骤六所得7叶桨水力模型在潜深30米、给定设计航速、转速和非均匀进流条件下的轴向非定常力，判断轴向非定常力幅值与轴向平均推力的比值是否满足小于1‰，若是，则由理论公式计算得到离散线谱噪声，进入步骤八；若否，则回到步骤二修改不同半径处的叶截面侧斜角沿径向分布曲线，优化改进设计7叶桨；
步骤八，确定延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型。
2.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述步骤一回归分析水面舰艇螺旋桨和已有7叶桨的型值几何参数包括弦长、螺距、侧斜角和纵倾。
3.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述步骤四用计算流体力学方法计算步骤三所得模型在设计航速和额定转速下位于艇尾伴流中的推进性能时采用稳态计算法，桨叶壁面和周围流场的网格离散时，采用六面体全结构化网格，桨叶单通道网格节点的数量至少为50万，网格最小正则度指数大于等于0.2。
4.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述步骤二)中依据预设型号潜艇7叶桨叶型设计7叶桨三维几何时，预设桨叶和设计桨叶的功率系数之差小于10％，预设桨叶和设计桨叶相对载荷大小的功率系数变量
其中，N为螺旋桨功率，单位kW，n为螺旋桨转速，单位转/秒，D为桨叶直径。
5.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述步骤五和所述步骤六中判断空化性能时采用改进型Sauer空化模型。
6.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述步骤五中空化初生是指空化面积与桨盘面积的比值小于1％。
7.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述预设敞水效率限值为0.68。
8.根据权利要求1所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型设计方法，其特征在于：所述预设推进效率限值为0.65。
9.一种利用如权利要求1-8任一项所述方法设计的延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型，其特征在于：包括7片相同的大侧斜叶片，叶片不同半径处的叶截面弦长沿径向分布近似呈物体自由落体运动轨迹、侧斜角沿径向呈线性增加，艏纵倾沿径向增加，叶梢几何设计为Kappel桨非连续尾纵倾外形。
10.根据权利要求9所述的一种延迟空化初生的低噪声7叶螺旋桨水力模型，其特征在于：所述桨叶直径3.1米，侧斜度68.5％，桨叶叶截面采用NACA66翼型厚度分布和NACA α＝0.8拱度分布规律，叶截面最大厚度沿径向近似呈线性减小。
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