船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究
船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究
随着造船、航运业的发展,船舶的安全、节能、环保等性能越来越受到重视。作为目前最常用的推进装置,螺旋桨对船舶性能的影响很重要。
由于伴流场的非均匀性,螺旋桨旋转一周过程中其桨叶会以不同的攻角与来流相遇,容易使桨叶上产生空泡。螺旋桨空泡不仅会对桨叶产生剥蚀作用,还会产生噪声及引起尾部振动。
近年来,一方面船舶不断向大型化发展,而船舶吃水受港口、航道水深的限制,螺旋桨直径不能过分增大,于是导致螺旋桨负荷加重;另一方面,肥大型船得到广泛应用,其伴流场均匀性变差,螺旋桨的工作环境恶化。这两方面的原因使出现空泡、振动现象的可能性大为增加。
因而在现代船舶的螺旋桨设计过程中兼顾效率和空泡、振动等性能非常必要。本文针对螺旋桨水动力性能和空泡性能预报及其优化设计问题,开展了以下三方面的研究工作:一、基于CFD方法的船尾伴流场数值预报。
由于船尾伴流场对螺旋桨性能有重要影响,有必要对伴流场的影响因素进行研究。本文以某集装箱船为研究对象,采用前处理软件GMS进行线型建模,并在NAPA软件中进行线型参数化变换,然后采用CFD软件PARNASSOS求解船舶尾部伴流场,并与船模试验结果相比较以验证计算的准确性。
通过对不同方形系数、船体长宽比和尾部UV度等参数的尾部伴流场的研究,探明这些参数变化对伴流场的影响趋势。二、基于支持向量机和遗传算法的螺旋桨敞水性能优化。
由于图谱法设计螺旋桨简便实用,而且可为理论设计方法提供参考,本文首
先建立基于图谱的螺旋桨敞水性能优化设计方法。以敞水效率为优化目标,空泡
限界线为约束条件,进速系数、螺距比和盘面比为优化变量建立均匀流场中螺旋桨性能优化模型;采用支持向量机预报螺旋桨水动力性能,采用遗传算法求解优化模型。
通过将优化结果与商业软件CSPDP以及文献中的计算结果相比较,验证了本文方法的有效性,为非均匀流场中螺旋桨性能优化打下了基础。三、基于升力面法的非均匀流场中螺旋桨性能优化。
非均匀流场中螺旋桨性能预报的方法有升力线法、升力面法、面元法和计算流体动力学(CFD)方法。虽然CFD方法通常比其他方法的精度要高,但是对计算机硬件的要求也较高,计算效率相对较低,不适用于大量算例的计算。
为了兼顾计算效率和预报精度,本文采用升力面程序ANPRO预报螺旋桨的水动力性能和空泡性能。预报结果与试验观测结果的比较表明升力面法可以预报空泡范围变化的趋势。
在此基础上,分别以螺旋桨效率和空泡范围为优化目标,以不同半径处的螺距和拱度为优化变量,建立了优化模型并采用遗传算法进行求解。优化前后的性能对比表明,本文提出的方法可以在一定的螺旋桨效率下优化空泡性能或者在一定的空泡性能下优化螺旋桨效率。
船用螺旋桨的空泡效应
船用螺旋桨的空泡效应 船用螺旋桨的空泡现象 1、涡空泡 涡空泡发生在叶梢和毂部。桨叶随边出现的自由涡片的不稳定性，在尾端不远处就卷起两股大旋涡，在叶梢形成梢窝，在跟部处的涡汇集成毂涡。涡核中压力最低，当降至某一临界压力时就产生空泡。 2、泡状空泡 泡状空泡通常指在叶背上切面最大厚度处所产生的空泡，呈泡沫状。这时叶切面的攻角较小，导致没末出现负圧峰。 泡状空泡对螺旋桨的性能影响不大，但对桨叶材料有剥蚀作用。 3、片状空泡 片状空泡通常指在桨叶外半径部分导边附近产生，呈膜片状，长度不一。在攻角较大时最容易产生这类空泡。 超空泡流动：若空泡从叶切面导边一直延伸到随便以外，即叶片切面全部为空泡所覆盖。影响龙叶螺旋桨性能而无剥蚀作用。 局部空泡：若空泡起源于导边而在到随边之前结束。对螺旋桨有剥蚀作用。 空泡对螺旋桨性能的影响 第一阶段空泡对螺旋桨的水动力性能不产生影响，但使叶面产生剥蚀。 第二阶段空泡对螺旋桨的水动力性能产生影响，但对叶面无剥蚀作用。
延缓螺旋桨空泡发生的措施 1、从降低最大减压系数入手 减小叶跟附近切面的螺距。单桨船在叶根部分的拌流较大，易产生空泡现象，故可将根部切面的螺距适当减小，从而使该处的最大减压系数值降低，并易保持相当的叶宽以免厚度过大。 采用弓形切面或压力分布较均匀的其他切面形式，有利于延缓空泡的产生。 增加螺旋桨的盘面比，以减低单位面积上的平均推力，使叶背上的减压系数降低。 2、从提高螺旋桨的空泡数入手 尽量增加螺旋桨的浸没深度。 减小螺旋桨的转速，即尽可能选用低转速的主机。 提高桨叶的加工精度。 改善船尾部分的形状与正确安装桨轴位置可减小斜流拌流不均匀性的影响等。 3、其他措施 对高速船，特别是高速军舰而言，往往螺旋桨空泡在所难免。一般作如下处理： 允许桨叶上有部分空泡存在，在使用过程中应根据其剥蚀情况予以调换。 速度再高时，干脆设法促使其在第二阶段空泡下运转，即所谓全空泡（或称超空泡）螺旋桨的设计问题。
螺旋桨课程设计
螺旋桨图谱课程设计天津大学仁爱学院 姓名：陈旭东 学号：6010207038 专业：船舶与海洋工程 班级：2班 日期：2013.6.30
螺旋桨图谱课程设计 一．已知船体的主要参数 船 型：双机双桨多用途船 总 长: L=150.00m 设计水线长: WL L =144.00m 垂线 间长: PP L =141.00m 型 深: H=11.00m 设计 吃水: T=5.50m 型 宽: B=22.00m 方形 系数: B C =0.84 菱形 系数: P C =0.849 横剖面系数: M C =0.69 排水 量: ?=14000.00t 尾轴距基线距离: P Z =2.00m 二．主机参数 额定功率: MCR=1714h 额定转速: n=775r/min 齿轮箱减速比: i=5 旋向: 右旋 齿轮箱效率: G η=0.97 三．推进因子的确定 伴流分数 ω=0.248 ;推力减额分数 ; t=0.196 相对旋转效率 R η=1.00 ;船身效率 ;H η=11t ω --=1.0691 四．可以达到最大航速的计算 采用MAU 四叶桨图谱进行计算。 取功率储备为10% ，轴系效率S η=0.97 ，螺旋桨转速N=n/i=155r/min 螺旋桨敞水收到马力：D P = 1714 * 0.9 * S η*R η*G η =1714 * 0.9 * 0.97*1.00*0.97 =1451.43 (hp) 根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的P B δ-图谱列表计算如下：
