特殊導(dǎo)管螺旋槳槳葉強(qiáng)度校核方法

郭 婷，羅 薇，廣超越

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063)

近年，國(guó)外出現(xiàn)了一種新型動(dòng)力電機(jī)和泵噴射推進(jìn)器結(jié)構(gòu)一體化的水下推進(jìn)裝置——集成電機(jī)推進(jìn)器(integrated motor propulsor IMP)，也稱(chēng)電機(jī)/螺旋槳一體化推進(jìn)器(IMP)［1］。IMP推進(jìn)方式中，電機(jī)的定子(電樞)安裝在導(dǎo)管中，轉(zhuǎn)子(永磁磁極)安裝在帶環(huán)螺旋槳的外環(huán)上［2］，這種方式本質(zhì)上是以徑向聯(lián)結(jié)取代軸向聯(lián)結(jié)，使得螺旋槳和電機(jī)成為不可分離的集成整體［3-4］。IMP推進(jìn)方式已逐漸得到廣泛的推廣，但國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段還沒(méi)有關(guān)于這類(lèi)特殊導(dǎo)管槳強(qiáng)度校核的規(guī)范供設(shè)計(jì)所用。為此，對(duì)這類(lèi)特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管槳強(qiáng)度校核方法進(jìn)行研究。

1 特殊導(dǎo)管螺旋槳的基本幾何參數(shù)

1)導(dǎo)管幾何參數(shù)。導(dǎo)管長(zhǎng)徑比L/D為0.655 2;平行中體與導(dǎo)管長(zhǎng)度比Lpp/L為0.465 3;收縮系數(shù)α為1.424 9;擴(kuò)張系數(shù)β為1.269。

2)螺旋槳幾何參數(shù)。螺旋槳采用的是ka寬葉系列槳，其螺旋槳要素為:葉數(shù)Z=4，盤(pán)面比Ae/Ao=0.7。

3)環(huán)幾何參數(shù)。環(huán)寬為105 mm，環(huán)內(nèi)徑與螺旋槳直徑相同。

4)支撐筋幾何參數(shù)。導(dǎo)管前緣及后緣安裝了支撐筋，前緣4根，后緣6根。前后支撐筋剖面選用的都是NACA0012的翼型。槳后支撐筋展弦比λ=3.91，弦長(zhǎng)b=94.3 mm，最大厚度t=11.32 mm;槳前支撐筋展弦比λ=6，弦長(zhǎng)b=61.5 mm，最大厚度t=7.38 mm。

特殊導(dǎo)管螺旋槳導(dǎo)管剖面見(jiàn)圖1。

圖1 特殊導(dǎo)管螺旋槳導(dǎo)管剖面示意

2 特殊導(dǎo)管螺旋槳厚度徑向分布及螺距徑向分布

2.1 切面厚度修正

特殊導(dǎo)管螺旋槳的槳葉按ka型設(shè)計(jì)，具有標(biāo)準(zhǔn)的槳葉厚度分布。但其標(biāo)準(zhǔn)的厚度分布不一定滿(mǎn)足螺旋槳的強(qiáng)度要求，需要增加槳葉各剖面的厚度以滿(mǎn)足螺旋槳強(qiáng)度要求?；蛘呗菪龢獦?biāo)準(zhǔn)厚度分布使螺旋槳槳葉強(qiáng)度過(guò)于富裕，則需要適量減小槳葉剖面的厚度，在保證強(qiáng)度前提下，減輕螺旋槳槳葉的重量。

某半徑r切面厚度，在滿(mǎn)足螺旋槳強(qiáng)度要求條件下將葉面厚度減至最小。設(shè)tmin為滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的最小厚度，對(duì)應(yīng)最小厚度切面應(yīng)力為σ，令剖面4個(gè)典型點(diǎn)A，B，C，D(見(jiàn)圖2)應(yīng)力滿(mǎn)足下式［5］。

圖2 切面分區(qū)情況

式中:［σ］——螺旋槳材料的許用應(yīng)力。

求解后得到滿(mǎn)足各點(diǎn)應(yīng)力要求的最小厚度(tmin)A、(tmin)B、(tmin)C、(tmin)D。

2.2 切面螺距修正原理

螺旋槳任意剖面有標(biāo)準(zhǔn)的葉厚和設(shè)計(jì)螺距。當(dāng)由于強(qiáng)度要求改變?nèi)~厚時(shí)，為了保證水動(dòng)力性能不變，必須相應(yīng)修正該剖面的螺距。

修正計(jì)算通常是根據(jù)各切面的螺距角θ與無(wú)升力角α0之和等于常數(shù)這一原則進(jìn)行，即

切面的無(wú)升力角α0可按下式計(jì)算。

式中:K——系數(shù)，與各剖面的切面形式有關(guān)。

修正后的螺距為

2.3 螺旋槳厚度徑向分布及螺距徑向分布的計(jì)算

用Fluent軟件對(duì)特殊導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算處理得到螺旋槳葉面沿徑向分布的軸向推力T(r)=f(r)和周向力F(r)=g(r)，基于強(qiáng)度計(jì)算的分析方法，對(duì)螺旋槳各個(gè)剖面進(jìn)行等強(qiáng)度厚度修正。

