CN109190308A - 一种冰区船舶螺旋桨设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶领域，公开了一种冰区船舶螺旋桨设计方法，采用升力线方法和升力面方法结合的方式进行设计，将升力线的设计结果作为升力面方法的初始输入，设计过程中输入冰区船舶螺旋桨特殊的参数限制，依据船级社规范进行强度校核，再进行水动力计算。本发明实现冰区船舶螺旋桨设计，为冰区船舶的设计建造提供参考；易于编程实现，设计效率高，并且能够减小尾流收缩和船后伴流影响，减弱空化和噪声；设计过程中输入冰区船舶螺旋桨特殊的参数限制，进一步提高设计效率，满足冰区复杂环境的船舶螺旋桨运行的需要。

Description

一种冰区船舶螺旋桨设计方法

技术领域

本发明属于船舶领域，尤其涉及一种冰区船舶螺旋桨设计方法。

背景技术

北极航道是由两条航道构成：加拿大沿岸的“西北航道”和西伯利亚沿岸的“东北航道”。

东北航道也称为“北方海航道”，大部分航段位于俄罗斯北部沿海的北冰洋离岸海域。从北欧出发，向东穿过北冰洋巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和楚科奇海五大海域直到白令海峡。在东北航道上，连接五大海域的海峡多达58个，其中最主要的有10个。

西北航道大部分航段位于加拿大北极群岛水域，以白令海峡为起点，向东沿美国阿拉斯加北部离岸海域，穿过加拿大北极群岛，直到戴维斯海峡。这条航线在波弗特海进入加拿大北极群岛时，分成2条主要支线，一条穿过阿蒙森湾、多芬联合海峡、维多利亚海峡到兰开斯特海峡；一条穿过麦克卢尔海峡、梅尔维尔子爵海峡、巴罗海峡到兰开斯特海峡。

随着温室效应的加剧，全球气温持续升高，北极冰盖面积持续缩小，可以预见，在未来，北极的一些航道的冰封期将大为缩短。北极航道具有重大的战略意义。另一方面，要开辟北极航道，就必须制造在北极航道有通行能力的船舶。由于冰区环境条件的复杂性，船舶螺旋桨的设计显得尤为重要。

现有的船舶螺旋桨设计方法有两种，即图谱设计法和环流理论设计方法。

图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱进行设计。用图谱方法设计螺旋桨方便快捷，容易掌握，而且随着船舶行业的发展，可用的图谱也越来越多，通过选取合适的图谱设计出螺旋桨的性能能够满足商业需求，是目前较为广泛的一种设计方法。尤其是在已知母型桨数据的情况下，将母型桨的各参数进行一定的修改，可以十分便捷地设计所需要的螺旋桨。然而，针对冰区航行船舶螺旋桨而言，可用的图谱十分匮乏，这主要是因为各国对冰区船舶的技术保密，尤其是破冰船的螺旋桨设计，由于其技术含量高，并且涉及错综复杂的政治、军事和经济利益，各国都严格保密其资料，因此可参考的设计图谱十分稀少。利用图谱设计方法设计冰区船舶螺旋桨存在着很大的不足。

环流理论设计方法是根据环流理论以及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。应用这种方法可以分别选择不同半径最适宜的螺距和剖面形状，并且可以考虑尾流收缩以及船后伴流的影响，因而对于螺旋桨空化以及由此引起的噪声问题可以妥善考虑，设计出螺旋桨性能较好。尤其是随着计算机的发展，环流理论设计方法得到充分地发展。

发明内容

本发明的目的在于公开适用于冰区船舶设计的、可操作性强的一种冰区船舶螺旋桨设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种冰区船舶螺旋桨设计方法，包含如下步骤：

步骤(1)：输入螺旋桨的主要设计参数，包括螺旋桨直径D，毂径比r_h,船速V_s，叶数Z，螺旋桨推力T和径向划分数N，然后进行模式函数转换，将无因次半径转换成用角度表示的形式；

