非均匀来流中加工误差螺旋桨的轴承力数值模拟

于安斌，叶金铭，张凯奇430033海军工程大学 舰船工程系，湖北 武汉

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

Numerical simulation on bearing force of propeller for machining errors in non-uniform inflow YU Anbin，YE Jinming，ZHANG Kaiqi Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Abstract：In order to study the bearing force caused by the machining errors of composite material propeller in non-uniform flow, the propeller was computed by changing the machining error of the propeller in six degrees of freedom, in which the main blade translates and rotates along the coordinate axis artificially by way of the statistical method. The bearing force of a DTMB P4119 propeller with a machining error was calculated according to the SST - model and sliding meshing non-uniform flow to figure out k ω the impact of various machining errors on the propeller, enabling a fundamental rule about the impact of various machining errors on a propeller's bearing force to be formed. The results show that vertical bearing force and horizontal bearing force increase linearly, and first-order blade frequency bearing force rarely changes with the increase of machining errors in each freedom; machining errors along the directions of diameter and pitch have a great impact on the propeller shaft's frequency bearing force. Therefore, we can put forward a more refined principle about the machining accuracy of propellers. Key words：propeller；machining error；non-uniform inflow；bearing force

0引言

1 计算模型 1.1 几何模型

DTMB P4119本文选取美国泰勒水池 螺旋桨0.304 8 m为研究对象。该螺旋桨直径 ，毂径比0.2 1.084（0.7R J= ，螺距比为 ），设计进速系数0.833。该桨的三维视图如图1所示，其坐标原点位于桨盘面与桨轴线交点处，X轴与桨轴轴线重合并指向下游，Y轴与桨叶参考线重合，由叶根指向叶梢，Z轴符合右手定则。

1.2 网格划分

2 数值方法与验证 2.1 数值方法

STAR-CCM+本文基于 软件进行数值预报，其流动控制方程为偏微分方程组，通过有限体积法进行离散化，而离散过程为将流动控制方程置于每一个单元，积分后即获得一组离散后的控制方程组。该方法不仅可以保证控制方程的守恒性，又具备较高的离散精度。湍流模型选用SST k - ω模型，时间项选用二阶隐式格式，其余采用默认设置。

2.2 数值可靠性验证

3 计算结果分析

SUBOFF本文所加伴流为 全附体（艇总长4.356 m）模型桨盘面处提取的标称伴流（图5 ），为 DTMB P4119有效与伴流相匹配，对 螺旋桨直径进行了缩放。数值计算方法与前文相同，时间步1.8（°）/步。在螺旋桨的实际加工过程中，各长取个桨叶都有可能产生加工误差。为方便研究加工误差对螺旋桨轴承力的影响，以整个螺旋桨为计1算对象，仅改变主桨叶（图 中主桨叶，主桨叶的6）沿 3坐标示意图见图 X，Y，Z这 个方向的平移及6旋转等 个自由度的误差，在设计工况下对非均匀来流条件下螺旋桨的轴承力进行数值计算，并7在计算出时域内的轴承力（图 ）之后，通过傅里叶变换将时域内的轴承力变换为频域内的轴承力。

3.1 主桨叶沿各自由度的误差对螺旋桨一阶叶频轴承力的影响

8图 所示为由主桨叶沿Y轴平移方向的误差

3.2 主桨叶沿各自由度的误差对螺旋桨轴频轴承力的影响

3.2.1 主桨叶沿各轴平移对螺旋桨垂向和横向轴频轴承力的影响

9图 给出了主桨叶沿各轴平移相应距离产生 的垂向和横向轴频轴承力。其中：主桨叶沿X轴平移可对应为桨叶沿轴毂长度方向的位置偏差；主桨叶沿Y轴平移可对应为螺旋桨直径的变化；主桨叶沿Z轴平移可对应为螺旋桨沿轴毂宽度方向的位置偏差。 从图中可以看出，当主桨叶沿各轴平移时，垂向轴频轴承力依旧等于横向轴频轴承力，说明这2个方向轴频轴承力的等效关系与加工误差无关。同时，还可以发现随着平移距离的增加，轴频轴承力呈近似线性增长的趋势。并且，主桨叶在Y轴方向（即直径方向）的加工误差对螺旋桨轴频轴承力的影响较大。根据船用螺旋桨的几何参数允许偏差要求， S级螺旋桨的桨叶在轴毂长度位置的偏差要求为0.25D，即轴毂长的 ±0.8% ［9］。而轴毂长一般约为9误差要求为直径的 ±0.2% ，由图 可预测轴频轴0.06%承力（扭矩）能达到平均推力（扭矩）的（0.45%）。同样，S级螺旋桨半径R的误差允许为半径的 ±0.2% ［9 ］，即直径D的误差允许为直径的9 ±0.2% ，由图 可预测轴频轴承力（扭矩）能达到0.56%（2.53%平均推力（扭矩）的 ）。螺旋桨单桨叶沿Z轴平移可对应为螺旋桨沿轴毂宽度方向的位置偏差，不过相关准则中并没有关于此方面的误

