泵类推进器侧斜对螺旋桨性能影响机理分析

无独有偶，美国海军海洋系统研究中心（Naval Ocean Systems Center，NOSC）早在20世纪70年代就已经在寻找这一答案。Mautner博士针对轴对称体伴流场中的螺旋桨叶频线谱噪声以及船体振动控制问题，开发完成了一套桨叶侧斜非线性优化的程序SKEWOPT（1978年），核心是通过引入二次方或者三次方侧斜分布规律使得非定常力和力矩最小化。遗憾的是，该程序的相关技术细节无法得知，而且鉴于非定常力和力矩的数值计算精度控制直至当前仍是船舶水动力学领域中的一个难点问题，加上当前国内最为先进的大型循环水槽也仅能测量一阶轴向非定常力，使得截至目前仍很难再现该程序所能实现的功能。

Mautner博士选取的分析对象是一型鱼雷对转桨的前桨，叶片数为6叶，桨叶直径为0.683 ft，转速为1 400 r/min，来流速度为22.128 m/s，伴流峰值数为4，桨叶特征参数和单周期伴流速度分布如图5.4所示，其选取的四种侧斜分布规律以及由程序计算得到的二阶叶频和四阶叶频处非定常力和力矩幅值如图5.5和表5.1所示。表中力的单位为磅力（bf），力矩的单位为磅力英尺（lbf·ft）。其中，侧斜分布规律包含2组二次方规律和2组三次方规律曲线，桨叶侧斜度范围为64%～90%，均属于大侧斜桨叶。从受力数据可知，大侧斜的确能够显著抑制桨叶非定常力和力矩，且对于主要特征线谱而言尤其明显；侧斜度对桨叶非定常力的抑制效果并非单调变化的，存在最佳侧斜度临界值或者是临界区间，使得非定常力和力矩最小。当然，对于一个新设计桨而言，其最佳侧斜度临界值以及与之适应的最佳侧斜分布规律还是需要在母型桨样本设计值的基础上进行试凑才能得到。

同期，美国海事局（Maritime Administration）于1978年针对三条安装大侧斜螺旋桨的实船振动进行了测量。测量对象包括两个6叶桨和一个5叶桨，其叶梢侧斜角和桨叶侧斜度如表5.2所示，可知侧斜度为100%和50%。第一条船的振动测量数据如图5.6中所示，可知，同一转速下大侧斜桨配置较无侧斜桨产生的结构振动明显降低，且转速越高该振动抑制效果越明显。据此测量结果可以推断，侧斜度趋近于100%可能是较好的取值之一。

图5.4　螺旋桨特征参数及伴流速度分布

图5.5　螺旋桨侧斜分布

表5.1　螺旋桨非定常力和力矩

表5.2　实船振动测量时大侧斜桨参数

续　表

图5.6　实船船体、推力轴承和齿轮箱振动叶频线谱处振级测量数据

（a）船尾垂向振动；（b）Athwart船尾部船体振动；（c）推力轴承垂向振动；（d）Athwart船推力轴承振动；（e）推力轴承轴向振动；（f）齿轮箱轴向振动

此外，美国海军船舶研究与发展中心（Naval Ship Research and Development Center，NSRDC）于1974年为某一货船设计大侧斜桨时，也详细研究了侧斜对轴向力以及侧向力的影响［27］。其伴流场分布以及最终设计的螺旋桨几何形状如图5.7所示，可知0.7R处轴向进流呈现2峰值特征，所设计叶片数为6叶。在设计过程中，计算得到的侧斜对一阶叶频处桨叶轴向非定常力、力矩以及侧向非定常力的影响如图5.8所示。可知，从无侧斜到侧斜度为50%再到侧斜度为100%，叶数为4叶和6叶时轴向非定常力和力矩大幅减小，抑制效果非常好，横向非定常力的抑制效果次之，但是垂向非定常力却表现出了侧斜度为50%时反而比无侧斜更大的规律。叶数为5叶时，从无侧斜到侧斜度为50%，轴向非定常力和力矩不仅没有减小，反而有所增加，但横向力和垂向力却显著减小；侧斜度进一步从50%增加至100%时，轴向非定常力和力矩仅小幅减小，但横向力和垂向力继续大幅减小。叶数为7叶时，随着侧斜度增加，无论是轴向非定常力和力矩还是横向力和垂向力，都表现为逐渐减小，只是横向力和垂向力减小的幅度更大。

图5.7　某货船伴流场分布及螺旋桨几何形状

图5.8　侧斜对不同叶数桨叶叶频处非常力和力矩的影响

从上述计算结果中可以归纳出两点通用结论：一是侧斜对桨叶非定常力的抑制效果不仅与叶片数有关，而且与伴流峰值数有关；二是叶片数为4～7叶时，使得桨叶非定常力最小化的最佳侧斜度位于50%～100%范围内，初始设计时可以首选侧斜度为80%～90%进行尝试，以尽快找到最优解。除上述研究外，该设计报告中还对比了叶梢侧斜度为100%时，四种不同侧斜沿径向分布规律对一阶叶频处非定常力的抑制效果如图5.9所示。其中，规律1为从叶根至叶梢侧斜线性分布；规律2为侧斜主要集中于叶梢部位；规律3为0.2R～0.4R区间内为负侧斜（前侧斜），而0.4R至叶梢区间为线性正侧斜（后侧斜）；规律4为侧斜主要集中于0.4R～0.8R区间，而叶梢部位无侧斜。可以看出，单边线性侧斜（规律1）以及平衡线性侧斜（规律3）规律对于同时抑制轴向力和侧向力而言是非常好的选择；若对侧向力分量抑制有特殊需求，可以选择主要承载区间集中侧斜分布规律（规律4），而无须实现叶梢侧斜最大。

