﻿ 潜艇扭曲舵对推进效率影响研究
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (13): 30-35    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.13.006 PDF

Research on the effect of submarine with twisted rudder on propulsion efficiency
YE Jin-ming, ZHENG Zi-han, YANG Wan-li, ZHANG Di
Ships and Oceans Engineering Academy, Naval Engineering University, Wuhan 430033, China
Abstract: In order to improve the propulsion efficiency of submarine, a new type of twisted rudder for submarine is proposed. In order to study the effect of twisted rudder on the propulsion efficiency of submarine propeller, taking the SUBOFF submarine model as the research object, the hydrodynamic performance of submarine with conventional rudder and twisted rudder is calculated by using numerical calculation method, and the effects of twisted rudder on submarine resistance, propeller thrust, torque and propulsion efficiency are compared and analyzed. The results show that compared with the conventional rudder, the propulsion efficiency of the submarine propeller with twisted rudder is increased by 8.22%, and the effect of twisted rudder on the resistance of the submarine is negligiblem, and the unbalanced torque of the submarine is reduced after the twisted rudder is installed. This study provides a new way to improve the propulsion efficiency of submarine propeller.
Key words: twisted rudde     propulsion efficiency of submarine     SUBOFF
0 引　言

1 研究对象

 图 1 SUBOFF潜艇模型 Fig. 1 Model of SUBOFF submarine

SUBOFF潜艇模型中的尾舵为十字全动舵，本文中扭曲舵是在潜艇原有尾舵的基础上根据螺旋桨旋向将舵进行扭曲设计，先根据自航时潜艇尾舵到螺旋桨梢部的流线确定舵扭曲展向起始位置，流线形状如图2所示，常规舵如图3所示。从扭曲展向起始位置开始向内半径位置直到舵根部即为发生扭曲的扭曲范围，在发生扭曲的展向范围内通过改变各剖面拱度的方式，使剖面的形状发生改变，改变后剖面的拱度线不再是沿纵向的直线，整个舵呈现出扭曲的形态。定义各展向位置上扭曲后剖面与原舵对应剖面在横向上的最大偏移量为该剖面处的扭曲幅度 $\Delta y$ ，如图4所示。扭曲舵的扭曲幅度 $\Delta y$ 从扭曲展向起始位置向内半径位置逐渐变大，至舵根部达到最大扭曲幅度 $\Delta {y_{\max }}$ 。除此之外，从发生扭曲的展向起始位置开始向外半径方向的舵叶剖面维持原有形状不变，扭曲舵的舵轴位置、展长、侧投影形状与原有尾舵保持一致，同时扭曲舵几何形状生成过程中保证线型光顺。从艇尾向艇首看，螺旋桨旋向为逆时针方向，12点钟方向的舵尾缘向右舷偏转，6点钟方向的舵尾缘向左舷偏转，3点钟方向的舵尾缘向下方偏转，9点钟方向的舵尾缘向上方偏转。图5为生成的扭曲舵，图6为不同尾舵形式安装在艇体尾部的示意图。

 图 2 潜艇尾舵至螺旋桨梢部流线示意图 Fig. 2 Flow line diagram from submarine tail rudder to propeller tip

 图 3 常规舵 Fig. 3 Conventional rudder

 图 4 单个舵叶剖面扭曲幅度示意图 Fig. 4 Schematic diagram of distortion amplitude of single rudder blade section

 图 5 扭曲舵 Fig. 5 Twisted rudder

 图 6 不同尾舵在艇体尾部安装示意图 Fig. 6 Installation diagram of different stern rudders at the stern of the hull
2 数值计算方法 2.1 控制方程和湍流模型

 $\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_i}}} = 0，$ (1)
 $\rho \frac{{\partial \left( {{u_i}{u_j}} \right)}}{{\partial {x_j}}} = - \frac{{\partial P}}{{\partial {x_j}}} + \rho {g_i} + \rho \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\mu \left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right) - \rho \overline {{{u'}_i}{{u'}_j}} } \right) 。$ (2)

