舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (5): 40-43    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2020.05.008   PDF    
Kappel螺旋桨变参数水动力性能研究
秦耀明, 赖海清, 严姬, 李明敏     
广州船舶及海洋工程设计研究院,广东 广州 510250
摘要: Kappel螺旋桨由于其性能优异,在市场上表现出了强劲的竞争力。但关于这种螺旋桨参数对其水动力性能影响的分析文章极少,本文利用CFD软件分别对普通螺旋桨和Kappel螺旋桨进行了水动力性能计算,结果表明叶梢有载的Kappel螺旋桨可提高螺旋桨效率约4%;系统地探讨了纵倾、侧斜、弦长等参数对螺旋桨水动力性能、压力分布的影响,为推广这种高效能螺旋桨提供了设计参考。
关键词: Kappel     CFD     水动力性能    
Analysis and research on the hydrodynamic performance of Kappel propeller with variable parameters
QIN Yao-ming, LAI Hai-qing, YAN Ji, LI Ming-min     
Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250, China
Abstract: Due to its excellent performance, Kappel propeller has shown strong market competitiveness since it was proposed. However, there are few analysis articles about the influence of such propeller parameters on its hydrodynamic performance. In this paper, CFD software is used to calculate the hydrodynamic performance of common propeller and Kappel propeller respectively. The results show that the Kappel propeller with blade tip loaded can improve the propeller efficiency by about 4%.Then the influence of the parameters such as pitch, pitch and chord length on the hydrodynamic performance, pressure distribution and the surrounding flow field of the propeller is systematically discussed, which provide a reference for the follow-up study of this kind of highly efficient propeller.
Key words: Kappel     CFD     hydrodynamic performance    
0 引 言

随着EEDI(能效设计指标)的引入,人们对提高船舶运行能效的措施越来越感兴趣。目前船舶节能主要措施之一就是开展高效的推进器研究,Kappel螺旋桨的出现意味着优异的推进效率,对于重点考虑较高的能效等级和最小的环境影响的高端船舶来说,Kappel螺旋桨是理想之选[1]。传统螺旋桨的叶片几何是在螺旋面上,而Kappel螺旋桨叶片几何则是非平面的。如图1所示,其叶片有一个扩展的叶尖,平滑地弯曲到叶片的吸力侧[2],可明显增加螺旋桨有效展弦比,即增加螺旋桨有效直径,因此可以增加螺旋桨效率。

图 1 普通螺旋桨(左)与Kappel螺旋桨(右) Fig. 1 Ordinary propeller (left) and Kappel propeller (right)

赖海清等[3]利用Matlab和Solidworks工具,提出了一种快速、参数化生成Kappel螺旋桨三维模型的方法。宋晗[4]将Kappel螺旋桨与传统螺旋桨噪声进行对比试验,发现Kappel螺旋桨在空泡性能方面要比传统螺旋桨稍低,在设计过程中应将螺距与拱弧结合在一起考虑以改善它的空泡性能。王睿等[5]在空泡水筒中对设计的Kappel螺旋桨与传统螺旋桨进行对比试验,测试了两者的空泡性能以及脉动压力,同时对该螺旋桨的螺距和拱度变化进行了对比分析。对这种性能优异的螺旋桨进行更深入的研究。

1 初始螺旋桨对比

为了与Kappel螺旋桨进行对比,依靠OpenProp单个螺旋桨设计模块,设计了一传统螺旋桨,编号为Kap00,其参数尺寸如图2所示。其截面翼型采用的厚度分布是NACA65010和NACA a=0.8的拱度分布,其中c/D表示各截面处弦长直径比,t0/D为最大厚度直径比,Skew为螺旋桨侧斜角,以角度计,Xs/D表示纵倾度与直径比值。

图 2 Kap00尺寸参数软件截图 Fig. 2 Screenshot of Kap00 dimension parameter software

需要注意到的是,Kap00并没有任何纵倾,而Kappel螺旋桨的主要特征桨叶在0.875R以上有明显纵倾,梢部向前弯曲呈圆弧状。为此,以Kap00为原型,在此基础上改进得到Kap01螺旋桨,图3为此螺旋桨的纵倾分布对比,图4为两螺旋桨三维模型。

