螺旋桨毂帽鳍节能降噪分析

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1、兰至篓三堡奎：要圭兰垒鎏三1．1引言第1章绪论现今，人类对能源的依赖已达到举足轻重的地步。能源问题已成为世界各国政府、实业界和科技部门密切关注的问题。我国的能源形势也根紧张，能源供需矛盾突出，浪费严重。因此，节能是我国国民经济发展中的长期战略任务。船舶作为交通运输中载运量比例最大的载运工具，其节能效果的好坏对国民经济的影响很大。船尾节能技术在国内外已有较广泛的研究，而且已有不少取得了实用化的进展。如尾框鳍，预旋流叶片、偏心螺旋桨，Grim叶轮与附加推力螭等。在诸多螺旋桨节能技术中，螺旋桨教帽鳍(Pro

2、pellerBossCapFins，简称PBCF)不但是一种有效的节能装置，而且具有结构简单、安装方便、故障可能性小、造价较低等优点【l】。无论在新船上还是旧船上安装(特别是毂涡较大、螺旋桨螺距比较大的船上安装)，都可达到预期的效果，因此是一种较好的节能推进形式。图11安装教帽鳍后的螺旋桨整流毂帽所谓螺旋桨毂帽鳍是一种在螺旋桨彀帽上附装若干块平板状鳍的装置哈尔演工程大学硕士学位论文形状如图11所示。其节能降噪机理是～方面吸收螺旋浆尾流的旋转能量而产生正的转矩，另一方面它又消除或减弱螺旋桨的毂涡而起到整

3、流作用来减少阻力。圈l2原型船螺旋桨和安装毂帽鳍的螺旋桨由于毂帽鳢安装简便、成本低，且易于对现有的旧船进行改造，因此深受人们的青睐。图1．2给出的就是一艘3叶桨原型船和经改装在螺旋桨上加装毂帽鳍的实船。可以看到改装的难度和工艺都不是很复杂。然而，该节能装置目前还多在试验上对其进行研究，研究报告还不多，尤其在国内。仅从试验上对其进行研究必然会带来很大盲目性。1．2螺旋桨和毂帽鳍的研究进展和现状1．2．1螺旋桨的研究1．21．1理论研究船舶螺旋桨理论研究的目的就是采用流体力学的理论方法来解决螺旋桨的性能计

4、算和理论设计问题，即螺旋桨的正逆问题。根据不同的历史发展阶段，用于螺旋桨性能计算的力学模型主要有升力线理论、升力面理论和面元法三类。升力线理论以集中涡代替桨叶的升力效应，只能确定负荷的径向分布，对于负荷的弦向分布及其与桨叶几何要素的关系则借助于二元机翼理论的方哈尔滨丁程大学硕七学位论文法求解。由于没有考虑三维的影响，其准确度还是不能令人满意，因此用升力线理论来解决螺旋桨的计算问题还不是很成功。但螺旋桨升力线理论设计是螺旋桨设计中的基本组成部分，在螺旋桨的理论设计初期，一般还是要先用升力线理论计算来确定

5、螺旋桨的主要几何参数和水动力性能参数，为以后的设计计算作准备。国内外的不少船厂、螺旋桨制造厂和设计部门直到上个世纪末仍在应用升力线理论加升力面影响的近似修正，然后凭借他们自己积累的经验数据再作一些修正，以达到工程应用的目的。因此升力线理论仍然没有失去它的作用。升力面理论考虑了三维的影响，在螺旋桨桨叶拱弧面上布置水动力奇点，并在拱弧面上满足边界条件，由此来确定螺旋桨的螺距分布和拱弧面形状【21。升力面理论有模式函数配置法、加速度势法、涡环栅格法(VLM)及准连续方法(QCM)等多种形式。Kerwin等提

6、出用附着涡和弦向涡组成的网格离散桨叶，并考虑尾涡影响提出尾涡计算模型，将一个复杂的物体绕流问题归结为满足边界条件来求解有限个奇点的分布强度问题，使其数学过程大为简化，从而使升力面理论计算方法变得规范、简单，易于编程计算，得到了广泛的应用。升力面理论方法可确定桨叶的压力分布，但由于其基本上都是基于薄翼理论的，为了处理厚度的影响需要进行种种近似处理，如通过线性简化边界条件并在参考面上分解，从而得出代表叶厚的源汇强度可由桨叶厚度分布确定，这样叶厚源以对称的方式修改桨叶两面的压力分布而不影响其负荷。因此，在计

7、算厚度影响较大的导边和叶梢等部位时升力面方法存在固有的不足，另外对于包含桨毂影响的压力分布预报也是不够准确的。但是升力面理论在计算螺旋桨的水动力方面还是可信的。与升力面理论相比，面元法(PanelMethod)直接在物面上分布源汇、涡、偶极子等奇点，按在流动边界面上满足边界条件形成求解未知奇点强度的联立方程组，因而使厚度与负荷的藕合作用固有地包含在其中，更合理地考虑了物体厚度的影响。面元法在理论上较升力面理论更完善，对复杂物体的几何形状能更精确地描述，对于桨毅、导管及桨叶上空泡的影响也更容易处理，哈尔

8、滨工程大学硕士学位论文适用范围也就更广。根据满足物面条件的控制方程的情况，可分为速度面元法和速度势面元法。随着计算机技术的发展和理论的逐步完善，面元法已日益成为船用螺旋桨理论分析的一个非常有效的工具，是近年来造船界普遍关注的一个研究方向【31。1．2．1．2试验研究螺旋桨的试验研究主要在船模试验水池、循环水槽或空泡水筒中进行。其中螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验。它是检定和分析螺旋桨性能较为简便的方法。螺旋桨的模型试验对于研究它的水动力性能