步骤(2)：选择环量分布形式及伴流分布，计算环量分布形式的函数；

步骤(3)：计算推力系数C_T和进速系数λ_s，估计理想推力系数C_Ti：

由船速和螺旋桨转速计算进角，将水动力螺距角β_ij的第一次近似值取为进角的值，再计算推力系数C_T和进速系数λ_s：

步骤(4)：将K值的初始值赋为0，按照Lerbs方法计算诱导因子i_a,i_t：

上式中，K为无因次环量分布与任意指定环量分布函数的比值，是与半径无关的待定系数；为无因次分布环量，F_m为环量分布函数的傅里叶系数，m为正整数，为角度；

步骤(5)：用诱导因子i_a,i_t计算中间值

步骤(6)：由求解K的方程，解出K的新值，并计算诱导速度U_a,U_t：

步骤(7)：将K的新值代入确定环量，再确定新的β_ij：

上式中，ω(r)为伴流分数；

步骤(8)：判断前后两次计算的K值是否收敛，如果收敛进入步骤(9)，否则返回到步骤(5)；

步骤(9)：计算升弦积、叶剖面空泡数和最小剖面模数：

定义升弦积Y(r)＝C_L(r)·C(r)/D，则

Y(r)＝2πG(r)·V_s/V_R；

上式中，R为桨半径，单位m；P₁为桨轴中心处静压力，单位kgf/m²；P_v为饱和蒸汽压力，单位kgf/m²；γ为海水比重，单位kgf/m³；V_R为合速度，单位m/s；

步骤(10)：选择桨叶剖面翼型，确定螺旋桨几何参数形状弦长比c(r)/D、厚度比t(r)/D、拱度比f/c、螺距比H/D和螺距角σ；

步骤(11)：进行升力面修正和粘性影响修正：

用回归多项式进行升力面修正：

上式中，下标c表示升力面影响对拱度影响的修正，下标α表示升力面影响对理想攻角影响的修正，下标t表示升力面影响对厚度影响的修正，n＝31，λ_i＝r·tanβ_i为诱导进度比，为盘面比；

用阻升比进行粘性修正：

步骤(12)：重新计算推力系数C_T，计算功率系数C_P和效率η；

步骤(13)：按照采用中国船级社钢质海船入级规范第三分册第二节中的规定，进行冰区规范强度校核计算；

步骤(14)：将升力线的厚度和拱度设计结果用于升力面设计，并对螺旋桨桨叶进行径向和弦向划分；

步骤(15)：输入冰区船舶螺旋桨的参数限制：输入冰区船舶螺旋桨在盘面比、纵斜、侧斜和螺距比的限制区间；

步骤(16)：重新插值计算升力面中各径向剖面的弦长、最大厚度、侧斜、后倾和螺距比；

步骤(17)：确定涡网格模型和网格点的坐标，并且在涡网格上建立局部坐标系；

步骤(18)：进行环量离散化：

环量的展向分布根据升力线设计得到，弦向分布采用NACAa＝0.8拱弧线环量弦向分布形式；

步骤(19)：计算各个控制点的诱导速度，由物面边界条件确定新的螺距角和拱弧面；

步骤(20)：判断新旧拱弧面和螺距角是否收敛，如果收敛则进行水动力计算，否则返回步骤(16)。

本发明的有益效果为：

本发明实现冰区船舶螺旋桨设计，为冰区船舶的设计建造提供参考。本发明易于编程实现，设计效率高，并且能够减小尾流收缩和船后伴流影响，减弱空化和噪声；设计过程中输入冰区船舶螺旋桨特殊的参数限制，进一步提高设计效率，满足冰区复杂环境的船舶螺旋桨运行的需要。

附图说明

图1是一种冰区船舶螺旋桨设计方法流程图；

图2是一种冰区船舶螺旋桨设计方法的实施例效果图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

实施例1：

如图1，一种冰区船舶螺旋桨设计方法，包含如下步骤：

步骤(1)：输入螺旋桨的主要设计参数，螺旋桨直径D为7.2m，毂径比RH为0.2,船速VS为16节，叶数Z为5，螺旋桨推力T为172840,径向划分数N为9等参数，并进行模式函数转换，将无因次半径转换成用角度表示的形式。