图 3 Kap00与Kap01 纵倾分布 Fig. 3 Longitudinal distribution of Kap00 and Kap01

图 4 Kap00(左)与Kap01螺旋桨(右)三维模型 Fig. 4 Three-dimensional models of Kap00 (left) and Kap01 propellers (right)
2 Kappel螺旋桨CFD分析

计算域采用圆柱形的流场域,分为内外流场。内流场为转子区域,直径为1.5D,长度取1D,螺旋桨桨盘位置处于该静止流场的中心,采用MRF(Multiple Reference Frame)模型;外流场为静止流场,直径取5D,其中来流流场取4D,尾流长度为6D。网格采用多面体网格形式,针对改进后的螺旋桨,由于叶梢处曲面比较复杂,为了准确捕捉到其附近的流场信息,对叶梢处采用体网格加密形式,而远离螺旋桨处则将网格尺寸适当放大,最终生成的网格个数为1210030,如图5所示。

图 5 计算域及网格模型 Fig. 5 Calculation domain and grid model

在螺旋桨转速一定的情况下,通过改变来流速度V,获得不同进速系数J=0.2~0.7范围内的Kap01螺旋桨的推力系数,扭矩系数以及效率,并与原型桨Kap00进行对比,各项计算数据绘制如表1所示。

表 1 Kap00与Kap01 水动力性能 Tab.1 Hydrodynamic properties of Kap00 and Kap01

可以看出,在设计航速J=0.5下,Kap00推力系数为0.1418,改进后的Kap01螺旋桨在设计点推力系数为0.1612,整体来看,Kappel螺旋桨在推力系数和扭矩系数都较原型桨增大,且变化量都随着进速系数的增大而不断增大,在J=0.7时达到最大增幅,分别是38.9%和33.04%。从螺旋桨设计理论上看,螺旋桨盘面比变化与纵倾的变化是息息相关的,增大了螺旋桨纵倾会使螺旋桨的盘面比增大,故推力和扭矩的增加是理所当然的。效率方面,Kap01螺旋桨较原型桨并没有较大增幅,在设计点,螺旋桨敞水效率增大1.26%。J=0.2时,还出现了效率降低的现象。为了更深层次的探讨以上各种变化量产生的原因,接下来将对螺旋桨的压力特性进行分析。

图6为在进速系数J=0.5时,2种螺旋桨在r/R=0.9叶切面的弦向压力分布图,其中x/L=0为导边,x/L=1为随边。可以清晰看出,叶面压力大于叶背压力,且在同样的叶切面处,Kap01螺旋桨的叶面叶背压力差均值大于Kap00,这也就解释了为什么Kap01螺旋桨推力大于常规Kap00螺旋桨。

图 6 J=0.5 r=0.9R 叶切面压力分布 Fig. 6 J= 0.5r = 0.9 r pressure distribution on blade section

可以得知,叶梢具有明显纵倾的Kap01螺旋桨确实能够有效增加推进效率约1.3%,通过增大螺旋桨有效展弦比,增加了螺旋桨的有效直径,从而产生了更大了推力。但是,还能不能进一步提高Kappel螺旋桨的效率,各参数对螺旋桨性能是如何影响的?为此,本文选择了对螺旋桨叶的纵倾、侧斜和弦长分布展开探讨。

3 Kappel螺旋桨变参数分析

以Kap01为基础,对其弦长分布和纵倾侧斜进行调整,得到Kap02和Kap03。参数调整分别如图7图9所示,Kap03较Kap01相比,在0.6R以上进行了纵倾调整,且增大了叶梢最顶端的纵倾角,同时为了使盘面比不至于发生太大改变,对侧斜进行了微调。Kap02则是在Kap03的基础上,增加了在桨叶径向中部处弦长直径比,其他参数则完全相同。

