哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）
第1章 绪 论
1.1 课题背景
近年来随着船舶向大型化和高速化的发展，螺旋桨的载荷也不断增加，与普通螺旋桨相比，导管螺旋桨的导管可保证有定向的水流供给螺旋桨，起均整伴流作用，增加了船舶在风浪中的航行稳定性[1-3]。所谓导管螺旋桨亦称套筒螺旋桨,它是在螺旋桨的外围加上一个环行套筒而构成如下图1-1所示：导管螺旋桨是一种特种推进器,适用于螺旋桨载荷较大的船舶,如拖船、顶推船等[4]。由于它具有在海上航行时受外界海况变化影响较小,导管对螺旋桨有保护作用,导管能使航向稳定性得到显著改善等优点,现在在商船上也得到很大应用[5,6]。导管螺旋桨在外型、结构形式和水动力性能等方面与常规螺旋桨都有较大的差别。过去,对导管螺旋桨水动力性能研究主要采用图谱估算方法,结合导管螺旋桨敞水试验进行验证[7]。近年来,由于数值模拟相对于实验研究有很独特的优点,比如成本低、周期短,能获得完整的数据,能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态。cfx技术广泛运用于流体数值模拟,其良好的适应性,较高的准确性,逐渐成为流体动力学研究的重要工具,且其应用领域也逐渐扩大[8]。通过对导管螺旋桨进行三维定常的cfx计算分析,能够较准确预报导管螺旋桨的水动力性能,根据计算结果对导管螺旋桨进行改进或优化[9]。
虽然导管螺旋桨有很多优点，对其研究也不断深入，相关的软件也趋于完善，但国内外针对导管尺寸对螺旋桨想能的影响的研究却非常有限，因此针对这方面的研究就显得非常迫切。
图1-1 导管螺旋桨
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1.2 研究的目的与意义
导管螺旋桨与普通螺旋桨相比有其自身的特点：
一方面由于导管的存在导管螺旋桨的效率和推力相对与普通螺旋桨有所增加主要原因如下：
导管内部的流道为渐缩到渐扩形状,中段面积较小,流速最大,而螺旋桨工作在较大的速度区域,大大减少了螺旋桨的负荷系数和滑距,因此提高了螺旋桨的效率。
由于导管出口面积逐步扩大,使螺旋桨推出的水柱集中,尾流收缩极小,故使轴向诱导速度减小,而使螺旋桨的轴向诱导效率提高,推力增加。拖网渔船螺旋桨负荷重,桨叶吸力面与压力面的压差很大,若没有导管限制,则高压区的水就会绕到低压区,产生能量损失。加装导管后,导管与叶梢的间隙很小,限制了叶梢的横向绕流,减少能量损失,使螺旋桨的效率提高[10]。
因为加速导管中部形成缩小的喉部,使管内的水流速度大于管外的速度,内外形成压力差,这压力差在管壁上形成合力,合力的轴向分量使导管本身产生附加推力。
另一方面导管螺旋桨也有其自身的缺点：
安装固定导管，船舶的回转半径增加，使船舶的回转性能和低速舵效变差。 安装转动导管，虽然可改变船舶的操纵性，但使结构变得复杂并且需要较大的舵机功率和舵杆直径。
导管内壁和螺旋桨叶梢间隙很小，水草杂物已进入。若有变形叶梢和导管内壁相撞会影响船舶的正常航行，故导管与船体之间要做固定连接，船为结构需要加强，以防止导管本身引起振动和变形,此外对吃水浅的船舶不宜用导管螺旋桨[9]。
尽管导管螺旋桨存在着多方面的不足，但由于其具有普通导管螺旋桨无法比拟的优点所以其应用范围不断扩大。
本文研究的目的是在不使导管螺旋桨的缺点进一步恶化的前提下，研究导管尺寸对螺旋桨性能的影响，通过改变导管内径和桨叶的尺寸，研究螺旋桨的推力、扭矩系数及效率随进速的改变而变化的情况，并得到不同进速系数下的推力、扭矩系数曲线和效率曲线。从而得出导管尺寸对螺旋桨性能的影响曲线，寻求桨叶和导管的最佳匹配。为以后导管螺旋桨的设计提供基本的参考依据。
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1.3 国内外相关理论的发展概况
1.3.1 螺旋桨的分类及特性
螺旋桨的研究工作开始于1930年前后,1934年科特(Kort)发表了有关螺旋桨的专利说明,那时在德国对螺旋桨己进行了广泛的研究[11]。导管螺旋桨由桨叶、导管和桨毂构成，对其优化设计的研究已有相当长的历史。为了改善性能，更好的适应各种航行条件和充分利用主机功率，发展了以下几种特种螺旋桨：
(1)可调螺距螺旋桨：可调螺距螺旋桨CPP（简称可调桨或调距桨）通过设置于桨毂中的操纵机构使桨叶能够相对于桨毂转动调节螺距的螺旋桨，它是通过转动桨叶来改变螺距，从而改变船舶航速或正车、倒车。可调螺距螺旋桨的优点有：简化主机及整个动力装置的结构、提高主机及尾轴管轴承的使用寿命、、改善船舶操纵性、提高船舶机动性、提高船舶营运经济性。
