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对转导管螺旋桨的水动力设计与分析

周军伟;倪豪良

【摘要】基于叶栅理论设计1台对转导管螺旋桨和l台单转子导管螺旋桨.采用商

用CFD软件CFX对2个导管螺旋桨的流场进行模拟.结果表明,对转导管桨的推力

与扭矩略大于单转子导管桨,但效率较低.对流场的分析发现,引起效率降低的主要原

因为第二级转子增加了叶片表面流动损失.对转转子非定常受力的相位差很小,且脉

动幅度在不同进速系数下几乎不变.对转转子的时均推力分配比例随进速系数而改

变,在较低进速系数下,第二级转子推力较高,而在较高进速系数下,第一级转子推力较

高.

【期刊名称】《舰船科学技术》

【年(卷),期】2014(036)012

【总页数】7页(P16-22)

【关键词】导管螺旋桨;对转转子;旋流损失;非定常受力;推力分配

【作者】周军伟;倪豪良

【作者单位】哈尔滨工业大学(威海)船舶与海洋工程学院,山东威海264209;哈尔滨

工业大学(威海)船舶与海洋工程学院,山东威海264209

【正文语种】中文

【中图分类】U661.31+3

为适应高速、高推力情况对船舶推进器性能的要求，采用对转螺旋桨是一种选择，

这是因为对转螺旋桨能够减小甚至消除尾流中的旋流，提高推力系数；采用导管螺
旋桨是另外一种选择，它同时具有高效率、高推力和低噪音的优点。结合对转螺旋

桨和导管螺旋桨的特点，可以构造出对转导管螺旋桨，有可能进一步提高推进器的

性能。

对转螺旋桨的结构相比传统螺旋桨要复杂的多，其结构形式主要有套轴结构、吊舱

结构与双驱动结构形式[1]。这3种结构都能够与导管配合，构成对转导管螺旋桨，

如图1所示。随着叶环电力驱动导管螺旋桨技术的发展[2-5]，对转导管螺旋桨的

结构能够变得更为简单，也使船舶采用对转导管螺旋桨作为推进器逐渐成为可能。

水动力设计是对转导管螺旋桨设计中的关键问题之一。虽然以往也有许多针对对转

螺旋桨水动力性能的研究，如Yang与Davide等[7-8]基于升力面法对对转螺旋桨

的定常性能预报，Zhang与王展智等[9-10]对对转螺旋桨流场的CFD模拟，但仍

然没有一个较为方便的对转螺旋桨水动力设计方法，就更不要提对转导管螺旋桨的

水动力设计了。

本文基于叶栅理论提出一种对转导管螺旋桨中对转转子的设计方法，并基于现有的

Ka4-55系列螺旋桨设计1部对转导管螺旋桨。其导管在现有的19A导管翼型上

略做改动，以满足对转转子对导管长度的要求。

导管螺旋桨的转子工作在导管形成的管道内，因而可认为是工作在内流环境中。因

为在内流环境中，螺旋桨桨盘使管道内流动增压，但不能改变桨盘前后轴向速度。

忽略导管内流动的旋流成分，则可以用激盘模型来模拟桨盘的工作状态，如图2

所示。激盘前后参数满足关系

式中：Δp为桨盘压升；vt为喉部轴向速度。

从导管流动的激盘模型可看出，改变激盘的压升Δp能够改变喉部轴向速度vt，这

2个参数之间的关系仅与导管的几何相关。根据导管几何确定合适的Δp与vt后，

可依此进行对转转子的设计。Δp与vt的确定方法与对转转子的设计无关。

1.1压升与速度的关系
对转导管桨在工作过程中，第一级转子对流动做功，根据动量矩定理，其尾流中必

然存在一定的旋流；第二级转子反向旋转，因而其对流动施加一个反向旋转的的作

用。在理想状态下，对转转子能够保证其尾流中不存在旋流。对转转子的速度三角

形如图3所示，图中，ΔVθ为二级转子中间旋流在绝对坐标系下的周向速度分量，

U为当地半径处翼型的切向运动速度。图中1，2，3分别表示第一级转子前、二

级转子中间和第二级转子后的3个位置，1.5与2.5分别表示第一级和第二级转子

的中间位置。

根据动量矩定理，并假设螺旋桨转子内流线都沿圆柱面，即流线经过转子后半径不

变，则螺旋桨转子总压升ΔPt与动量矩的关系可表示为

对于第一级转子而言，由于尾流中的旋流会导致静压下降，所以第一级转子静压升

为

第二级转子由于回收了第一级转子尾流中的旋流损失，因而产生的压升要高于第一

级

1.2速度与转子几何的关系

根据导管喉部轴向速度Vt和二级转子中间旋流切线速度ΔVθ可确定螺旋桨对转

转子的水动力螺距角。二级转子的相对进出口水动力螺距角分别表示为

式中：角度下标分别对应图3中的位置标示，其中21，22分别表示在第一级与第

二级转子的相对转动坐标系下。

根据叶栅实验研究，水动力螺距角与几何螺距角之间总是存在一定的差值Δθ，即

滑脱角。滑脱角主要与翼型及螺旋桨盘面比相关。在已知所选用翼型及盘面比的情

况下，可确定不同半径处的滑脱角，进而得出桨叶的几何螺距角为

本文中的对转导管螺旋桨是在已有单转子导管螺旋桨19A/Ka4-55的