重载深潜推进器性能分析及设计

颜 翚，葛 彤，刘建民，赵 敏

（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海200240）

1 引 言

通常深潜器具有阻力大，航速低，推进器的负荷特别重的特点。当载荷系数较大时，与普通桨相比，导管螺旋桨可以达到较高的效率[1]。但是，如果导管和螺旋桨的相互关系处理不当会降低推进系统效率，严重的还会产生导管振动和空泡剥蚀、噪声等问题。关于导管桨水动力性能的研究，有部分集中在导管桨的水动力预报上，或用CFD软件对导管桨的流动特性和内部流场进行分析[2]，或用面元法、涡格法等分析导管桨性能[3-7]；还有部分研究是通过导管桨的系列敞水试验提供可供参考的设计图谱或者定性结论[8-10]。导管桨通常采用剖面为某一翼型的导管与普通系列桨相配合的形式。对于某一特定加速型导管来说，与其配合的系列桨的参数不同，会明显影响导管桨的性能。本文针对深潜器的特点，以DSN2导管为例，结合试验来预报其与不同桨型配合时的性能，并给出选型建议，从而可以快速地为某一特定重载情况下深潜器设计出满足使用要求的推进器。

2 导管桨推进原理分析

从推进器的性能原理来看，推进器的负荷大小通常有两种表示方法：功率系数BP和载荷系数σT。深潜器的功率系数BP值可大致取800左右，其表达式为

其中：N—螺旋桨转速；PD—螺旋桨收到马力；VA—螺旋桨进速；KQ—螺旋桨转矩系数；J—螺旋桨进速系数。

深潜器的载荷系数σT值可大至取12左右，其表示式为：

其中：T—螺旋桨发出推力；A0—螺旋桨桨盘面积；VA—螺旋桨进速。

导管螺旋桨使重载螺旋桨效率提高的原因，不是由于在导管上产生了额外的推力，而是因为在导管上产生推力的同时，桨盘处的水流受到加速，螺旋桨产生的推力减小。螺旋桨一部分尾涡变成了导管的附着涡，这些涡引起导管上的环流，从而减少了尾流的能量损失，只要这种减小的损失在数量上超过导管本身阻力的损失，那么导管桨的效率就高于普通桨。这种导管称为加速型导管。螺旋桨的载荷越重，尾流能量损失越大，采用加速型导管桨带来的好处就越多。

3 普通B系列3叶桨性能分析

导管桨的设计通常使用导管桨系列实验图谱，当图谱资料并不全面的时候，就需要一种简易的设计方法，根据现有的图谱资料，进行初步估算，确定所需要的推进器的参数，例如盘面比、螺距比等。为了解同样的导管配合不同的桨使用时敞水性能特点，需要对现有的资料进行分析，了解配套桨型对导管桨敞水效率的影响。本文仅针对B系列3叶桨参数进行讨论，图1、图2显示了0.35、0.5和0.6盘面比下，普通B系列3叶桨在不同螺距比下的推力系数与效率的变化情况，根据图中所示曲线分析其盘面比与螺距比变化对敞水性能的影响。

图1 B3-35、3-50和3-65推力系数比较Fig.1 Comparison of the thrust factor of B3-35,3-50 and 3-6

图2 B3-35、3-50和3-65效率5 Fig.2 Comparison of the efficiency of B3-35,3-50 and 3-65

3.1 盘面比对普通桨性能影响分析

很容易看出，在大部分情况下，螺旋桨的推力系数随着盘面比的增大而不断减小，这是合理的，一般情况下，盘面比越小，轴向诱导流速度越大，根据动量定理可知，推进器产生较大的推力。而在重载情况下，螺旋桨的推力系数随着盘面比的增大而不断增大；效率随着盘面比的增大而减小。

3.2 螺距比P/D对普通桨性能影响分析

如图3所示，取叶元体进行分析，设螺旋桨的转速为n，进速为VA，则其旋转一周在轴向所欠近的距离hp=VA/n称为进程。螺距P和进程hp之差 （P- hp）称为滑脱比并以s来表示，即s=（P-hp）/P=1-hp/P=1-VA/（Pn）。 在滑脱比s一定的情况下，若不考虑诱导速度，螺距比P/D的大小标志着攻角α的大小，螺距比P/D大时，攻角α大，螺旋桨的推力和转矩亦大，与图1所示情况吻合。