项目 单位 数值 假定航速V kn 11 12 13 A V =(1-ω)V kn 8.27 9.02 9.78 0.5 2.5/P D A B NP V = 30.024 24.166 19.742 P B 5.479 4.916 4.443 MAU4-40 δ 65.4 59.732 54.377 P/D 0.692 0.728 0.764 0η 0.613 0.632 0.66 TE P =2D P ×H η×0η hp 1902.4 1961.38 2048.28 MAU4-55 δ 64 58.2 53.535 P/D 0.738 0.778 0.80 0η 0.588 0.614 0.642 TE P =2D P ×H η×0η hp 1824.83 1905.61 1992.41 MAU4-70 δ 63.3 57.4 52.8 P/D 0.751 0.796 0.842 0η 0.565 0.582 0.607 TE P =2D P ×H η×0η hp 1753.45 1806.21 1883.79 根据上表中的计算结果可以绘制TE P 、δ、P/D 及0η对V 的曲线，如图1所示。
船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究
船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究 2010年6月11日 摘要 基于螺旋桨水动力性能的升力面理论预报程序，利用iSIGHT软件进行指定负荷分布形式下桨叶螺距及拱度的优化设计研究，并对设计结果进行粘流CFD计算验证。以某集装箱船螺旋桨为母型桨，保持其原有的径向负荷分布形式，指定不同的弦向负荷分布形式，采用上述方法进行螺距及拱度的优化设计（桨叶其它参数与母型桨相同）。CFD计算表明，通过指定适当的负荷弦向分布，可以在保证效率的同时使桨叶表面压力分布更加均匀，从而推迟桨叶空化。 关键词：船舶、舰船工程；螺旋桨；优化；设计；升力面理论；CFD 0引言 随着船舶向大型化、高速化发展，对螺旋桨的综合性能要求日益提高。现代船舶螺旋桨设计在追求高推进效率的同时，还必须在复杂的船尾流场中尽量推迟乃至避免空化的发生，从而降低螺旋桨诱发的船体振动及噪声。为了满足这些相互制约的要求，螺旋桨优化设计方法的研究日益受到船舶工程界的重视。 传统的螺旋桨设计方法分为图谱设计和理论设计两大类，前者无法直接用于适伴流及大侧斜桨的设计，后者可分为升力线、升力面及面元方法等，能够处理伴流及侧斜问题，但对负荷面分布形式的处理比较单一，应用也不够广泛。近年来，优化方法在螺旋桨设计中的应用研究开始出现，性能计算采用系列桨性能试验回归公式或升力面、CFD等数值方法，优化采用遗传算法、序列二次规划法、DOE方法等，优化目标包括推力、效率、激振力或其组合，但尚未形成比较成熟的体系，与工程应用的要求也有较大距离。 Benini开发了基于遗传算法的系列螺旋桨多目标优化方法，采用试验数据的回归公式计算敞水性能。以敞水效率和推力最大化为目标、Keller空泡限界公式为限制条件，对B
螺旋桨空泡成因、影响和应对
螺旋桨空泡成因、影响和应对方法 Carl 天津大学 摘要：近二十年里，各种高性能船、新船型的出现，现代化船舶向大型、高速性的发展趋势，致使船舶的主机功率急剧增加，螺旋桨周围水的空化产生的空泡成为一个越来越大的问题。空泡会经历发生、溃灭，其过程是迅速且剧烈的，从而会导致剥蚀、震动、噪声等。由于螺旋桨特定类型的空泡和剥蚀的关系现在还没有被充分的认知。本文将阐述空化产生的原因，并针对螺旋桨空泡进行简单的分类，并分析不同类型的空泡的成因及其主要影响。最后从空化原理出发针对空泡的危害总结应对办法。关键词：螺旋桨，空泡，剥蚀，噪声 The causes,impact and restraint methods of propeller cavitation Abstract: In recent twenty years, a variety of high-performance ships and new ship forms are gradually emerged. The modern ship develops trending to larger and faster, which requires a significant increase of main engine power. Water around the propeller generates cavitation, which becomes a problem of concerning. The process of cavitation, concluding forming and crush, is swift and violent, which would lead to erosion, vibration, noise, etc. Due to the relationship between types and erosion of propeller cavitation has not been fully cognition, this paper will describe the causes of cavitation, carry on the simple classification for propeller cavitation, and analysis the causes of different types of cavity. Finally embarking from the cavitation principle, this paper will summarize the methods for restraining propellercavitation. Keywords: propeller, cavitation, erosion, noise 1引言 1753 年，Euler 曾推测出水管中某处的压强降低到某一负值时，水自管壁分离，而在该处形成一个真空空间。