CN117407987A - 一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法 - Google Patents

一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，包括以下步骤：绘制船用推进器转子不同半径翼型最大厚度的轮廓线，创建倒圆边界线，测量得到每个半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离；在原始翼型上任意一点做切线并做垂直于该切线的向外延伸的垂线，在垂线上距离切点距离为d的位置取新点，新取的点就是包含了倒圆边界的新翼型上的点；对原始翼型从导边至随边重复以上过程，得到新的包含了倒圆边界的翼型；叶片三维重构。船用推进器转子叶根与桨毂的过渡不够光顺、叶根倒圆的构型难以精确的问题，能够实现对于叶根倒圆型表面的精确定义，并且倒圆和叶片曲面能够自称一体，实现光顺的过渡，可减小应力集中情况的发生。

Description

一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法
技术领域
本发明涉及一种船舶与海洋工程领域，特别涉及一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法。
背景技术
船用推进器转子包括螺旋桨、泵喷叶轮、喷水推进器叶轮等，其叶根构型是一个常被忽略的问题，一方面是因为叶根构型需要考虑叶片曲面与叶根倒圆的光顺过渡，是一个比较复杂的空间曲面连接问题。另一方面是因为在精细化设计理念被重视之前，叶根位置由于对推进性能的影响较小，常以填料的方式进行粗略的过渡，其曲面外形更多取决于制造工人的经验。最后一方面是目前主要的船级社规范未对叶根构型作出强制规定，以挪威船级社(DNV)规范为例，其仅要求叶根局部应力不超过1.2倍的名义许用应力。或者对于等半径叶根倒圆，仅要求倒圆半径不小于0.75倍叶根设计厚度。
近期，船用推进器转子叶根构型逐渐受到重视，这主要受到一些因素的推动，一是发生了螺旋桨叶根部的断裂事故，但是由于设计方未对叶根构型作出精确的限定，导致最终责任归属无法明确。二是随着极地船舶的订单量增加，冰级螺旋桨的需求量也随之增加。冰级螺旋桨由于运行过程需要频繁和冰块发生碰撞，因此设计方对于桨叶强度性能更加重视。叶根位置连接了叶片和桨毂，是弯曲应力最大的地方，其受重视程度也随之增加。传统的基于经验的叶根填料构型方式由于可能导致过渡不光顺而产生集中应力，逐渐不适用于冰级螺旋桨的设计及制造，见图1。
船用推进器转子叶根精确构型存在较大的难度，首先要实现叶片曲面和叶根倒圆的光顺过渡，由于叶片曲面和桨毂曲面的相贯线是一条复杂的空间曲线，其不同位置有不同的斜率，同一位置两边的曲面存在不同的曲率，因此，要实现叶片曲面和叶根倒圆两个曲面的光顺过渡是一个复杂空间数学问题。此外，船用推进器转子叶根的圆柱剖面是一个中间厚两端尖的翼型，见图2，当承受弯曲应力时，会在弦长中间厚度最大的位置出现应力最大值(因为该位置与剖面中和轴的距离最远)，因此，为了使根部的应力分布更加均匀，需要将叶根倒圆做成变半径型式，目标是使弦长中部倒圆半径相对较大，两端倒圆半径相对较小。这又增加了叶根倒圆的构型难度。
发明内容
针对船用推进器转子叶根与桨毂的过渡不够光顺、叶根倒圆的构型难以精确的问题，提出了一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，该方法基于严格的数学定义，通过将倒圆增加面积融入标准二维平面翼型，再进行平面翼型从二维至三维空间的数学变换，最终实现叶片曲面与叶根倒圆的光顺过渡，并实现对叶根曲面的精确构型。
本发明的技术方案为：
一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，包括以下步骤：
步骤一、根部倒圆边界的确定：绘制船用推进器转子不同半径翼型最大厚度的轮廓线，在最大厚度轮廓线与桨毂边界线之间创建倒圆边界线，倒圆边界线和最大厚度线和桨毂边界线相切，测量得到每个半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离；