图5.9　叶梢侧斜度100%时不同侧斜分布规律对6叶桨非定常力的抑制效果比较

从上述7叶桨和6叶桨的设计研发过程以及相关试验测量数据可以看出，应用大侧斜以及选取线性侧斜分布规律是抑制叶频线谱处桨叶非定常力以及桨叶诱导船体脉动压力的较优选择，也是现代螺旋桨设计的发展趋势之一。但最优侧斜度不仅存在临界值，而且还与船尾伴流分布相关，需要进行比较尝试，才能最终取值。

为了更加清楚地从机理和影响机制方面阐述侧斜对螺旋桨水动力、空化以及振动和噪声性能的影响，再将焦点转移到美国海军船舶研究与发展中心于1971年针对5叶标准系列桨模的相关研究结果上来。桨模命名为DTMB 4381、DTMB 4382、DTMB 4383、DTMB 4384，叶截面厚度分布规律为NACA 66（Mod），拱度分布规律为NACAα=0.8，叶梢侧斜角分别为0°、36°、72°和108°，对应侧斜度分别为无侧斜、50%、100%和150%，4个桨的叶片弦长分布和最大厚度分布均相同，侧斜角沿径向均为线性分布规律，螺距分布和拱度分布略有不同，如图5.10和表5.3所示。正车与倒车敞水性能测量结果如图5.11、表5.4、图5.12和表5.5所示，空化斗测量结果如图5.13所示。(www.xing528.com)

可知，侧斜对螺旋桨正车敞水性能几乎无影响，但随着侧斜度的增加，倒车敞水性能逐渐下降，在等功率且推力负载系数相等时，4种侧斜度条件下倒车航速依次下降1.5%、8.0%和12.5%。从无侧斜到侧斜度为50%，桨叶空化斗范围明显加宽，空化初生延迟，抗空化性能显著提升；但侧斜度从50%增加至100%时，空化斗范围仅发生少量变化，虽然叶面可视梢涡空化初生稍有延迟以及偏离设计点处的重载工况点（J减小）叶背空化初生略有延迟，但是近设计点处的叶背可视梢涡空化初生反而略有提前，相当于螺旋桨空化初生临界航速反而降低，对于目前特别重视声隐身性能的舰艇推进器而言，相当于抗空化性能变差了；侧斜度进一步增加至150%时，该空化初生的变化趋势越发明显，不仅近设计点处的叶背可视梢涡空化初生明显提前了，空化斗范围也发生了偏移改变，相当于桨叶最佳空化性能工作点向轻载工况方向移动了。上述测量结果表明，对于抗空化性能而言，该5叶系列桨的最佳侧斜度应该位于50%～100%之间，且更宜靠近50%。若从综合正车和倒车敞水性能以及抗空化性能来看，该5叶系列桨的最佳侧斜度宜取为约50%，从而表明最佳侧斜度是有临界值的。

表5.3　5叶标准系列桨模型值

图5.10　5叶标准系列桨三维几何形状

（a）DTMB4381；（b）DTMB4382；（c）DTMB4383；（d）DTMB4384

图5.11　5叶标准系列桨模正车敞水性能测量结果

（a）无侧斜4381桨；（b）侧斜角36°4382桨；（c）侧斜角72°4383桨；（d）侧斜角108°4384桨

表5.4　侧斜系列5叶桨敞水性能

续　表

图5.12　5叶标准系列桨模倒车敞水性能测量结果

（a）无侧斜4381桨；（b）侧斜角36°4382桨

表5.5　侧斜系列5叶桨推力负载系数

图5.13　5叶标准系列桨模空化斗测量结果

此外，针对叶片数更少的4叶桨，空化多相流模拟得到的某4叶桨片空化形态随侧斜度变化的结果如图5.14所示，可知，对于抗空化性能而言，该4叶桨的最佳侧斜度约为67%，同样存在着临界值。同时，隶属于英国Rolls-Royce公司的某船4叶桨实尺状态下诱导的船体脉动压力测量结果也表明［28］，应用大侧斜是减小脉动压力的最有为效措施，但最佳侧斜度也存在临界值，且从抑制船体振动的角度来看，该桨的最佳侧斜度约为50%，如图5.15所示。

图5.14　某4叶桨不同侧斜度时片空化形态多相流模拟结果

图5.15　某船实尺4叶桨诱导的船体脉动压力测量值与计算值

综上所述，对于叶片数为4叶～7叶的典型舰艇螺旋桨而言，无论是对于敞水性能、空化初生性能，还是非定常力性能以及诱导的船体脉动压力性能，引入大侧斜都是一种积极有利的技术措施，且侧斜角沿径向呈线性分布规律是一种较优的选择，但是，最佳侧斜度存在着临界值，且该临界值不仅与叶片数有关，而且与船尾伴流轴向速度分布有关。从抑制非定常力、控制低频线谱噪声的角度来看，最佳侧斜度趋近于100%时，设计初值宜取为80%～90%；从提高空化初生临界航速、延迟空化初生的角度来看，最佳侧斜度趋近于50%时，设计初值宜取为50%～60%，通过定量比较后最终取值。上述通用性结论可在泵喷转子叶型设计过程中直接予以借鉴。