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      無(wú)梢渦螺旋槳試驗(yàn)研究

      2013-12-23 04:50:52張海泉萬(wàn)國(guó)橋
      關(guān)鍵詞:環(huán)量封板小翼

      張海泉 萬(wàn)國(guó)橋

      (1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430050;2.武漢市船舶檢驗(yàn)所,湖北武漢 430033)

      為了提高螺旋槳自身效率,使螺旋槳葉梢處不產(chǎn)生梢渦,以減少螺旋槳葉梢處能量的損失,因此開(kāi)展了無(wú)梢渦螺旋槳的試驗(yàn)研究。螺旋槳的升力線模型,是以一根升力線代替一個(gè)槳葉,其環(huán)量沿徑向是變化的,記為Г(r),由于環(huán)量沿徑向變化,其后逸出自由渦片,在半徑r處的dr區(qū)域逸出的自由渦強(qiáng)度等于Г`(r)=r(r)dr=-(dГ(r)/dr)*dr。

      因此,我們探索在螺旋槳葉梢處增加葉片的方法,使葉梢不產(chǎn)生旋渦,減少葉梢處能量損失,也稱無(wú)梢渦螺旋槳。早在八十年代,日本造船界就已經(jīng)對(duì)旋槳葉梢處增加葉片的方法進(jìn)行過(guò)探討,并在《日本造船學(xué)會(huì)編文集86》中發(fā)表過(guò)相關(guān)的內(nèi)容。

      1 無(wú)梢渦螺旋槳原理分析

      對(duì)于B4-66槳來(lái)說(shuō),有4個(gè)槳葉,共有4根升力線及相應(yīng)的4個(gè)螺旋自由渦面。由于螺旋槳葉梢處存在橫向繞流(槳葉相當(dāng)于三元翼展),使同一葉片的梢部上的壓力面和吸力面之力趨于相同,造成葉梢處升力為零,環(huán)量Г(r)=0,使渦強(qiáng)也為零。而且在r半徑的葉梢處逸出自由渦線,這種模型的自由渦可以渦片的形式延伸到遠(yuǎn)后方,實(shí)際在槳后不很遠(yuǎn)的地方將因變形而破裂、卷曲,形成處于梢、根處兩個(gè)渦卷。如果在葉梢處的截面上安裝一個(gè)與螺旋槳同軸旋轉(zhuǎn)面相切的的弧面封板,由于該封板能起著升力線徑向等值面的作用,使葉梢渦的強(qiáng)度有可能不會(huì)失效。由于封板的存在,使葉片端截面上的壓力面和吸力面之間存在一壓差,致使葉梢不產(chǎn)生旋渦,減少葉梢處能量損失。

      2 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

      首先我們選定試驗(yàn)?zāi)P停篕a4-70槳和AU-3型槳。

      (1)Ka4-70 槳。據(jù)有關(guān)資料研究,在推輪上廣泛使用的Ka系列槳,減少梢渦的方法是在槳葉梢加裝封板。因此我們選定Ka4-70槳為試驗(yàn)槳,比較槳葉加裝封板后敞水性能的變化。

      加裝封板后,整個(gè)槳的推力與轉(zhuǎn)矩為:

      T=ρZ∫RrhГ(r){2∏rn-UT(r)}{1-εtgβi(r)}dr-⊿T

      Q=ρZ∫RrhГ(r){VA+UA}{1+εctgβi(r)}rdr+⊿Q

      ⊿T 和⊿Q 為封板產(chǎn)生的負(fù)推力和對(duì)漿軸中心線的附加力矩

      ⊿T=SZρ{VA2+(∏Dn)2}A·sinβ

      ⊿Q =1/2·SZρ{VA2+(∏Dn)2}· A·Dcosβ

      封板寬度的選擇,要使因葉梢有限環(huán)流存在而產(chǎn)生的正效果,大于由于封板本身粘性阻力所造成的負(fù)效果,因此過(guò)大的寬度將使A 增大,從而⊿T 和⊿Q 增大,過(guò)小的寬度,又使Г(r)沒(méi)有明顯增加,起不到減少梢渦的作用。因此采用三種寬度的封板:B1=2.8%D=5mm,B2=5.6%D=10mm,B3=8.4%D=15mm。

      采用平板式的封板,能減輕葉片自身的重量,減少螺旋槳在葉梢處的負(fù)荷。封板與槳葉梢垂直安裝,這樣封板與螺旋槳同軸旋轉(zhuǎn)面完全相切,才能起到升力線徑向等值面的作用。如圖1所示。

      圖1 葉片的安裝位置

      (2)AU-3型槳。

      AU-3型槳的葉梢是園弧形的,對(duì)這種漿減少槳葉梢渦損失的最有效方法是在漿葉兩側(cè)的梢端加裝小翼。參照書(shū)[1]中介紹的最佳安裝角為本次試驗(yàn)研究的安裝角。即在AU-3型槳(DM=0.178m)、0.9R 處,安裝小翼。

      安裝工況為:上反角r1=r2=45°;安裝角α1=-4°,α2=6°;后掠角β1=10°,β2=30°。小翼安裝在葉梢后,其投影高度應(yīng)與原槳葉梢高度(0.1R)一致,因此小翼的高度為h=0.1R/sinr=0.0126(m)。小翼側(cè)斜角根據(jù)后掠角β1=10°,β2=30°來(lái)定,因此設(shè)計(jì)兩種形狀的小翼。如圖2、圖3所示。

      圖2 翼剖面形狀

      圖3 安裝位置圖

      3 無(wú)梢渦螺旋槳試驗(yàn)結(jié)果分析

      我們選用Ka4-70槳做敞水試驗(yàn),P/D=1.21,實(shí)槳D=1.88米,表1 為不加葉片和加葉片的敞水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比:

      表1 敞水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

      在Ka系列和B 系列螺旋槳上安裝葉片,經(jīng)過(guò)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J增大到0.6以后敞水效率有一定提高,但當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J小于0.6時(shí)敞水效率反而下降了,說(shuō)明葉片的安裝位置和角度還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究,以及在不同的螺旋槳上安裝葉片,也會(huì)產(chǎn)生不同的效果。此次試驗(yàn)研究為今后相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步深入研究打下了一定基礎(chǔ)。

      1 日本造船學(xué)會(huì)編文集

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