DOI: 10.11991/yykj.201904014网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20190625.1716.006.html

螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计王文全1，马开放2，王诗洋1，叶礼裕21. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 2000112. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

摘 要：螺旋桨运转于舰艇艉后不均匀流场中，不均匀的流场对螺旋桨的空泡、噪声、振动以及水动力性能产生重要影响。而船舶螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的目的就是在精确预报船舶艉后伴流场的条件下，合理地设计螺旋桨，使设计桨适合于所在伴流场下的运转。将伴流谐调分析法、螺旋桨侧斜及纵倾选择原则、升力线程序、升力面程序和非定常面元法程序、螺旋桨参数优化设计程序相结合，建立了螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的系统，对大侧斜螺旋桨(highly skewed propeller, HSP)再设计为例，验证该系统的有效性。该系统为实现对潜艇螺旋桨的量身定制提供了理论支持。关键词：螺旋桨；非均匀流；适伴流理论设计；参数优化设计；伴流谐调分析法；升力线法；升力面法；面元法中图分类号：U661.7 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2019)05−0001−09

Wake-adapted theory design and parameter optimizationdesign of propeller

WANG Wenquan1, MA Kaifang2, WANG Shiyang1, YE Liyu21. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China2. School of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

Abstract: The propeller is operated in the uneven flow field after the naval vessel, and the non-uniform flow field has animportant influence on the vacuolization, noise, vibration and hydrodynamic performance of the propeller. The purposeof wake-adapted theory design and parameter optimization design of ship propeller is to reasonably design the propellerunder the condition of accurately predicting the aft wake flow field, so that the designed propeller is suitable foroperation under the accompanying flow field. In this paper, the system of the wake-adapted theory design and parameteroptimization design of the propeller is established by combining the harmonic analysis method, the propeller side slopeand the longitudinal inclination selection principle, the lift line program, the lift surface program, the unsteady surfaceelement program and the propeller parameter optimization design program. Taking the redesign of highly-skewedpropeller (HSP) propeller as an example, the effectiveness of the system is verified. The system provides theoreticalsupport for tailoring the submarine propeller.Keywords: propeller; non-uniform flow; wake-adapted theory design; parameter optimization design; harmonic analysismethod; lift line method; lift surface method; surface element method

随着船舶向大型化、高速化方向发展以及高功率主机的使用，船后伴流场的不均匀程度和螺旋桨的负荷加重，出现了尾振、结构损坏、噪音及剥蚀等现象。在开展螺旋桨设计时，未考虑伴流场的影响，将可能导致所设计的螺旋桨所在伴流场不匹配，出现振动、噪声、推力不符合要求，耗能增大等现象。船舶螺旋桨适伴流设计的目的就是考虑船桨一体的相互影响，在船舶艉后伴流场条件下，选择合适的直径及拱度、螺距、纵斜和侧斜的分布，尽量减小桨引起的振动、空泡及噪声等一系列问题。开展螺旋桨的适伴流设计需预报船后伴流场以设计适合于所在伴流场条件下运转的螺旋桨。舰艇艉后为以湍流脉动、黏性效应和漩涡运动为特征的复杂流场区域，导致艇艉后伴流严重不均匀[1−2]。由于潜艇螺旋桨实际上都是工作于

收稿日期：2019−04−18. 网络出版日期：2019−06−25.基金项目：国家自然科学基金项目(51679052,51639004)；工信部高技术船舶科研项目(G014613002)；国防基础科研计划项目(JCKY2016604B001).作者简介：王文全，男，高级工程师.通信作者：马开放，E-mail：2711945345@qq.com.