步骤(2)：按照nacaa＝0.8拱弧线环量弦向分布式形式分布环量。

步骤(3)：计算推力系数C_T和进速系数λ_s，并估计理想推力系数C_Ti。将水动力螺距角β_ij的第一次近似值取为进角的值，进角可由船速和螺旋桨转速计算得到。

步骤(4)：将K值的初始值赋为0，并按照Lerbs方法计算诱导因子i_a,i_t。K为无因次环量分布与任意指定环量分布函数的比值，是一个与半径无关的待定系数。

式中为无因次分布环量，F_m为环量分布函数的傅里叶系数，m为正整数，为角度。

步骤(5)：用诱导因子i_a,i_t计算中间值

步骤(6)：由求解K的方程，解出K新的值，并计算诱导速度U_a,U_t。

步骤(7)：将新的K值代入确定环量，再确定新的β_ij。

上式中，ω(r)为伴流分数。

步骤(8)：判断前后两次计算的K值是否收敛，如果收敛则可以进行桨叶参数的计算，如果不收敛，则需返回到步骤(5)，重新计算诱导因子i_a,i_t，直到两次计算的K值收敛为止。

步骤(9)：计算升弦积、叶剖面空泡数和最小剖面模数。

升弦积Y(ξ)定义为C_L(r)·C(r)/D。

Y(r)＝2πG(r)·V_s/V_R；

计算叶剖面空泡数

上式中，R为桨半径，单位m；P₁为桨轴中心处静压力，单位kgf/m²；P_v为饱和蒸汽压力，单位kgf/m²；γ为海水比重，单位kgf/m³；V_R为合速度，单位m/s。

步骤(10)：选择桨叶剖面翼型，确定螺旋桨几何参数形状c(r)/D,t(r)/D,f/c,H/D,σ等。

c(r)/D,t(r)/D,f/c,H/分别代表弦长比、厚度比、拱度比、螺距比和螺距角。

本实施例选用NACA16a＝0.8或者NACA66(mod)a＝0.8，两种翼型拱度分数及半厚度分数如下表所示：

表1翼型拱度及半厚度分布

步骤(11)：进行升力面修正和粘性影响修正。

升力面修正用回归多项式

上式中，下标c,α,t分别表示升力面影响对拱度、理想攻角及厚度影响的修正，n取31项，λ_i＝r·tanβ_i为诱导进度比，为盘面比

粘性修正采用阻升比

步骤(12)：重新计算推力系数C_T，计算功率系数C_P和效率η。

步骤(13)：按照采用中国船级社钢质海船入级规范第三分册第二节中的规定，进行冰区规范强度校核计算；

步骤(14)：将升力线的厚度和拱度设计结果用于升力面设计，并对螺旋桨桨叶进行径向和弦向划分；

步骤(15)：输入冰区船舶螺旋桨的参数限制：输入冰区船舶螺旋桨在盘面比、纵斜、侧斜和螺距比的限制区间；

步骤(16)：重新插值计算升力面中各径向剖面的弦长、最大厚度、侧斜、后倾和螺距比；

步骤(17)：确定涡网格模型和网格点的坐标，并且在涡网格上建立局部坐标系；

步骤(18)：进行环量离散化：

环量的展向分布根据升力线设计得到，弦向分布采用NACAa＝0.8拱弧线环量弦向分布形式；

步骤(19)：计算各个控制点的诱导速度，由物面边界条件确定新的螺距角和拱弧面；

步骤(20)：判断新旧拱弧面和螺距角是否收敛，如果收敛则进行水动力计算，否则返回步骤(16)。

设计完成后，如图2，是本实施例设计的螺旋桨的最终效果图。

与现有技术相比，本发明实现冰区船舶螺旋桨设计，为冰区船舶的设计建造提供参考。且易于编程实现，设计效率高，并且能够减小尾流收缩和船后伴流影响，减弱空化和噪声；设计过程中输入冰区船舶螺旋桨特殊的参数限制，进一步提高设计效率，满足冰区复杂环境的船舶螺旋桨运行的需要。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冰区船舶螺旋桨设计方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：输入螺旋桨的主要设计参数，包括螺旋桨直径D，毂径比r_h,船速V_s，叶数Z，螺旋桨推力T和径向划分数N，然后进行模式函数转换，将无因次半径转换成用角度表示的形式；