这是人们首次预测空化的发生。 螺旋桨的空泡现象，从十九世纪末开始就引起了造船界的注意。机械工业的迅速发展首先解决了高速舰船的动力学问题，各国都大速提高军舰的速度。对于当时的建造水平和技术来说，正常情况下舰船一般能达到预期的速度要求。但是 1894 年英国的“勇敢”号小型驱逐舰在试航的时候，突然出现主机功率、转速和航速都比初始所要设计的差了许多。此后，对螺旋桨进行了许多次的修改设计，但每次试航的结果都相差无几，甚至在尾部还出现剧烈振动。直至修改增加盘面比，其他参数不变，才达到预定的要求。[1] 1897年 Barnaby 和 Parsons 在对英国鱼雷艇和“勇敢”号蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件进行调查之后，第一次明确地提出了空化这一概念，并指出在液体和固体间存在高速运动的场合可能出现空化。由空化产生空泡，进而引发的工程问题，这促使人们加强对空化与空泡的研究。[2] 在船上很多位置中都会发生空化现象，如船舶所用的螺旋桨、舵、龙骨甚至船体本身都会发生空化。而螺旋桨相对于水的局部速度最大，其空化现象最为明显。 螺旋桨空泡对螺旋桨的水动力性能影响非常大，空泡所产生的脉动压力容易导致船体的严重地不规则性的振动还伴随着辐射噪声，这对有些船舶和潜器都是致命性的影响，比如在游轮上，振动和噪声会直接影响游轮舒适性以致直接影响其经济效益。军事上，为了减少舰船被敌方发现的概率，应当最大限度地降低其辐射噪声，否则将会对舰船和人员的生命安全造成严重的威胁。此外，螺旋桨上的空泡溃灭会直接剥蚀桨叶破坏螺旋桨表面结构进而影响其耐腐蚀性。 2空泡的概念
船用螺旋桨的设计关键分析
船用螺旋桨的设计关键分析 船、机、桨系统中，船体是能量的需求者，主机是能量的发生器，螺旋桨是能量转换装置，三者之间是相互紧密联系的，但同时又要遵从各自的变化特性。 1.螺旋桨 民用船使用的图谱桨，一般以荷兰的B型桨和日本的AU桨为主。AU桨为等螺距桨、叶切面为机翼型；B型桨根部叶切面为机翼型、梢部为弓形，除四叶桨0.6R至叶根处为线性变螺距外，其余均为等螺距，桨叶有15°的后倾。为便于设计方便，由．KT、KQ——J敞水性征曲线图转换为BP一δ图谱。 桨与船体各自在水中运动时，都会形成一个水流场。水流场与桨的敞水工作性能和船的阻力性能密切相关。当桨在船后运动时，2个原本独立的水流场必然会相互作用、相互影响。船体对螺旋桨的影响体现在2个方面：（1）伴流。由于船尾部螺旋桨桨盘处因水的粘性等因素作用，形成一股向前方向的伴流，使得螺旋桨的进速小于船速。（2）伴流的不均匀性。船后桨在整个桨盘面上的进速不等(在实用上可取相对旋转效率为1)。 2.螺旋桨对船体的影响 由于螺旋桨对水流的抽吸作用，造成桨盘处的水流加速，由伯努利定律可知，同一根流线上，水质点速度加快，必然会导致压力下降，从而造成船的粘压阻力增加。也就是桨产生的推一部分用于克服船体产生的附加阻力。 如果用伴流分数ω表征伴流与船速的比值，用推力减额t表征船体附加阻力与船体自身阻力的比值。那么，敞水桨与船后桨的差别就在于一个船身效率(1一t)／(1一ω)从中可以看出，伴流分数ω越大、推力减额t越小，则船身效率越高。 从螺旋桨图谱可以看出，横坐标的参数为√BP或BP。BP称为收到功率系数(或称为载荷系数)，其值为：BP=NPD0.5 /VA2.5式中：N为螺旋桨转速；PD为螺旋桨敞水收到功率；VA为螺旋桨进速。 BP值越小，对应的螺旋桨敞水效率越高；反之，则螺旋桨效率越低。从个体因素来讲，N值和PD0.5 /VA2.5值越小，BP 值就越小。PD和VA参数有联动关系，在相对低速的范围内，PD值变大、BP值变小；在相对高速的范围内，PD值变大、BP值也变大。这取决于船的阻力特性。 实际船螺旋桨设计时，还要考虑以下的先决条件：螺旋桨直径有无限制、船舶航速的具体要求。 一般情况下，螺旋桨设计工况都对应船舶满载航行的状态，在该航行状态下，主机发出预定功率、螺旋桨效率达到最佳，船、机、桨匹配理想。但如果设计参数选择不当，就会造成螺旋桨产生“轻载”或“重载”的现象，“轻载”是指螺旋桨达到设计转速后，不能充分吸收主机的转矩，主机发不出预定功率；“重载”是指螺旋桨还未达到设计转速时，主机转矩已达到最大值，主机同样发不出预定功率。 螺旋桨设计产生“轻载”还是“重载”现象，主要取决于2个方面：(1)伴流分数ω、推力减额t取值是否正确。(2)船舶阻力计算的误差。 如选取的伴流分数ω大于船后实际值，则螺旋桨不能吸收预定的功率和发出要求的推力，从而无法达到预定的航速，螺旋桨处于“轻载”状态；反之螺旋桨处于“重载”状态。
船用螺旋桨的设计原理培训课件
船用螺旋桨的设计原 理