由图2可知，盘面比相同的桨，螺距比大的桨有较高的最大效率，但是在重载情况下情况正好相反，螺距比较小的桨推进效率较高。

根据以上结论，容易得知设计重载情况下推进器时，如果推力优先，考虑较大盘面比与较大螺距比的桨；如果效率优先，则需要考虑较小盘面比与较小螺距比的桨。

图3 不同螺距比桨叶旋转一周叶元体运动情况Fig.3 The propeller blade element motion under different P/D

4 DSN2导管桨性能分析

4.1 DSN2导管+B3-50导管桨与B3-50普通桨性能对比

上海交通大学深潜技术研究室考虑到特重负荷时螺旋桨的性能，发展了DSN导管+B3-50系列导管桨，进行了敞水试验[2]并提供了设计图谱，将DSN2导管+B3-50导管桨与B3-50普通桨性能进行对比，如图 4，5所示。

4.2 P/D

螺距比 对导管桨性能影响分析

由图4和图5可以看出，使用DSN2型导管的B3-50导管桨与普通桨相比，重载情况下（进速系数较低时），在效率方面，DSN2导管桨具有较高的效率，并且，在特重载荷情况（功率系数>790），螺距比P/D越小，导管桨的敞水效率越高；在推力方面，当螺距比P/D小于某一数值时，DSN2导管+B3-50导管桨系柱推力有一定程度的减小，而P/D足够大时，DSN2导管推力比普通桨高出越多。

图4 B3-50导管桨与普通桨推力系数Fig.4 Comparison of the thrust factor of common propeller with duct propeller

图5 B3-50导管桨与普通桨效率Fig.5 Comparison of the efficiency of common propeller with ducted propeller

图6 B3-50导管桨与普通桨推力系数偏差Fig.6 Comparison of the thrust factor deviation of common propeller with duct propeller

图7 B3-50导管桨与普通桨推效率偏差Fig.7 Comparison of the efficiency deviation of common propeller with duct propeller

图6和图7表示不同螺距比下，使用DSN2型导管的B3-50导管桨与普通桨敞水性能偏差百分比，其中，偏差百分比的计算公式为

其中：deviation—偏差；para_n—导管桨性能参数值；para—普通桨性能参数值。

由图6和图7可以看出，加上DSN2导管后，在重载情况（进速系数较低）下，推力方面B3-50导管桨与B3-50普通桨推力系数偏差百分比随着螺距比的减小而减小，螺距比小于0.8时，导管桨系泊推力系数小于普通桨，即在螺距比小于0.8时，同样进速系数下，导管桨发出的推力比普通桨小，这种推力性能的偏差百分比随着螺距比的减小而降低；在效率方面同样进速系数下导管桨的效率却比普通桨高，导管桨显示出来优秀的敞水效率性能，这种效率性能的偏差百分比随着螺距比的减小而增大。

在螺旋桨载荷减小至一定程度时，导管桨的敞水效率反而比普通桨更低，推力系数也迅速减小至小于普通桨，并且螺距比小的桨效率下降更快。此时，意味着导管本身阻力的损失已经大于由于导管存在而减小的尾流损失。

所以，当螺旋桨需要工作在重载（低进速系数）情况下时，如果推力优先，考虑较大螺距比的桨；如果效率优先，需要选择螺距比P/D较小的螺旋桨，这点与第3节结论吻合。

5 DSN2导管与普通桨配合设计及试验

5.1 DSN2导管与普通桨配合设计选型及试验

为特定的深潜器设计推进器时，可以根据第4节的结论来快速选择推进器的型式。为某极限海深潜器设计推进器：其航速较低，载荷系数σT约为11，功率系数BP约为790，由自带电池供电，并且对设备重量要求比较严格。

针对这样的深潜器，设计推进器时需要在满足设计航速时优先考虑效率，选择重载情况下效率较优的推进器，使用DSN2导管配套普通螺旋桨，由第4节结论知道，需选择螺距比P/D较小的螺旋桨。此深潜器工作在压力较大的环境中，航速较低，可以忽略可能产生空泡的因素，由第4节推论，效率优先时，考虑盘面比和螺距比都较小的螺旋桨。

为检验实际情况是否如上所述，本文根据上文推论，选择螺距比为0.5的B3-35螺旋桨与DSN2导管配合，导管长径比取1，导管与桨叶稍间隙2 mm。试验装置如图8所示。