第 46 卷第 5 期应 用 科 技Vol.46 No.5

2019 年 9 月Applied Science and Technology

Sep. 2019艇艉后伴流中，螺旋桨空化、噪声性能受到艇艉后不均匀伴流的影响十分严重，在对螺旋桨设计时必须考虑艇艉后不均匀伴流场的影响。1963年，Beveridge等[3]基于Lerps理论采用Eckhardt-Morgan方法设计适伴流螺旋桨，在敞水和伴流条件下进行试验，均得到很好的性能。DonaldMacPherson[4]分析舰船适伴流螺旋桨设计时，认为随着越来越多螺旋桨建造厂能够实现数字化建造，舰船量身定制或半定制合适的推进器成为可能。丁举等[5−6]比较单桨与双桨船的流场不同特点，计及切向伴流影响，开展双桨船适伴流桨设计。罗晓园等[7]针对传统舵桨实际运行中出现的螺旋桨振动、低速等问题，给出开展全回转舵桨适伴流设计概念。侯立勋等[8]以实现节能为目标，以螺旋桨环流理论分别对前桨和后桨进行实桨适伴流设计，建立了一种高效对转桨适伴流设计方法。宋才生等[9]研究船舶艉型与适伴流螺旋桨的一体化匹配设计，并将设计结果与实船实验数据进行比较，验证优化设计结果。但是以往学者都是将螺旋桨理论设计与优化设计分开研究，可能造成理论设计得到的螺旋桨各方面性能不能达到最优，或者开展优化设计时缺少母型桨。因此本文将螺旋桨适伴流的理论设计和优化设计相组合，形成一套比较完整的螺旋桨设计系统。螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的目的是在舰艇艉后伴流场的条件下，合理地设计螺旋桨的几何参数分布，使设计桨适合于所在伴流场下的运转，满足水动力性能方面要求，而且对空化、噪声性能有利，实现为舰艇量身定制螺旋桨。本文首先介绍了船用螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计流程；然后，介绍螺旋桨参数化表达的方法；最后，通过对HSP桨重新设计，验证螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的可行性。1 螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计流程本文将螺旋桨适伴流的理论设计和优化设计相组合，形成一套比较完整的螺旋桨设计系统。该系统包含了伴流场的谐振分析方法、螺旋桨理论设计前桨叶数、纵倾分布和侧斜分布的选择方法、考虑纵倾侧斜影响的升力线设计程序、升力面设计程序、非定常面元法预报螺旋桨水动力性能程序和以设计桨为母型的适伴流参数优化设计程序。该系统全面考虑了适伴流设计桨的水动力性能、非定常推力的脉动、强度条件，而且操作简单，可自动完成各程序之间的数据传输，大大减少人工的介入。该系统运行的过程中可输出文档和设计桨模型，便于设计者对设计进程进行观察和控制。具体流程如下：1）螺旋桨适伴流桨的初始化理论设计。根据舰艇的船型特点和设计要求，确定升力线输入参数，包括螺旋桨转速、直径，推力，螺旋桨收到的马力、伴流分数等。其中，伴流分数可根据船型特点和经验公式估算，开展不考虑纵倾侧斜的螺旋桨适伴流初始化理论设计，根据侧斜纵倾的选择原则，结合初始化适伴流桨的几何螺距角、谐振船后伴流场选择合适的侧斜分布和纵倾分布。2）螺旋桨适伴流理论设计。在船后伴流场条件下，采用考虑纵倾和侧斜分布的升力线和升力面设计程序开展螺旋桨适伴流理论设计。采用非定常面元程序预报适伴流设计桨的性能，判断适伴流设计桨水动力性能、激振力是否满足要求，否则，重新进行螺旋桨适伴流理论设计。

×3）螺旋桨适伴流优化设计。这一步骤是为了进一步提高适伴流理论设计桨的各方面性能而开展的。以适伴流理论设计桨为母型，探索设计变量空间，确定设计变量的变化范围。结合优化算法和非定常面元法程序，采用悬臂梁法预报设计桨的应力分布，限制其最大应力值小于材料的许用应力6.37107 Pa，对设计桨的几何参数进行优

化设计。螺旋桨适伴流理论设计部分的流程如图1所示，螺旋桨适伴流参数优化设计部分的流程如图2所示。 

开始

谐振分析船后伴流场，选择合适的桨叶数

结合初始适伴流桨的几何螺距角，谐振分析船后伴流场选择侧斜、纵倾

计入纵倾侧斜影响，升力线升力面设计适伴流理论设计桨

面元法预报设计桨的水动力性能、强度、噪声、空泡、激振力等性能

性能是否满足要求

升力线升力面设计初始适伴流桨

N调整设计参数结束Y

适伴流桨初始化设计

 图1 螺旋桨适伴流理论设计流程

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