步骤二、叶根翼型修正：在原始翼型上任意一点做切线，再经过该点做垂直于该切线的向外延伸的垂线，在垂线上距离切点距离为d的位置取新点，新取的点就是包含了倒圆边界的新翼型上的点；对原始翼型从导边至随边重复以上过程，就可以得到新的包含了倒圆边界的翼型；经过修正后，叶根的平面翼型可以使用二维坐标表示；
步骤三、叶片三维重构：根据第一步和第二步中的步骤完成叶根翼型的倒圆修正之后，在叶根范围内使用修正后的翼型替换原始的翼型，重新进行叶片的三维构型，二维坐标从平面二维转换成空间三维坐标，就能够通过精确坐标实现对于叶根倒圆型表面的精确控制。
优选的，步骤一中的最大厚度轮廓线，在叶根位置是理论的轮廓，实际加工还需要加上倒圆。
优选的，步骤一中的叶根的范围指桨叶靠近桨毂需要施加叶根倒圆的几个半径。
优选的，步骤一中的倒圆边界线没有严格限制，可以是圆弧线，也可以是光顺过渡的样条曲线。
优选的，步骤二中的每一个点向外延拓的距离d是不同的，分别使用d1、d2…di表示，是为了满足叶根倒圆变半径的要求。
进一步的，对于变半径叶根倒圆，延拓距离di是随着弦长位置变化的，是一个以弦长位置为自变量的函数，其分布规律和原始翼型厚度随弦长的分布一致，是通过原始翼型厚度与弦长的分布函数归一化后与ti相乘得到的，其中ti是对应半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离。
进一步的，如果需要等半径倒圆，仅需令d1＝d2＝…di即可。
进一步的，若以函数T(x)表示原始翼型最大值归一后的厚度随弦长的分布规律，其中x为弦长位置；那么di＝T(x)×ti，其中ti是对应半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离。
优选的，经过修正后的叶根的平面翼型可以使用坐标表示成(x0,y0)，这里x0表示翼型剖面上某一点的弦长位置，y0表示在某个弦长位置的高度值，在翼型平面内，以翼型的导边点为坐标原点，导边指向随边为x轴方向。
优选的，步骤三中的叶片三维重构为从二维平面翼型到三维空间真实桨叶的数学变换过程，依次包括平面翼型(x0，y0)、进行螺距变换(x1，y1，z1)、进行侧斜变换(x2，y2，z2)、进行纵斜变换(x3，y3，z3)、向圆柱面缠绕(x4，y5，z5)、真实桨叶。
本发明的有益效果在于：
本发明专利能够实现对于叶根倒圆型表面的精确定义，并且倒圆和叶片曲面能够自称一体，实现光顺的过渡，可减小应力集中情况的发生，对于高冰级螺旋桨这类对强度性能非常重视的船用推进器转子非常实用。
附图说明
图1为背景技术中叶根过渡不光顺图；
图2为背景技术中船用推进器转子翼型图；
图3为本发明船用推进器转子叶根最大厚度图；
图4为本发明倒圆边界线创建图；
图5为本发明叶根翼型修正图；
图6为本发明修正后翼型的坐标表示图；
图7为本发明平面翼型至真实桨叶的变换过程图；
图8为本发明实施效果对比(左列：叶根无倒圆；中列：传统叶根填料倒圆；右列本发明专利倒圆)图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
要实现船用推进器转子叶根的精确构型，将按照以下几步进行：1、根部倒圆边界的确定；2、叶根翼型修正；3、叶片三维重构。下面将分点进行叙述。
1、根部倒圆边界的确定
如图3是船用推进器转子不同半径翼型最大厚度的轮廓线。例如其中0.25R最大厚度(R为船用推进器转子半径)则表示该半径翼型的最大厚度。这个图可通过桨叶型值表得到。(型值表是在转子设计过程中生成的用来定义转子外表面的文件，包括不同半径的剖面的二位坐标，以及指导这些二位坐标进行变换的侧斜、纵斜、螺距等参数，但是这里的二维坐标不包含倒圆)
