表面桨实用设计方法

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(武汉劳雷绿湾船舶科技有限公司，武汉 430083)

关于表面桨的设计方法，一般有升力面法[1]和模型系列试验图谱法。2种方法都不太成熟，往往一条艇首先要设计几套不同要素的表面桨，然后通过实艇试航来选择与主机特性和艇特性相匹配的表面桨(表面桨轴无上下转动功能的尤甚)。本文借鉴国外表面桨系列模型试验图谱，结合武汉劳雷绿湾船舶科技有限公司的设计经验和实艇数据，提出一种表面桨实用设计方法。

John C.Rose和Claus F.L Kruppa发表的《表面桨系列模型试验结果》，经过若干艇的使用证明是有效的，考虑以此为基础进行表面桨设计，但由于下列原因必须对其进行修正。

1)表面桨设计中用的艇阻力，一般用模型在水池里的试验结果再采用二因次法换算到实艇[2]；同样，表面桨的特性也是在特制空泡筒或减压水池中模型试验结果用KTM=KTS,ηPM=ηPS计算的。这都存在“比尺效应”[3]。

3)Rose提供的表面桨特性是在盘面比0.8、毂径比、ROLLA剖面型、空泡数0.2、桨叶数4等状态下作的系列模型试验，如若设计的表面桨与其一项或几项不同，表面桨的特性将发生改变。

4)计算误差和试验误差不可避免。

鉴于以上原因，尝试用母型船实艇试航的数据，通过计算求得推力修正系数γ和效率修正系数φ2，再来修正用图谱获得的推力T和效率ηp。该修正系数的数值大小与采用的母型艇、选用的图谱和艇的航速等有关[6]。利用γ、φ2、Rose表面桨图谱、船模试验、主机功率和主机转速就可优化设计艇的表面桨要素。

1 γ和φ2的求取

针对10.3 m无人艇表面桨，求出母型艇γ=f(Vs)、φ2=f(Vs)的曲线，见图1。

2 设计艇表面桨要素的优化(设计)

得到型船的γ-Vs、φ2-Vs曲线后，利用该进行表面桨参数的优化。

2.1 优化的前提

1)用确定γ、φ2时同一个Rose表面桨图谱。

2)用船模试验按二因次法换算得出艇阻力。

3)线型参数应尽量与型船相近。

4)桨与艇体的相对位置应尽量与型船相似。

5)都应是高速滑行艇，其FrΔ尽量接近型船。

2.2 优化要素

表面桨的要素有盘面比θ、叶数z、剖面型、叶宽分布、毂径比dc/D、侧斜、纵斜、直径D和螺距比P/D。由于采用Rose图谱，其θ、Z、剖面型、叶宽分布、侧斜，纵斜和毂径比是固定的，因此优化的要素只有D和P/D。

2.3 优化计算的方法

利用该方法可得出经优化的表面桨D、P/D以及预报可达航速Vs*。

1)优化计算应具备的已知条件。

(1)采用的主机台数，每台最大功率和相应转速ns，见图2。

(2)采用的齿轮箱台数、减速比i(经软件计算或经验公式确定)。

(3)传递效率ηm按经验选取。

(5)用模型试验结果确定设计Δ和Xg下的实艇阻力和Δ1Xg变化对阻力的影响值。

(6)以型船γ=f(Vs) 、φ2=f(Vs)为例，见图1。

(7)利用通用的方法确定艇的空气阻力及附件(若有的话)阻力。

(8)正确地选用Rose表面桨图谱，做为例子，见图4、5。

2)优化计算[8]。

继而用力矩方程求出垂向力对艇的重量、重心的影响得出新的排水量Δ1i和重心纵向位置Xg1i。再计算Δ1iXg1i下的阻力(要加上空气阻力和附体阻力)得Rρi。

用γ=f(Vs)φ2=f(Vs)修正表面桨推力Tsi=γTi。

当Tsi≥Rsi时的Di、P/Di组合可使设计方案达到设定的航速Vs。

比较满足Tsi≥Rsi中取其最大Tsi的组合Di、P/D即为最优之要素。这是推力大于阻力，为此可增加设定的航速进行再一次优化，若得不到Ts≥Rs，则需减小设定的航速进行再次优化。

3)优化结果与实艇试航结果对比。

对10.3 m无人艇进行优化，得到Di=0.59 m，P/Di=1.49，预报得到Vs=52.5 kn。用此D、P/D组合进行实艇试航，取得航速为52 kn。计算结果与试航结果的相对误差为1%。

3 结论

1)通过试航证明，所提出的表面桨要素(D,P/D)之优化所得的结果与试航结果吻合较好，故考虑γ、φ2之修正系数和计及垂向力的优化程序有较好的精度。该修正系数γ、φ2是一个“比尺效应”，“艇体对表面桨水动力干扰”以及各种误差的综合，是目前尚无理论方法可计算的，借用型船的试航数据来取得。

2)采用本优化方法对型船数据依赖度较高，若无相近的型船将会降低优化结果的精度；若不采用与表面桨试验图谱一致的叶剖面型及其他几何参数，也会降低优化结果的精度，甚至会出现较大的误差。

3)利用本文提出的优化表面桨要素的方法，曾做过多型船表面桨的设计，都取得了较好的效果，因此本方法具有实用的价值，可推广使用。

[1] 王国强，贾大山.自由液面对螺旋桨性能的影响[J].中国造船，1989(1)：1-7.

[2] 赵年恩，韩端锋.高性能船舶水动力原理与设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.

[3] 朱珉虎.滑行艇水动力计算[J].船舶工业技术经济信息，2005(2)：48-53.

[4] 王国强，贾大山，盛振邦.部分浸水通气螺旋桨水动力性能[J].中国造船，1990(2)：22-31.

[5] 王国强，盛振邦.船舶推进[M].北京：国防工业出版社，1985.

[6] 吴晓光，吴启锐.高速船快速性[M].北京：国防工业出版社，2015.

[7] 汪城仪.深V形船型对小型军用快艇性能的影响[J].中国造船，1966(4)：13-18.

[8] Faltinse, O.M.Hydrodanamic of High-speed Marine Vehicles [M].崔维成译.北京：国防工业出版社，2007.