步骤(2)：选择环量分布形式及伴流分布，计算环量分布形式的函数；

步骤(3)：计算推力系数C_T和进速系数λ_s，估计理想推力系数C_Ti：由船速和螺旋桨转速计算进角，将水动力螺距角β_ij的第一次近似值取为进角的值，再计算推力系数C_T和进速系数λ_s；

步骤(4)：将K值的初始值赋为0，按照Lerbs方法计算诱导因子i_a,i_t：

上式中，K为无因次环量分布与任意指定环量分布函数的比值，是与半径无关的待定系数；为无因次分布环量，F_m为环量分布函数的傅里叶系数，m为正整数，为角度；

步骤(5)：用诱导因子i_a,i_t计算中间值

步骤(6)：由求解K的方程，解出K的新值，并计算诱导速度U_a,U_t：

步骤(7)：将K的新值代入确定环量，再确定新的β_ij：

上式中，ω(r)为伴流分数；

步骤(8)：判断前后两次计算的K值是否收敛，如果收敛进入步骤(9)，否则返回到步骤(5)；

步骤(9)：计算升弦积Y(r)、叶剖面空泡数σ(r)和最小剖面模数；

步骤(10)：选择桨叶剖面翼型，确定螺旋桨几何参数形状弦长比c(r)/D、厚度比t(r)/D、拱度比f/c、螺距比H/D和螺距角σ；

步骤(11)：进行升力面修正和粘性影响修正；

步骤(12)：重新计算推力系数C_T，计算功率系数C_P和效率η；

步骤(13)：按照采用中国船级社钢质海船入级规范第三分册第二节中的规定，进行冰区规范强度校核计算；

步骤(14)：将升力线的厚度和拱度设计结果用于升力面设计，并对螺旋桨桨叶进行径向和弦向划分；

步骤(15)：输入冰区船舶螺旋桨的参数限制：输入冰区船舶螺旋桨在盘面比、纵斜、侧斜和螺距比的限制区间；

步骤(16)：重新插值计算升力面中各径向剖面的弦长、最大厚度、侧斜、后倾和螺距比；

步骤(17)：确定涡网格模型和网格点的坐标，并且在涡网格上建立局部坐标系；

步骤(18)：进行环量离散化：环量的展向分布根据升力线设计得到，弦向分布采用NACAa＝0.8拱弧线环量弦向分布形式；

步骤(19)：计算各个控制点的诱导速度，由物面边界条件确定新的螺距角和拱弧面；

步骤(20)：判断新旧拱弧面和螺距角是否收敛，如果收敛则进行水动力计算，否则返回步骤(16)。

2.根据权利要求1所述的一种冰区船舶螺旋桨设计方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的推力系数C_T：

进速系数λ_s：

3.根据权利要求1所述的一种冰区船舶螺旋桨设计方法，其特征在于：所述的步骤(9)中的升弦积Y(r)：

Y(r)＝2πG(r)·V_s/V_R；

叶剖面空泡数σ(r)：

上式中，R为桨半径，单位m；P₁为桨轴中心处静压力，单位kgf/m²；P_v为饱和蒸汽压力，单位kgf/m²；γ为海水比重，单位kgf/m³；V_R为合速度，单位m/s。

4.根据权利要求1所述的一种冰区船舶螺旋桨设计方法，其特征在于：所述的步骤(11)具体为：

用回归多项式进行升力面修正：

上式中，下标c表示升力面影响对拱度影响的修正，下标α表示升力面影响对理想攻角影响的修正，下标t表示升力面影响对厚度影响的修正，n＝31，λ_i＝r·tanβ_i为诱导进度比，为盘面比；

用阻升比进行粘性修正：