船用螺旋桨的设计原理 摘要：螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为船的前进提供的推力。 螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶线型设计，并通过估算或用船模试验的方法确定了船体有效功率之后进行的。船在水面或水中的航行时遭受阻力，为了使船舶能保持一定的速度向前航行，必须供给船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠专门的装置或机构通过吸收主机发出的能量并把它转换成推力而得，而这种专门吸收与转换能量的装置或转换能量的装置或机构统称为推进器。推进器种类很多，例如风帆，民轮，直叶推进器，喷水推进器及龙叶螺旋桨等，螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是目前应用最广的推进器。 结构组成 螺旋桨俗称车叶，通常由桨叶和浆毂组成。螺旋桨与尾轴连接部分叫浆毂，浆毂是一个锥形体。为了减小水的阻力，在浆毂后端加一整流罩，与浆毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。 螺旋桨在水中产生推力的部分叫桨叶，桨叶固定在浆毂上。普通螺旋桨常为3叶或4叶，2叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近年来有些船舶（如大吨位大功率的油船），为避免震动而采用5叶或5叶以上的螺旋桨。 由船尾向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂连接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时先入水的一边称为导边，另一边称为随边。螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径，以D表示。梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积以Ao表示，可用下式表示它们之间的关系：Ao=πD2/4。 结构计算要素 1）螺旋桨直径：首先考虑与尾型和吃水的关系，在绘制船体线型时，已基本决定了螺旋桨的轴线位置和可能的最大直径。从尾型和吃水条件看，普通船舶的螺旋桨直径大约在下列范围：单桨D=(0.7~0.8)Tw;双桨D=(0.6~0.7)T w. 式中Tw为船舶满载时的船尾吃水。只要螺旋桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水效率最佳的螺旋桨直径。但是由于船后伴流不均匀性的影响，敞水最佳直径与船后最佳直径略有差别。随着伴流不均匀的程度，最佳直径应有不同程度的减小：单桨所处的位置的伴流不均匀性较大，最佳直径要减3~5%；双桨所处的位置伴流比较均匀，最佳直径约减少2~4%。 2）盘面比：若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和转距均随盘面比的增加而增大。但盘面比大时，翼栅作用较甚，桨叶的摩擦阻力也较大，螺旋桨的效率就较低。盘
船舶推进器螺旋桨研究
船舶推进器螺旋桨研究 一，船用推进器的发展历程。 船舶推进器的种类很多，最古老的要算篙了，它可撑着 船前进。后来又发明了桨和橹，它们一直沿用至今。随后是 利用风帆作为推进工具，出现了多种形式的帆船。随着机器 在船上的应用，就出现了明轮推进器。19世纪初出现了螺旋 桨推进器。为了证明螺旋桨的优越性, 英国海军组织了一场 有趣比赛:把动力相当的“响尾蛇号”螺旋桨轮船和“爱里克 托号”明轮进行了竞赛。两艘船的船尾用粗缆绳系起来，让 它们各朝相反的方向驶去。“响尾蛇号”的螺旋桨飞快地旋 转，“爱里克托号”的明轮猛烈地向后拨水。先是互不相让，但过了一会儿，“响尾蛇号”就把“爱里克托号”拖走了。 这场比赛证明了螺旋桨的优越性。从此，螺旋桨轮船就取代 了明轮。 二，螺旋桨的基本构造与在船舶中的应用基本知识。 螺旋桨俗称车叶，由若干桨叶所组成。桨叶的数目通常为 三叶、四叶或五叶，各叶片之间相隔的角度相等。螺旋桨通常 装在船的尾部，螺旋桨与艉轴的连接部分称为毂，桨叶就固定 在毂上。有船尾向船首看时，所看到的螺旋桨桨叶的一面称为 叶面（压力面），另一面称为叶背（吸力面）。桨叶的外端为 叶梢，而与毂的连接处称为叶根。螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨 迹为梢圆，此圆称为螺旋桨桨盘，直径称为螺旋桨直径，其面 积称为盘面积。 螺旋桨正车旋转时，有船尾向船首看所见到的旋转方向为 顺时针方向的称为右旋桨，反之为左旋桨。双桨船的螺旋桨装 在船尾二侧，正常旋转时，若其上都向着船中线转动的称为内 旋桨，反之为外旋桨。螺旋桨直径的大小往往受到船舶吃水的 限制。一般来说，螺旋桨直径愈大转速愈低，其效率愈高。螺 旋桨与船的尾框要有良好的配合，避免叶尖露出水面而影响效率。螺旋桨船体间隙要适当，以避免引起严重的振动。 三，船用螺旋桨的工作原理。
可调螺距螺旋桨的优化设计及制造【开题报告】
开题报告 船舶与海洋工程 可调螺距螺旋桨的优化设计及制造 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 螺旋桨在很早之前就已经被人们当做一种船用推进器，经过多年的开发研究，现在的螺旋桨被开发了很多个系列。按螺旋桨安装位置的不同可以分为首推.尾推.侧推。按照螺旋桨的螺距调节性可以分为可调螺距螺旋桨和固定螺旋桨。 可调螺距螺旋桨作为一种新兴的推进器，以其自身的优点已经慢慢变成了一种主流的推进器。可调桨技术来源于国外，世界知名的推进器制造商有：瑞典的卡梅瓦(KAMEWA)、芬兰的瓦锡兰（WASILTA）、德国的肖特尔（SCHOTTEL）、挪威的博格（BERE）。卡梅瓦的调距桨技术全世界首屈一指，“Aquamaster”是其旗下世界知名的全回转舵桨品牌，现在卡梅瓦被英国罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）兼并，但是人们一直对“卡梅瓦”津津乐道，当初卡梅瓦是世界上生产调距桨最大的公司，根据生产卡普兰水轮机的经验，该公司从1937年即生产出第一台船用调距桨，全球多家公司均引进卡梅瓦专利进行生产，如日本三菱公司、美国伯德.