設(shè)t0(r)為原始模型等強(qiáng)度修正后的厚度分布，在此基礎(chǔ)上為保證厚度分布的光順性，用多項(xiàng)式來(lái)擬合螺旋槳的徑向厚度分布t1(r)。由于需要滿(mǎn)足所有半徑處剖面的強(qiáng)度要求，即多項(xiàng)式擬合厚度需滿(mǎn)足t1(r)≥t0(r)。根據(jù)t0(r)的變化規(guī)律，采用多項(xiàng)式擬合，需要多個(gè)剖面的厚度值。以排列組合方式計(jì)算任取其它剖面厚度，擬合成多項(xiàng)式。在這多種組合中，排除不滿(mǎn)足t1(r)≥t0(r)的組合，余下的組合中，選取最優(yōu)的組合作為最終結(jié)果。

由于厚度的變化，如要保證水動(dòng)力性能與原螺旋槳相同，還需對(duì)螺距進(jìn)行修正?；诼菥嘈拚姆治龇椒ǎ瑢?duì)螺旋槳各個(gè)剖面進(jìn)行螺距修正，P/D0(r)為修正后的螺距。修正后的螺距也需要對(duì)其光順處理，與厚度光順不同的是，厚度光順需要滿(mǎn)足各剖面的強(qiáng)度要求，螺距修正則需要滿(mǎn)足水動(dòng)力性能的不變，因此螺距光順不能夠?qū)π拚蟮穆菥嘧鎏笞儎?dòng)。采用最小二乘法對(duì)修正后的螺距分布進(jìn)行光順，擬合得到新的螺距徑向分布P/D1(r)。

最后用擬合后的厚度分布t1(r)與螺距徑向分布P/D1(r)建立新的特殊導(dǎo)管螺旋槳模型。

計(jì)算流程見(jiàn)圖3。

圖3 厚度修正和螺距修正計(jì)算流程

2.4 計(jì)算結(jié)果

以特殊導(dǎo)管槳P/D=0.985模型為例，取電機(jī)功率Pb=75 kW，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n=550 r/min，編程計(jì)算滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的厚度沿徑向分布和螺距比沿徑向分布。修正對(duì)比見(jiàn)圖4、5。

圖4 修正前后厚度徑向分布對(duì)比

圖5 修正前后螺距比徑向分布對(duì)比

由圖4和圖5可見(jiàn)，0.2 r/R剖面厚度修正為最大，其螺距變化也最大。修正后厚度的不光順用多項(xiàng)式擬合方法得到光順，基本上即保證的厚度的修正又保證的厚度分布沿徑向分布的光順性。螺距對(duì)應(yīng)于厚度修正也做了相應(yīng)的修正，保證了各剖面水動(dòng)力性能的不變。

3 結(jié)果分析

按照上述方法，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求下，修正系列特殊導(dǎo)管螺旋槳厚度徑向分布，螺距徑向分布修正得到系列新特殊導(dǎo)管螺旋槳，建立新的特殊導(dǎo)管螺旋槳，用Fluent軟件分別計(jì)算J=0.100，0.200，0.300，0.375，4個(gè)進(jìn)速系數(shù)水動(dòng)力性能［6］。選取電機(jī)功率Pb=75 kW，轉(zhuǎn)速n=550 r/min。螺旋槳的水動(dòng)力性能如推力、轉(zhuǎn)矩、效率用無(wú)因次表達(dá)，即螺旋槳推力系數(shù)kt和旋轉(zhuǎn)阻力矩系數(shù)kq分別為

式中:T——螺旋槳推力;

Q——螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩。

各螺距比修正前后水動(dòng)力性征曲線對(duì)比見(jiàn)圖6～9。圖中kt0與kq0分別為原型螺旋槳推力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)阻力矩系數(shù)，kt1與kq1分別為修正模型螺旋槳推力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)阻力矩系數(shù)［7-8］。

4 結(jié)論

圖6 P/D=0.8特殊導(dǎo)管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

圖7 P/D=0.9特殊導(dǎo)管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

圖8 P/D=0.985特殊導(dǎo)管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

圖9 P/D=1.1特殊導(dǎo)管螺旋槳原模型與修正后模型敞水性征曲線

原特殊導(dǎo)管螺旋槳模型與修正模型水動(dòng)力結(jié)果比較，推力和轉(zhuǎn)矩誤差最大為2.5%，都在工程應(yīng)用范圍以?xún)?nèi)。修正厚度后既可以保證強(qiáng)度分布的合理性，又滿(mǎn)足了水動(dòng)力性能的不變性。此螺旋槳厚度修正和螺距修正方法是合理且可行的。

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