（2）串列螺旋桨：在同一轴上装有前后两个或多个旋向相同的螺旋桨。通常是两个螺旋桨。前后桨相隔一定距离，其后桨处于前桨的尾流中，使后桨的进速较大，所以后桨通常具有较大的螺距。对于螺旋桨直径受限制或载荷过重时，因可加大桨叶面积，减小单位面积的载荷，对提高效率、避免或减轻空化与振动有利。
（3）对转螺旋桨：在同轴线的内外两轴上装设的旋向相反的一对螺旋桨。这种螺旋桨用短轴取代了内外轴形式的长轴结构，降低了机械结构的复杂性。推进功率不仅按比例分配到两个螺旋桨，还独立的分配到两个独立的齿轮传动机构。前螺旋桨式牵引式螺旋桨在稳流状态下，具有推进效率高、尾流平滑、低噪声、低震动的优点。吊舱式结构可采用更大的螺旋桨，以较低速度转动，从而减少了摩擦损耗，提高了推进效率。
（4）导管螺旋桨：它是船舶的一种推进工具，是指在螺旋桨周围加上导流管，就成为导管螺旋桨。可以提由于导管高螺旋桨效率，所以伴随着船舶向大型化?高速化的发展，导管螺旋桨的应用越来越普遍[12]。
1.3.2 导管的几何参数
Yoshishis 等在 2005年主要研究了导管桨的基本几何参数的影响[8]；Naujoks 等在 2007 年主要着力于开发新的优化算法[11]。导管的主要参数有：
（1）内外径：导管一般为圆筒形状又由于导管存在厚度，所以导管存在着
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内外径，在导管的某个很剖面上，横剖面圆心到内壁的距离为内径，横剖面圆心到外壁距离为外径。。
（2）长径比：导管轴向长度L与螺旋桨直径D之比
（3）伸张系数：又称扩散系数是指导管出口处截面积Fa与导管工作面积Fn之比。
（4）收缩系数：导管进口截面积Ft与导管工作面积Fn之比。 （5）导管长度L：进流段长度La和出口段长度Le之和[9]。
1.3.3 导管分类
导管有多种分类方法，从导管中流场来分有两种，一种是加速导管，一种是减速导管。导管中的螺旋桨在工作时，与导管形成一个整体，这时的流场与没有导管时是不同的。对加速导管来说，首先可以使桨盘面处的水流加速，使螺旋桨工作在较大的速度场。从而可以提高螺旋桨的效率。其次,由于导管出口处的面积逐渐扩大,尾流的收缩极小,使轴向诱导速度减小,也有助于提高螺旋桨的效率。最后由于叶梢和导管的间隙很小,由叶面和叶背的压力差引起的绕流大大减小,其能量损失也就减小。正是由于这些原因,加速导管螺旋桨具有效率高、推力大、在风浪中的性能较好等特点。对于功率系数较高的高负螺旋桨采用加速导管螺旋桨所能达到的效率，将远远超过常规螺旋桨。特别是在系泊情况下，可将系泊推力提高30%以上。所以加速导管螺旋桨在推船、拖船、渔船上得到广泛应用。对于减速导管，与加速导管相反它产生负推力，增加了船舶阻力。但是导管中的流体流经盘面处时流线扩张，流速比普通螺旋桨低，压力则较高，对推迟或避免螺旋桨的空泡有好处，所以减速导管螺旋桨常用于已发生空泡情况。此外根据导管是否可以转动，导管螺旋桨还可分为固定导管螺旋桨和转动导管螺旋桨。
1.3.4 导管翼型
实船中常用的导管形状主要有五种，其基本特点简单介绍如下：
A型结构—19A型导管，该型导管内壁版面成流线型，整个内壁版由三个环形段组成，其两道连接环形焊缝出与螺旋桨工作区域，焊接接头型式正面式对接接头，反面是有板厚度之差造成的角接接头。
B型结构—JD型导管，该型导管内壁板成折角型，两道连接环缝既处于桨叶工作区，又正置线型的转折处，其焊接接头型式为封底单面角接接头。两道环形加强筋板也在此处转折，于是该转折点成为纵横交错多种接头的集中区域，在导
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管中心处，无环向筋板加强。
C型结构—7号导管线型，该导管与B型的区别仅在于其内壁板无折角线型，其他特征与B型相仿。
D型结构—19号或7号导管线型，该型导管内壁板与A型或C型相同，但其板的连接形式取消了螺旋桨工作区域内的焊接接头，完全采用沿导管弦向对接接头。整个内壁版则采用厚度均匀的厚板料，在导管中心与首、尾位置用较大截面的环向筋板加强。
E型结构—改型结构与D型结构的区别仅在于增设了吸气防腐结构[14]。 各导管翼型结构如下图2-1所示：
图1-1 导管翼型
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