约翰逊公司等。肖特尔的产品有可调桨、侧向推进器、舵桨、喷水推进器等，其SRP舵桨是世界第一品牌。瓦锡兰不但生产推进器，还是世界上最著名的柴油机制造商，兼并了荷兰的列泼斯（LIPS）推进器，列泼斯是专门生产推进器的厂商，创立于1928年，是世界上从事调距桨生产较早的公司之一，在日本、法国、美国、意大利、西班牙、加拿大等地均有该公司子公司或制造商，其产品涵盖侧推、调距桨、定距桨、舵桨、喷水推进器等，并入瓦锡兰后其推进器品牌仍为LIPS。 在国内，可调螺距螺旋桨的发展与研究也已经越来越受人们的重视，其中主要的设计制造单位有前进马森船舶传动有限公司，镇江中船瓦锡兰螺旋桨有限公司，南京高精传动设备制造集团有限公司等 鉴于国内可调螺距螺旋桨的蓬勃发展，国内对可调螺旋桨的研究迫在眉睫，各大螺旋桨生产商不是自行花大力研究，就是向国外购买一些比较成熟的技术，真的可以说是无所不用其极，努力发展可调螺旋桨的技术，即便如此，国内可调螺旋桨的技术还
导管螺旋桨内流场的PIV测量
第21卷 第2期实验流体力学V ol.21,N o.2 2007年06月Journal of Experiments in F luid Mech anics Jun.,2007 文章编号:167229897(2007)022******* 导管螺旋桨内流场的PIV测量Ξ 张 军1,张志荣1,朱建良1,徐 锋1,陆林章1,代 钦2 (1.中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214082;2.上海大学,上海 200072) 摘要:内流场对于导管螺旋桨的设计和性能分析是至关重要的,利用随车式PI V在中国船舶科学研究中心拖 曳水池进行了导管螺旋桨的内流场测量。使用标靶技术建立了物像对应关系,从而修正导管曲率和厚度产生的图 象畸变。使用同步控制器实现螺旋桨相位、CC D摄像和激光器的精确同步控制。试验分别在三个不同进速系数J =1.2,1.0和0.8下进行。 试验结果很好地反映了螺旋桨梢涡、毂部涡、以及螺旋桨上下表面脱落的旋向相反的尾涡,以及近导管内壁、桨毂壁面涡层等流动特征。试验表明,涡强都随着进速系数的减小而增加。与螺旋桨前流动相比,导管内螺旋桨 后轴向速度沿径向分布的不均匀性明显增强。试验结果表明,对于导管厚度与曲率都空间变化的导管螺旋桨,应 用PI V技术进行内流场测量在技术上是可行的。 关键词:导管螺旋桨;内流场;PI V 中图分类号:U661.3 文献标识码:A I nvestigation of internal flow field of ducted propeller using particle image velocimetry ZHANGJun1,ZHANG Zhi2rong1,ZHU Jian2liang1,X U Feng1,LU Lin2zhang1,DAI Qin2 (1.China Ship Scientific Research Center,Wuxi Jiangsu 214082,China;2.Shanghai University,Shang2 hai 200072,China) Abstract:Analysis of internal flow field is very im portant to the design and performance prediction of ducted propeller.The towing PI V is applied to measure the internal flow field of ducted propeller in a towing tank(150m×7.0m×4.5m)of CSSRC.A body2fitted target is used to calibrate the image distortion caused by the duct.The synchronizer controls laser and CC D to operate at preset angular position of propeller blade. The test is carried out at three advanced coefficients J=1.2,1.0and0.8respectively. The test results show clearly the flow characteristics of tip v ortex,hub v ortex,and trailing edge v ortex (TE V)shedding from the upper and lower surface of propeller blade,and the v ortices layer near boundary of the duct and hub.And it als o reveals the variation trends of velocity field,v orticity distribution with advanced coefficients.The results from this test prove that the PI V technique is suitable to measure the internal flow field of ducted propeller. K ey w ords:ducted propeller;internal flow field;PI V Ξ收稿日期:2006206204;修订日期:2006211216 基金项目:水动力学国防科技重点实验室基金项目(514430101ZS210). 作者简介:张 军(1967-),男,江苏如东人,研究员.研究方向:船舶水动力学.