对于图3中绘制的最大厚度轮廓线，在叶根位置是理论的轮廓，实际加工还需要加上倒圆。这里叶根的范围没有很明确的定义，一般指桨叶靠近桨毂需要施加叶根倒圆的几个半径。如图4，在最大厚度轮廓线与桨毂边界线之间创建倒圆边界线。倒圆边界线没有严格限制，可以是圆弧线，也可以是光顺过渡的样条曲线，设计原则是保证和最大厚度线和桨毂边界线相切。设计出倒圆边界线之后，就可以测量得到每个半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离了，如图4中的t1、t2、t3、t4分别表示0.35R、0.3R、0.25R、0.2R的延拓距离。
2、叶根翼型的修正
在第一步中已经完成了倒圆边界线的创建，并且得到叶根几个半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离t1、t2、t3、t4，接下来将根据延拓距离进行叶根几个翼型的修正。船用推进器转子一般是通过平面上的二维翼型通过三维空间变换得到，因此，这里将对叶根原来的平面翼型进行修正，形成包含了倒圆边界的新翼型。
翼型修正过程示意见图5。图5中虚线是叶根某个半径的原始翼型，在原始翼型上任意一点做切线，再经过该点做垂直于该切线的向外延伸的垂线(在原始翼型平面内操作)，在垂线上距离切点距离为d的位置取新点，新取的点就是包含了倒圆边界的新翼型上的点。对原始翼型从导边至随边重复以上过程，就可以得到新的包含了倒圆边界的翼型。这里，每一个点向外延拓的距离d是不同的，分别使用d1、d2……di表示，是为了满足叶根倒圆变半径的要求(变半径是指在不同弦长位置倒圆的半径不同，倒圆的半径是和弦长位置有关的函数，具体随弦长位置是怎么变换的可以有不同的方式，就是倒圆在不同弦长位置的延拓距离d是和翼型的厚度随弦长的变化规律是一致的)。如果需要等半径倒圆，仅需令d1＝d2＝…di即可。
对于变半径叶根倒圆，延拓距离di是随着弦长位置变化的，是一个以弦长位置为自变量的函数，这里举一个例子，可以设置变半径倒圆di的变化规律是和厚度随弦长的变化规律一致。其分布规律和原始翼型厚度随弦长的分布一致，是通过原始翼型厚度与弦长的分布函数归一化后与ti相乘得到的。若以函数T(x)表示原始翼型最大值归一后的厚度随弦长的分布规律，其中x为弦长位置。那么di＝T(x)×ti，其中ti如图4中所示，是对应半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离。经过修正后，叶根的平面翼型可以使用坐标表示成(x0,y0)，这里x0表示翼型剖面上某一点的弦长位置，y0表示在某个弦长位置的高度值。这里x-y坐标系见图6，在翼型平面内，以翼型的导边点为坐标原点，导边指向随边为x轴方向。
3、叶片三维重构
根据第一步和第二步中的步骤完成叶根翼型的倒圆修正之后，在叶根范围内使用修正后的翼型替换原始的翼型，重新进行叶片的三维构型。叶片三维构型有固定的流程，可查阅《船舶原理》等书，流程如图7。叶根位置平面翼型经过图7中的变换之后，其坐标从平面二维转换成空间三维坐标，可以表示成(x4,y4,z4)，就能够通过精确坐标实现对于叶根倒圆型表面的精确控制。
其中，叶片从二维平面翼型到三维空间真实桨叶的数学变换过程见《船舶原理》中船舶推进章节；如图7所示，依次包括平面翼型(x0，y0)-进行螺距变换(x1，y1，z1)-进行侧斜变换(x2，y2，z2)-进行纵斜变换(x3，y3，z3)-向圆柱面缠绕(x4，y5，z5)--真实桨叶。
实施例：本发明专利具体的实施例子及效果可见图8，图中左列是无叶根倒圆的，中列是传统的基于工人经验的填料倒圆效果，右列是本专利方法完成的倒圆。从图8可见，叶根不施加倒圆时，桨叶和桨毂的接触面积较小，过渡非常突兀，不利于应力的均匀分布；中间列是基于经验的叶根倒圆，和桨叶曲面的过渡存在明显的折线，可能存在应力集中的情况，并且对于根部型表面的控制不够精确；右列是本专利方法生成的叶根倒圆，可见和桨叶曲面自成一体，不存在折线，并且能够实现对叶根型表面的精确定义和控制。如图8，左边图是未添加倒圆的叶根形状，中间图是传统的倒圆，可以看到存在不连续的分割线，右边图是本专利方法创建的倒圆，其和转子外表面光顺融合成一体，不存在分割线。
本发明通过将叶根倒圆融入叶根翼型，实现对叶根倒圆的精确构型，并且保证了倒圆曲面和叶片曲面的光顺性。