取其敞水实验结果和普通导管桨相比，如图9所示。显见，在相同进速系数下，导管桨的推力与普通桨相比，有所减小，但是在进速系数小于0.23的范围内，推进效率明显高于普通桨。经过计算发现，该推进器主要工作点在进速系数0.18附近，设计完全符合使用要求。

图8 敞水试验装置Fig.8 The device of open water test

图9 B3-35导管桨与普通桨性能对比Fig.9 Comparison of the performance of common propeller with duct propeller

5.2 试验结果分析

为验证盘面比对导管桨性能影响，分别取B3-35导管桨和B3-50导管桨与普通桨的敞水性能的偏差进行对比（都取螺距比P/D为0.5），偏差计算公式为：

其中：deviation—性能偏差；para_n—导管桨性能参数值；para—普通桨性能参数值。

对比结果如图10所示，显见，在同样的进速系数下，具有较小盘面比的B3-35的导管桨比B3-50导管桨具有更高的敞水效率。与普通桨相同，当与导管配合后，在重载情况下，螺距比相同时盘面比较小的推进器具有更高的推进效率。

6 结 论

设计深潜器所需的推进器需要综合考虑深潜器的要求，例如：推进器负载情况、重量要求、尺寸要求、效率要求、空泡性能和振动要求等等。通常情况下，深潜器都工作在重载情况下，可以选择导管与普通桨配合使用，再根据其设计要求确定其他参数。通过以上分析，我们可以得到几点结论：

（1）螺距比大的推进器可以提供较大的推力，并

且在轻载情况下有较高的效率，而重载情况下，螺距比较小的推进器有较大的推进效率。

图10 B3-35与B3-50导管桨性能偏差比较Fig.10 Comparison of the performance deviation of common propeller with duct propeller

（2）与导管配合后，螺距比相同时盘面比较小的推进器具有更高的推进效率。

（3）只有在重载情况下，才能体现出导管桨的优势，提供比普通桨更高的效率，而在轻载情况下，导管桨自身的阻力已经超过它所能减小的能量损失，反而比普通桨效率更低。

（4）导管桨在重载情况下提供了更大的效率，但是并不意味着可以提供更大的系泊推力，只有当与其配合的桨的螺距比大到某一程度时才可以提供比普通桨更大的系泊推力，例如，当与B3-50桨配合时，当螺距比大于0.8时，导管桨提供更大的系泊推力。

根据本文分析得到的结论，可以比较容易地将设计参考选定在一个较小并且准确的范围内，从而快速地设计出满足使用要求的推进器。

[1]王国强,盛振邦.船舶推进[M].北京:国防工业出版社,1985.

[2]黄建伟,张克危.导管桨的流动分析与性能预测[J].舰船科学技术,2004(26):51-55.

[3]韩宝玉,熊 鹰,叶金铭.面元法预估导管螺旋桨定常性能的一种简便方法[J].船海工程,2007,36(3):42-45.

[4]刘小龙,王国强.导管螺旋浆定常性能预估的基于速度势的面元法[J].船舶力学,2006,10(3):26-35.Liu Xiaolong,Wang Guoqiang.A potential based panel method for prediction of steady performance of ducted propller[J].Journal of Ship Mechanics,2006,10(3):26-35.

[5]杨晨俊,王国强,杨建民.导管螺旋桨定常性能理论计算[J].上海交通大学学报,1997,31(11):36-39.

[6]Kawakita C.A surface panel method for ducted propellers with new wake model based on velocity measurements[J].Journal of the Society of Naval Architects of Japan,1992,172:187-202.

[7]Kinnas S A,Hsin C Y,Keenan D P.A potential based panel method for the unsteady flow around open and ducted propellers[C]//Proceedings of the 18th Symposium on Naval Hydrodynamics.Ann Arbor,MI,1990.

[8]董郑庆,陆林章,周伟新,等.导管螺旋桨内流场的LDV测量[J].船舶力学,2006,10(5):24-31.Dong Zhengqing,Lu Linzhang,Zhou Weixin,et al.LDV measurements of inner velocity field of ducted propeller[J].Journal of Ship Mechanics,2006,10(5):24-31.

[9]盛振邦.中国船用螺旋桨系列试验图谱集[M].上海:中国造船编辑部,1983.

[10]叶 姗,罗 薇,刘祖源,周 凌,何汉保.支撑筋对特殊导管桨水动力性能的影响[J].船海工程,2008,37(6):9-12.