船舶快速性螺旋桨设计
课程设计成果说明书 题目：散货船螺旋桨设计 学生姓名：杨再晖 学号：101306119 学院：东海科学技术学院 班级：C10船舶1班 指导教师：应业炬 浙江海洋学院教务处 2013年 6月 21日
浙江海洋学院课程设计成绩评定表 2012 —2013 学年第 2 学期 学院东海科学技术学院班级 C10船舶1班专业船舶与海洋工程
摘要 螺旋桨是船舶的重要组成部分之一，没有它，船舶就无法快速的前行，是造船行业必备的推进部位。螺旋桨设计是船舶设计过程中有关船舶快速性性能设计的重要组成部分，它的设计精度将直接影响船的推进效率。 在船舶线型初步设计完成后，通过有效马力的估算或船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。在此基础上，设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机功率小；或者当主机已选定，设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨，本次课程设计属于第二种。 影响螺旋桨性能的因素有很多，主要有螺旋桨的直径，螺距比，盘面比，桨叶轮廓形状等因素。本次课程设计是用船体的主要参数、主机与螺旋桨螺旋桨参数、设计工况算出以上数据，设计一个螺旋桨，并用CAD软件画出螺旋桨的外形。 关键词：螺旋桨设计；图谱；AUTOCAD
目录 1、已知船体的主要参数 (1) 2、主机与螺旋桨参数 (1) 3、设计工况 (1) 4、按船型及经验公式确定推进因子 (2) 5、可以达到最大航速的计算 (2) 6、桨叶空泡校核，确定螺旋桨主要参数 (4) 7、桨叶强度校核 (6) 8、螺距修正 (8) 9、重量及惯性矩计算 (8) 10、绘制螺旋桨水动力性能曲线 (9) 11、系柱特性与航行特性计算并绘制航行特性曲线图 (10) 12、航行特性计算时取3挡转速按下表进行： (11) 13、螺旋桨计算总结 (13) 14、感想 (14) 15、参考资料 (14)
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计 利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。 标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计 Abstract：The model of marine propeller is processed by UG software，and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly，the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed，and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally，the optimized bracing scheme is determined，and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining. Keywords：ANSYS finite element analysis；propeller modal analysis；optimal design 螺旋槳是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。本文主要利用有限元分析软件ANSYS对一种型号的船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。 1 模型处理 利用三维建模软件UG对现有的螺旋桨设计模型进行简单处理，避免在后续有限元分析时遇到的一些问题。如图1所示为螺旋桨的设计模型，直径3300mm，在叶梢位置由于建模方法的原因，存留有没有闭合的曲线，对后续有限元的网格划分会带来影响，所以，利用一直径为3290mm的同心圆柱面截取设计模型，截去叶梢的尖角部分，对模型整体模态的影响可以忽略不计，处理如图2所示。另外，根据螺旋桨的结构特点，靠近桨毂部分结构较复杂，靠近叶梢部分结构简单，所以为了在后续的单元划分时保证较高精度的同时又花费较少时间，在模型处理时将螺旋桨分割为两部分实体，一部分是包含桨毂，另一部分包含叶片。最后将处理完成的模型导出x_t格式文件，以便ANSYS软件导入。
减少舵的空泡现象的探讨
减少舵的空泡现象的探讨 管悦然 （江苏科技大学江苏镇江２１２００３） 摘要：本文描述了几类舵的空泡现象，以及用于预测其出现的方法，并提出了可以减小或避免舵的空泡现象的设计方法，介绍了减轻舵空蚀现象的措施。 ０引言 船舶附体的空泡现象的生成导致了例如剥蚀、结 构振动和效率低下等不理想的结果，并且性能的降低 和额外的修理明显减少了船舶营运的收益。另为安全 起见，也必须要避免舵被大面积剥蚀。为此，德国劳埃 德船级社提出了一些建议来预防舵的空泡现象。 空泡腐蚀在船速超过２２ｋｎ，螺旋桨达到高载荷（Ｐ／ （０．２５Ｄ２π）＞７００ｋＷ／ｍ２，Ｐ表示螺旋桨功率，Ｄ指螺旋桨 直径）时才会出现。空泡腐蚀研究只有发生在用于航行 保持的舵角±４ｏ变化范围内时，才有实际意义。大舵角（大于１５ｏ）的空泡现象是不可避免的。为了减小或避免舵的空泡，尤其在设计阶段，应实行空泡危险评估。高流速导致低压力。如果压力下降到水蒸汽压力以下，空泡就形成并被蒸汽填满，当压力增大时空泡就消失了。空泡形成与爆破极为迅速。空泡现象包括非线性多相流的高复杂物理过程。当小水泡被蒸汽填满，在舵叶表面或靠近舵叶表面的地方产生内爆，就会产生空泡腐蚀。由此，导致了舵叶面的小裂纹和材料的剥蚀，海水也将进一步扩大其腐蚀程度（材料电镀的缺失）。为了估算流体空泡现象的可能性，定义无因次空泡数为：σ＝Ρ－ΡＶ ０．５ρＶ２ Ｐ代表大气压力和水静压力，ＰＶ代表饱和蒸汽压力（当水温为１５℃时，ＰＶ＝１７００Ｐａ）。在理想液体中，空泡现象产生于局部压力降至汽化压力的时候；实际上，空泡现象提早就出现了。 以下列举了不同类型的空泡现象： ●舵叶梢的空泡（见图１） ●舵底承的空泡现象（见图２） 由于舵两边压力不同，吸力面的压力会在舵底承周围产生分流而导致舵梢涡，这种涡空泡如果和叶梢相接将会造成材料损耗。 图１舵的空泡现象 图２舵底空泡腐蚀 ●螺旋桨梢涡空泡现象 空泡水管中的压力降低到一定值时，螺旋桨将导致梢涡的发生。在螺旋桨后面，梢涡会形成螺旋形的涡空泡并与舵相接（见图３）。 ●螺旋桨毂涡空泡现象 螺旋桨叶毂处的涡汇集一起，形成毂涡（见图４）。 ●表面不平处的空泡现象 表面的不平度会影响流过凸形表面和桨叶端部时的层流速度，引起低压，从而导致频繁的空泡腐蚀（见图５）。 ●间隙空蚀 ６
浅谈船舶螺旋桨的设计
浅谈船舶螺旋桨的设计 目录 目录 (1) 2 摘要 ...................................................... 关键词 (2) 引言 (2) 1结构与计算要素 .......................................... 1.1结构组成 ............................................ 1.2计算要素 ............................................ 2项目设计过程及结果与分析 ................................ 2.1船体估算数据 ....................................... 2.2螺旋桨要素选取及结果与分析 .......................... 2.3推力曲线及自由航行计算及结果与分析 .................. 2.4计算总结 ............................................ 2.5螺旋桨模型的敞水实验 ................................ 3螺旋桨设计的发展 ....................................... 3.1节能减排促使螺旋桨加快创新 ......................... 结束语 ................................................... 3 3 3 5 6 6 7 9 9 11 11 13 14 14 14 参考文献 ................................................. 致谢 ..................................................... 附录 .....................................................