9差规定。由图 可知，螺旋桨单桨叶沿轴毂宽度方向平移所产生的轴承力振幅是单桨叶沿轴毂长4度方向平移的 倍左右，因而建议将该桨叶沿轴毂宽度方向的误差要求加入相关技术条件中。

3.2.2 主桨叶沿各轴旋转对螺旋桨垂向和横向轴频轴承力的影响

10图 给出了主桨叶沿各轴旋转相应角度产生的轴频轴承力。其中：主桨叶沿X轴旋转可对应为螺旋桨的侧斜；主桨叶沿Y轴旋转可近似对应为螺旋桨的螺距角；主桨叶沿Z轴旋转可对应为螺旋桨的直径和纵倾。 从图中可以看出，随着平移距离的递增，轴频轴承力呈近似线性增长的趋势。当主桨叶沿坐标1°时，X轴旋转达到 轴方向产生的轴频轴承力（扭0.21%（0.94%），Y矩）达到平均推力（扭矩）的 轴方向产生的轴频轴承力（扭矩）达到平均推力（扭矩） 2.05%（7.64%），Z的 轴方向产生的轴频轴承力（扭1.00%（3.48%矩）达到平均推力（扭矩）的 ）。可见，主桨叶沿Y轴旋转方向（近似螺距角方向）的加工误差对螺旋桨轴频轴承力的影响较大。

3.2.3 加工误差产生的轴频轴承力与伴流导致的叶频轴承力的对比

1表 给出了无加工误差时螺旋桨的一阶叶频 1轴承力。由表 可以看出，一阶叶频横向轴承力Wei 等［3 ］的计算规大于一阶叶频垂向轴承力，与律一致。 鉴于一阶叶频横向轴承力大于一阶叶频垂向11轴承力，图 给出了伴流产生的一阶横向叶频轴0.66%承力与主桨叶沿坐标轴平移螺旋桨直径的产生的横向轴频轴承力的对比结果。从图中可以看出，主桨叶沿X，Z轴方向的加工误差量对轴频轴承力的影响相对较小，其产生的轴频轴承力仍小于一阶叶频轴承力。但主桨叶沿Y轴方向（直径方向）的加工误差量对轴频轴承力的影响较大， 0.66%当主桨叶沿直径方向的改变约为直径的时，其产生的横向轴频轴承力约为一阶横向叶频3.3轴承力的 倍。可以预测，当直径D的误差允许为直径的 ±0.2% 时，其产生的横向轴频轴承力与一阶横向轴承力近似相等。 12图 为伴流产生的一阶横向叶频轴承力与1°产生的横向轴频轴承力的主桨叶沿坐标轴旋转

4结论

STAR-CCM+软件对非均匀来流条本文基于件下的螺旋桨进行了数值模拟和预报，通过研究，得出以下结论： 1）通过与美国泰勒水池提供的推力脉动数据的对比，验证了本文数值方法的可靠性。2）加工误差量对螺旋桨一阶叶频轴承力大小的影响甚微。3）随着各自由度方向加工误差量的增加，垂向和横向轴频轴承力呈近似线性增加的趋势。4）桨叶在直径、螺距方向的加工误差对螺旋桨轴频轴承力的影响较大。当主桨叶沿直径方向0.66%的变化约为直径D的 时，其产生的横向轴频轴承力约为伴流导致的一阶横向叶频轴承力的3.3 1°时，其产生倍；当主桨叶沿螺距角方向变化的横向轴频轴承力约为伴流导致的一阶横向叶频3.7轴承力的 倍。

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Fig.1 1 DTMB P4119图 螺旋桨几何模型The geometry model of DTMB P4119 propeller

Fig.2 图2 计算域三维图The three-dimensional diagram of computational domain

Fig.5 图5 SUBOFF桨盘面处伴流The wake of propeller disk of SUBOFF

Fig.4 图4推力各阶叶频分量计算结果The computed results for thrust balde frequency components

Fig.6 6图 主桨叶The main blade of propeller