以上所述实施例仅表达了本发明的1种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根部倒圆边界的确定：绘制船用推进器转子不同半径翼型最大厚度的轮廓线，在最大厚度轮廓线与桨毂边界线之间创建倒圆边界线，倒圆边界线和最大厚度线和桨毂边界线相切，测量得到每个半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离；
步骤二、叶根翼型修正：在原始翼型上任意一点做切线，再经过该点做垂直于该切线的向外延伸的垂线，在垂线上距离切点距离为d的位置取新点，新取的点就是包含了倒圆边界的新翼型上的点；对原始翼型从导边至随边重复以上过程，就可以得到新的包含了倒圆边界的翼型；经过修正后，叶根的平面翼型可以使用二维坐标表示；
步骤三、叶片三维重构：根据第一步和第二步中的步骤完成叶根翼型的倒圆修正之后，在叶根范围内使用修正后的翼型替换原始的翼型，重新进行叶片的三维构型，二维坐标从平面二维转换成空间三维坐标，就能够通过精确坐标实现对于叶根倒圆型表面的精确控制。
2.根据权利要求1所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，步骤一中的最大厚度轮廓线，在叶根位置是理论的轮廓，实际加工还需要加上倒圆。
3.根据权利要求1所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，步骤一中的叶根的范围指桨叶靠近桨毂需要施加叶根倒圆的几个半径。
4.根据权利要求1所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，步骤一中的倒圆边界线没有严格限制，可以是圆弧线，也可以是光顺过渡的样条曲线。
5.根据权利要求1所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，步骤二中的每一个点向外延拓的距离d是不同的，分别使用d1、d2…di表示，是为了满足叶根倒圆变半径的要求。
6.根据权利要求5所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，对于变半径叶根倒圆，延拓距离di是随着弦长位置变化的，是一个以弦长位置为自变量的函数，其分布规律和原始翼型厚度随弦长的分布一致，是通过原始翼型厚度与弦长的分布函数归一化后与ti相乘得到的，其中ti是对应半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离。
7.根据权利要求5所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，如果需要等半径倒圆，仅需令d1＝d2＝…di即可。
8.根据权利要求6所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，若以函数T(x)表示原始翼型最大值归一后的厚度随弦长的分布规律，其中x为弦长位置；那么di＝T(x)×ti，其中ti是对应半径上倒圆边界线相对于最大厚度轮廓线的延拓距离。
9.根据权利要求8所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，经过修正后的叶根的平面翼型可以使用坐标表示成(x0,y0)，这里x0表示翼型剖面上某一点的弦长位置，y0表示在某个弦长位置的高度值，在翼型平面内，以翼型的导边点为坐标原点，导边指向随边为x轴方向。
10.根据权利要求1所述的船用推进器转子叶根倒圆一体成型精确构型方法，其特征在于，步骤三中的叶片三维重构为从二维平面翼型到三维空间真实桨叶的数学变换过程，依次包括平面翼型(x0，y0)、进行螺距变换(x1，y1，z1)、进行侧斜变换(x2，y2，z2)、进行纵斜变换(x3，y3，z3)、向圆柱面缠绕(x4，y5，z5)、真实桨叶。
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