船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究
船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究 随着造船、航运业的发展,船舶的安全、节能、环保等性能越来越受到重视。作为目前最常用的推进装置,螺旋桨对船舶性能的影响很重要。 由于伴流场的非均匀性,螺旋桨旋转一周过程中其桨叶会以不同的攻角与来流相遇,容易使桨叶上产生空泡。螺旋桨空泡不仅会对桨叶产生剥蚀作用,还会产生噪声及引起尾部振动。 近年来,一方面船舶不断向大型化发展,而船舶吃水受港口、航道水深的限制,螺旋桨直径不能过分增大,于是导致螺旋桨负荷加重;另一方面,肥大型船得到广泛应用,其伴流场均匀性变差,螺旋桨的工作环境恶化。这两方面的原因使出现空泡、振动现象的可能性大为增加。 因而在现代船舶的螺旋桨设计过程中兼顾效率和空泡、振动等性能非常必要。本文针对螺旋桨水动力性能和空泡性能预报及其优化设计问题,开展了以下三方面的研究工作:一、基于CFD方法的船尾伴流场数值预报。 由于船尾伴流场对螺旋桨性能有重要影响,有必要对伴流场的影响因素进行研究。本文以某集装箱船为研究对象,采用前处理软件GMS进行线型建模,并在NAPA软件中进行线型参数化变换,然后采用CFD软件PARNASSOS求解船舶尾部伴流场,并与船模试验结果相比较以验证计算的准确性。 通过对不同方形系数、船体长宽比和尾部UV度等参数的尾部伴流场的研究,探明这些参数变化对伴流场的影响趋势。二、基于支持向量机和遗传算法的螺旋桨敞水性能优化。 由于图谱法设计螺旋桨简便实用,而且可为理论设计方法提供参考,本文首 先建立基于图谱的螺旋桨敞水性能优化设计方法。以敞水效率为优化目标,空泡
限界线为约束条件,进速系数、螺距比和盘面比为优化变量建立均匀流场中螺旋桨性能优化模型;采用支持向量机预报螺旋桨水动力性能,采用遗传算法求解优化模型。 通过将优化结果与商业软件CSPDP以及文献中的计算结果相比较,验证了本文方法的有效性,为非均匀流场中螺旋桨性能优化打下了基础。三、基于升力面法的非均匀流场中螺旋桨性能优化。 非均匀流场中螺旋桨性能预报的方法有升力线法、升力面法、面元法和计算流体动力学(CFD)方法。虽然CFD方法通常比其他方法的精度要高,但是对计算机硬件的要求也较高,计算效率相对较低,不适用于大量算例的计算。 为了兼顾计算效率和预报精度,本文采用升力面程序ANPRO预报螺旋桨的水动力性能和空泡性能。预报结果与试验观测结果的比较表明升力面法可以预报空泡范围变化的趋势。 在此基础上,分别以螺旋桨效率和空泡范围为优化目标,以不同半径处的螺距和拱度为优化变量,建立了优化模型并采用遗传算法进行求解。优化前后的性能对比表明,本文提出的方法可以在一定的螺旋桨效率下优化空泡性能或者在一定的空泡性能下优化螺旋桨效率。
某沿海单桨散货船螺旋桨设计计算说明书
某沿海单桨散货船螺旋桨 设计计算说明书 刘磊磊 2008101320 2011年7月
某沿海单桨散货船螺旋桨设计计算说明书 1.已知船体的主要参数 船长 L = 118.00 米 型宽 B = 9.70 米 设计吃水 T = 7.20 米 排水量 △ = 5558.2 吨 方型系数 C B = 0.658 桨轴中心距基线高度 Zp = 3.00 米 由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下： 航速V （kn ） 13 14 15 16 有效马力PE （hp ） 2160 2420 3005 4045 2.主机参数 型号 6ESDZ58/100 柴油机 额定功率 Ps = 5400 hp 额定转速 N = 165 rpm 转向 右旋 传递效率 ηs=0.98 3.相关推进因子 伴流分数 w = 0.279 推力减额分数 t = 0.223 相对旋转效率 ηR = 1.0 船身效率 0777.111=--= w t H η 4.可以达到最大航速的计算 采用MAU 四叶桨图谱进行计算。 取功率储备10%，轴系效率ηs = 0.98 螺旋桨敞水收到马力： P D = 4762.8 hp
根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的Bp --δ图谱列表计算： 项 目 单位 数 值 假定航速V kn 13 14 15 16 V A =(1-w)V kn Bp=NP D 0.5/V A 2.5 Bp MAU 4-40 δ P/D ηO P TE =P D ·ηH ·ηO hp MAU 4-55 δ P/D ηO P TE =P D ·ηH ·ηO hp MAU 4-70 δ P/D ηO P TE =P D ·ηH ·ηO hp 据上表的计算结果可绘制PT E 、δ、P/D 及ηO 对V 的曲线，如下图所示。
船舶螺旋桨的设计
摘要 螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为船的前进提供的推力。 螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶线型设计，并通过估算或用船模试验的方法确定了船体有效功率之后进行的。影响螺旋桨推进性能的因素很多，在本设计过程中主要对螺旋桨的直径、螺距比、盘面比、桨叶轮廓形状等因素进行研究，并通过在工作中积累的经验，设计一艘内河A级拖船的螺旋桨。 