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在船尾非均匀流场中尤其是尾流极不均匀的流场中工作的螺旋桨,常常由于船后流场的非均匀性,桨叶上产生周期性变化力。大侧斜螺旋桨作为一种有别于常规螺旋桨的船舶推进器,它往往可以通过与伴流场的“失配”来减小这一现象所产生的危害。本文基于大侧斜螺旋桨的这一特点,开展了大侧斜螺旋桨设计方法的研究。
首先本文在经典的升力线理论基础上,采用理论方法研究了计入纵倾与侧斜的影响,推导了涡系在计入纵倾与侧斜的升力线上的诱导速度积分公式。为了避免无穷积分,采用了离散涡分布的数值计算方法求解诱导速度。实例计算结果表明本方法是可靠与有效的,在螺旋桨最佳环量分布的求解方面也是可靠的。针对螺旋桨最佳环量分布的求解分别建立了两种数值计算方法,计算结果表明纵倾与侧斜对螺旋桨的最佳环量分布有一定的影响,但影响不是很大。另外,纵倾与侧斜对螺旋桨的诱导速度影响较大,尤其是侧斜分布对轴向诱导速度的影响趋势与其对切向诱导速度的影响趋势是相反的。
本文重点介绍了螺旋桨的升力面设计方法。采用离散涡格法进行数值计算,在确定拱弧面的方法中采用了Kerwin提出的修改拱弧面的方法,介绍了考虑导边吸力及粘性影响的螺旋桨水动力的计算。
然后针对非均匀流场的特点,将大侧斜螺旋桨设计主要分成伴流场的谐调分析、升力线初始设计、升力面设计、面元法预报定常水动力性能以及侧斜分布的优化设计。考虑到大侧斜螺旋桨设计与常规螺旋桨设计的不同,提出了大侧斜螺旋的强度估算方法,并且分析了纵倾与侧斜对螺旋桨应力分布的影响,为大侧斜螺旋桨纵倾分布的选择与侧斜分布提供了一些依据。
提出了大侧斜螺旋桨侧斜分布的优化方法。引入智能化领域中的粒子群优化(PSO)算法结合非定常面元法预报螺旋桨水动力性能方法及傅里叶分析方法,对螺旋桨的侧斜分布进行优化,优化后的螺旋桨主桨叶的非定常推力主要脉动幅值得到减小。表明该方法能通过改变螺旋桨侧斜分布有效地改善非均匀流场中螺旋桨的性能。
最后针对常规螺旋桨设计以及敞水情况下大侧斜螺旋桨的设计建立了相应的算例,对已有的螺旋桨进行重新设计,计算结果表明升力面设计方法不论在常规螺旋桨设计还是大侧斜螺旋桨设计方面是有效可行的。