2.2 计算域和网格划分

 图 7 计算外域大小示意图 Fig. 7 Schematic diagram of calculating external domain size

 图 8 网格划分 Fig. 8 Gridding diagram
2.3 数值计算方法有效性验证

 图 9 中纵剖线上部分压力系数分布 Fig. 9 Partial pressure coefficient distribution on the middle longitudinal section line

 ${C_P} = \frac{{p - {p_0}}}{{1/2\rho V_{\text{S}}^2}}。$ (3)

3 结果与分析

 图 10 无桨时不同尾舵形式潜艇舵后流线图 Fig. 10 Flow line behind rudder of submarine with different tail rudders without propeller

 图 11 不同尾舵形式潜艇螺旋桨压力分布 Fig. 11 Pressure distribution of submarine propeller with different stern rudders

 $\eta = \frac{{{V_{S}}{R_0}}}{{2{\text{π}} nQ}}。$ (4)

 $\eta = \frac{{{V_{\text{S}}}({R_0} + T - {R_s})}}{{2{\text{π}} nQ}}。$ (5)

 ${K_T} = \frac{T}{{\rho {n^2}{D^4}}} ，$ (6)
 ${K_Q} = \frac{Q}{{\rho {n^2}{D^5}}} 。$ (7)

4 结　语

1）潜艇尾舵形式改为扭曲舵后会使来流经过舵后形成旋向与螺旋桨旋向相反的预旋流，有效改善了螺旋桨进流，预旋流中的周向速度分量占比提升，有利于降低螺旋桨尾流中周向诱导速度引起的动能损失，且预旋流与螺旋桨叶片形成的攻角更大，增大了桨叶的相对旋转速度，周向能量得以充分利用，使螺旋桨的推进效率提高了约8.22%。

2）在螺旋桨保持不变且航速相同的工况下，尾舵由常规舵改为扭曲舵后，对潜艇的阻力影响不大，航行潜艇达到自航点所需的螺旋桨转速和收到功率下降，有利于提高潜艇最大航速，提高续航力。且扭曲舵可以产生与螺旋桨转动方向相反的扭矩，这部分扭矩可使潜艇整体的不平衡扭矩降低。

 [1] GROVES N C, HUANG T T, CHANG M S. Geometric characteristics of DARPA SUBOFF models[R]. David Taylor Research Center, 1989. [2] 王京齐, 施生达. 现代潜艇尾操纵面的发展状况[J]. 舰船科学技术, 2007(1): 33-36+40. [3] 梁秋凤, 叶金铭, 张露, 等. 潜艇舵翼分离型尾操纵面水动力及尾流场研究[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(21): 33-38. [4] 曹植珺, 肖昌润, 李士强, 等. X舵与十字舵潜艇稳定性对比分析[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(7): 51-55. [5] 翟朔, 刘志华. 艇尾共翼型舵水动力和尾流场特征的数值计算研究[J]. 中国造船, 2019, 60(1): 109-119. DOI:10.3969/j.issn.1000-4882.2019.01.012 [6] 刘志华, 熊鹰, 叶青. 共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(4): 658-663. [7] 翟朔, 刘志华. 局部等厚的共翼型舵对潜艇尾流场优化效果研究[J]. 推进技术, 2020, 41(7): 1660-1669. [8] Jin Z, Wang P, Xia H, et al. Validation of Numerical Simulation on the Flow Field of Submarine with Various Types of stem appendages[C]// Oceans 2018 MTS/IEEE Charleston. IEEE, 2018. [9] 叶金铭, 张凯奇, 于安斌. 基于STAR-CCM+的全附体潜艇尾流场数值分析[J]. 海军工程大学学报, 2017, 29(4): 53-58. [10] 韩聪. 基于CFD的船用螺旋桨前置预旋定子优化设计研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2018. [11] HUANG T, LIU H L, GROVES N, et al. Measurements of flows over an axisymmetric body with various appendages in a wind tunnel: the DARPA SUBOFF experimental program[C]// Proceeding of 19th Symposium on Naval Hydrodynamics. Seou, 1992.