关键词 螺旋桨直径螺距比盘面比桨叶轮廓形状 Abstract Propeller is a necessary promoting components of shipbuilding industry, which be used to providing thrust for ship moving. Its design precision will directly affect the forward speed of the ship. The propeller design the whole ship design is a vital part of the ship, it is to guarantee an important aspect of the swiftness. General propeller design is in preliminary finished ship lines design, and through the estimation or with model test method to determine the hull effective power after. Affect the propeller to advance performance in the many factors in the design process of the propeller diameter, mainly pitch than, than, disk blades factors such as profile, and through the experience in work, design an inland ship class A tug propeller Keywords Propellers diameter pitch of screws ratio pie area ratio paddle outline
螺旋桨空泡成因、影响和应对
螺旋桨空泡成因、影响和应对
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螺旋桨空泡成因、影响和应对方法 Ｃarｌ天津大学 摘要：近二十年里，各种高性能船、新船型的出现,现代化船舶向大型、高速性的发展趋势,致使船舶的主机功率急剧增加,螺旋桨周围水的空化产生的空泡成为一个越来越大的问题。空泡会经历发生、溃灭，其过程是迅速且剧烈的,从而会导致剥蚀、震动、噪声等。由于螺旋桨特定类型的空泡和剥蚀的关系现在还没有被充分的认知。本文将阐述空化产生的原因,并针对螺旋桨空泡进行简单的分类，并分析不同类型的空泡的成因及其主要影响。最后从空化原理出发针对空泡的危害总结应对办法。 关键词:螺旋桨,空泡，剥蚀,噪声 Tｈe causes, impａｃtａｎd rｅstraｉnt mｅthods ofｐrｏpellｅｒca ｖitaｔion Abｓtract:In recｅｎt twentｙyears, a varｉetｙｏf ｈiｇｈ－pｅrｆorｍance ships ａnd ｎｅw sｈip formｓaｒe ｇrａｄually emerged. Ｔhe modｅrn shiｐｄevelｏps trendinｇto ｌaｒgeｒaｎｄfａsｔｅr, which reｑuirｅs a signifｉcant ｉncrease of main engiｎe ｐower. Water arounｄｔheｐropelｌer ｇeｎeｒatesｃａvitatioｎ, whicｈbeｃomeｓa problem of ｃonｃｅrning.Tｈe ｐroｃeｓs of caviｔａｔioｎ，ｃonｃｌuding formｉnｇa ｎｄcruｓh,is ｓwifｔanｄviolent,ｗhich would lead to eｒosｉon, vｉｂｒatioｎ, noiｓe，ｅtc.Due to thｅrelaｔioｎｓhｉｐbｅｔｗeen typeｓaｎd eroｓion of ｐropeｌler cａvitation has noｔｂｅｅn fully cogniｔion, tｈｉｓpａpｅｒｗill dｅsｃｒibe the causes of ｃa ｖｉｔatiｏn, carry on ｔhe siｍple clａssiｆicatioｎｆｏｒpｒｏｐelleｒcａvｉｔａtion,ａnd anaｌｙｓｉs the cauｓes of diffｅrent types oｆcavity．Fｉnａｌｌｙemｂarking from the caｖitaｔion ｐｒincｉpｌe, thiｓｐaper will summaｒizｅｔheｍｅthods for resｔraｉnｉng propelｌer cavitaｔｉｏn. Ｋｅyｗｏrds: prｏｐelｌeｒ, cavitａtion, eｒosiｏn, nｏiｓｅ １引言 1７53 年，Euler 曾推测出水管中某处的压强降低到某一负值时,水自管壁分离，而在该处形成一个真空空间。这是人们首次预测空化的发生。 螺旋桨的空泡现象,从十九世纪末开始就引起了造船界的注意。机械工业的迅速发展首先解决了高速舰船的动力学问题，各国都大速提高军舰的速度。对于当时的建造水平和技术来说,正常情况下舰船一般能达到预期的速度要求。但是１894 年英国的“勇敢”号小型驱逐舰在试航的时候,突然出现主机功率、转速和航速都比初始所要设计的差了许多。此后,对螺旋桨进行了许多次的修改设计,但每次试航的结果都相差无几,甚至在尾部还出现剧烈振动。直至修改增加盘面比，其他参数不变,才达到预定的要求。[1] 1８９7年 Baｒnabｙ和Ｐａｒsons 在对英国鱼雷艇和“勇敢”号蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件进行调查之后，第一次明确地提出了空化这一概念，并指出在液体和固体间存在高速运动的场合可能出现空化。由空化产生空泡,进而引发的工程问题，这促使人们加强对空化与空泡的研究。［2] 在船上很多位置中都会发生空化现象,如船舶所用的螺旋桨、舵、龙骨甚至船体本身都会发生空化。而螺旋桨相对于水的局部速度最大,其空化现象最为明显。 螺旋桨空泡对螺旋桨的水动力性能影响非常大，空泡所产生的脉动压力容易导致船体的严重地不规则性的振动还伴随着辐射噪声，这对有些船舶和潜器都是致命性的影响,比如在游轮上,振动和噪声会直接影响游轮舒适性以致直接影响其经济效益。军事上，为了减少舰船被敌方发现的概率,