图 7 纵倾调整 Fig. 7 Trim adjustment

图 9 弦长调整 Fig. 9 Chord length adjustment

图 8 侧斜调整 Fig. 8 Skew adjustment

图10为CFD在同等计算条件下的螺旋桨敞水性能曲线。结果表明,在调整了纵倾参数后,Kap03与Kap01相比,推力系数增加了5.1%,扭矩系数增大了3.9%,最终效率增加了2%。Kap02较Kap01,推力系数减小了1.2%,扭矩减小约1%,效率降低了1%。图11为三桨在0.95R处的叶截面压力分布图,比较而言,推力系数的改变与叶截面上的压差变化是相契合的。对Kap02来说,增大的弦长直径比,直接增加了桨叶的浸水面积,导致与水的摩擦损失也相应增大,因此效率也受到影响。

图 10 Kappel螺旋桨水动力曲线 Fig. 10 Hydrodynamic curve of Kappel propeller

图 11 J=0.5 r=0.97R 叶切面压力分布 Fig. 11 J= 0.5r = 0.97r blade section pressure distribution

综上所述,在不改变其他参数的情况下,只有合理分布Kappel螺旋桨的弦长分布才能得到较高效率的推进器。同时,恰当的调整纵倾与侧斜,可以改变叶梢的压力分布,从而得到较高效率的螺旋桨。

4 结 语

新型Kappel螺旋桨的出现无疑对造船业的节能减排起到了极大的推进的作用。本文预报了Kappel螺旋桨的敞水性能,并探索了侧斜、纵倾及弦长分布对其水动力性能的影响,通过分析比较,得到以下结论:

1)Kappel螺旋桨通过对叶梢的改进,确实能够增大螺旋桨的有效直径,在对桨径有限制的船舶上,其优势显著。

2)叶梢有载螺旋桨能够有效阻止叶梢处压力的相互干扰,维持整个桨叶有较大的压力差,从而改善螺旋桨的推力性能,能够提高螺旋桨效率4%左右。

3)螺旋桨的弦长和侧斜对叶梢有载螺旋桨会产生较大影响,通过纵倾和弦长的配合,可以改善桨叶的压力分布,有助于抑制梢涡空泡的发生。

参考文献
[1]
中国举办新型Kappel螺旋桨研讨会 曼恩动力设备有限公司于七月初在上海和大连举办KAPPEL螺旋桨研讨会 [J]. 机电设备. 2012 (4).
Mann Power Equipment co., Ltd. Held Kappel propeller seminar in Shanghai and dalian in Early July [J]. Mechanical and electrical equipment. 2012 (4).
[2]
杨海军. 高效螺旋桨与舵球组合使用节能效果分析[J]. 天津航海, 2013(3): 12-14.
YANG Haijun. Energy saving effect analysis of the combination of high-efficiency propeller and rudder ball[J]. Tianjin navigation, 2013(3): 12-14. DOI:10.3969/j.issn.1005-9660.2013.03.007
[3]
赖海清, 徐慧泽, 包国治, 等. Kappel螺旋桨参数化建模分析[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(3): 65-68.
LAI Haiqing, XU Huize, BAO Guozhi, et al. Parametric modeling and analysis of Kappel propeller[J]. Ship science and technology, 2015, 37(3): 65-68. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2015.03.013
[4]
宋晗, 王睿, 熊鹰. Kappel桨与传统螺旋桨噪声对比试验[J]. 中国舰船研究, 2015, 10(5): 92-98.
SONG Han, WANG Rui, XIONG Ying. Comparative test between Kappel propeller and conventional propeller noise[J]. Chinese Ship Research, 2015, 10(5): 92-98. DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.015
[5]
王睿, 熊鹰, 叶金铭, 等. Kappel桨水动力性能模型试验研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2017, 45(2): 17-22.
WANG Rui, XIONG Ying, YE Jinming, et al. Experimental study on hydrodynamic performance of Kappel propeller[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (natural science edition), 2017, 45(2): 17-22.