POD推进器的水动力性能研究

论文摘要

POD推进器(又称吊舱式推进器)是近年来发展起来的一种新型的船舶推进装置，该装置可以提高舰船总体性能，节省舱室空间，增加有效载荷，提高舰船的作战使用效能，可充分发挥电力推进系统的优越性，因而具有广阔的市场应用前景和极高的军事应用价值。本文在这一工程背景下，以POD推进器为研究对象，运用数值计算和模型试验这两种方法，开展了POD推进器水动力性能的数值计算方法研究、定常和非定常水动力性能的数值分析、水动力性能的试验研究以及POD推进船舶的实船快速性能预报等一系列研究工作，对POD推进器的水动力性能进行了系统的理论和试验研究。针对目前常用的拖式、推式和双桨式等三种POD推进器形式，应用升力面理论涡格法和面元法，建立了POD推进器定常和非定常水动力性能的数值计算方法并编制了相应的计算机程序。其中，螺旋桨桨叶采用升力面理论涡格法计算，吊舱舱体及支架采用Hess—Smith面元法计算，螺旋桨与吊舱及支架之间的相互影响通过迭代计算来处理。数值计算方法的建立，为POD推进器水动力性能的理论分析提供了研究手段。针对用于POD推进器的螺旋桨，计算了其在无吊舱时的敞水性能并与试验数据进行了比较，两者相当吻合，从而初步验证了本文数值计算方法的精度。对拖式、推式及双桨式POD推进器的定常水动力性能分别进行了计算和试验比较，验证了本文建立的数值计算方法的有效性和精度。在此基础上，计算并分析了吊舱对桨叶载荷分布的影响以及吊舱引起的伴流分布规律。研究表明：本文建立的数值方法能够较好地预报拖式及推式POD推进器的定常水动力性能，但双桨式POD推进器的理论预报结果与试验值存在着一定偏差；由于吊舱的阻塞作用，拖式及推式POD推进器的螺旋桨载荷均增加，拖式POD推进器的吊舱阻塞效应更为明显；吊舱、支架在其正前、后方均产生一个高伴流区。研究并建立了POD推进器螺旋桨的尾涡模型。应用简单尾涡松弛方法，计算了不同进速系数下尾涡线螺距角分布，进而根据计算结果找出了尾涡模型中的关键参数——尾涡螺距角与几何螺距角及进角之间的关系，并以解析式的形式表达出来，从而建立了POD推进器螺旋桨的尾涡模型。为检验其有效性和适用性，选用两只螺旋桨进行了实例计算，并与试验结果及旧尾涡模型(通过修改无吊舱时的螺旋桨尾涡模型参数得到的经验性尾涡模型)计算结果进行了对比分析。通过与旧的尾涡模型计算结果进行比较，发现采用新尾涡模型得到的水动力性能比旧模型更接近于试验数据，表明其计算结果具有更高的精度。而计算结果与两只POD螺旋桨试验数据的比较表明，采用新尾涡模型计算得到的螺旋桨水动力性能和试验结果均很接近，说明新尾涡模型具有良好的适用性。基于本文所建立的POD推进器定常及非定常性能的数值计算方法，针对吊舱影响下的螺旋桨非定常性能，通过系统的计算和分析，研究了螺旋桨负荷、吊舱和支架伴流各分量以及标称与实效伴流对POD推进器水动力性能的影响。研究表明：就吊舱及支架的实效伴流而言，轴向及周向伴流主要由支架引起，径向伴流主要由吊舱舱体引起；由于螺旋桨旋转尾流的作用，伴流各分量呈明显的左、右舷不对称；随着桨叶负荷减小，轴向及周向伴流均相应减弱，但径向伴流变化很小。当桨叶经过高伴流区时，推力、扭矩明显增加；非定常力(矩)的成分以一倍叶频为主。当考察POD推进器的定常水动力性能时，可以忽略吊舱伴流的径向及周向分量；考察非定常性能时，可以忽略径向分量，但应该考虑周向分量的影响。以吊舱及支架的标称伴流作为进流，将导致非定常推力、扭矩的平均值降低，脉动量幅值减小。因此，虽然标称伴流容易得到，但据此进行POD推进器的性能预报或设计都会引起一定的误差。非定常水动力的脉动幅值取决于船尾伴流与吊舱伴流的相对比例，忽略吊舱伴流会导致桨叶非定常力的变化特征发生较大变化。针对拖式、推式和双桨式POD推进器的定常水动力性能进行了系统的试验研究，设计了试验装置和试验方案，建立了POD推进器水动力性能的试验研究方法，并进行了多方案的模型试验研究。试验研究表明：无论单桨拖、推式或双桨式POD推进装置中的螺旋桨，由于吊舱的作用均获得了比常规螺旋桨更高的敞水效率，但若计入吊舱阻力，则POD推进器的总体水动力效率要低于光桨的效率；POD推进器的效率与螺旋桨、吊舱和支架之间的水动力干扰密切相关，对于双桨式POD推进器而言，这一效应更为强烈。在双桨式POD推进器的设计中，需要对吊舱和支架等部件的线型及前、后桨的水动力负荷分配作更为全面精细的考虑。针对采用两个POD推进器作为主推进装置的某型船舶，首先通过船模阻力试验确定了裸船体的有效功率曲线，然后应用图谱设计方法设计了该船的POD推进器，并对所设计的POD推进器进行了敞水性能试验，通过对敞水性能试验结果的修正确定了全尺度推进器的水动力性能，进而利用以上数据进行了实船快速性预报和空泡校核计算。预报和校核结果表明，本文所设计的POD推进器达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文工程背景
• 1.2 POD推进器技术的发展及其军事应用前景
• 1.2.1 POD推进器的产生及其发展
• 1.2.2 POD推进器的军事应用前景
• 1.3 POD推进器水动力性能的研究进展
• 1.3.1 POD推进器推进与空泡性能的研究进展
• 1.3.2 POD推进器非设计工况水动力性能的研究进展
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 POD推进器水动力性能的数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 POD推进器定常水动力性能的计算方法
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 桨叶几何形状的数学表达
• 2.2.3 桨叶及吊舱表面分格
• 2.2.4 边界条件及其离散方程
• 2.2.5 螺旋桨—吊舱相互影响的迭代计算
• 2.2.6 螺旋桨的水动力计算
• 2.3 POD推进器非定常水动力的计算方法
• 2.3.1 桨叶非定常载荷计算
• 2.3.2 桨叶水动力计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 POD推进器定常水动力性能的数值预报
• 3.1 引言
• 3.2 单桨敞水性能计算
• 3.3 拖式POD推进器定常水动力性能的数值预报
• 3.3.1 性能计算值与试验值的比较
• 3.3.2 吊舱对前桨—径向环量分布的影响
• 3.3.3 吊舱在前桨盘面处的诱导速度
• 3.4 推式POD推进器定常水动力性能的数值预报
• 3.4.1 性能计算值与试验值的比较
• 3.4.2 吊舱对后桨径向环量分布的影响
• 3.4.3 吊舱在后桨盘面处的诱导速度
• 3.5 双桨式POD推进器定常水动力性能的数值预报
• 3.6 本章小结
• 第4章 POD推进器螺旋桨尾涡模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 简化的尾涡松弛方法
• 4.3 POD定常水动力性能计算的影响参数分析
• 4.3.1 参数rwt的影响分析
• 4.3.2 参数nw的影响分析
• 4.3.3 参数nwc的影响分析
• 4.4 尾涡模型参数的确定
• 4.4.1 计算依据
• 4.4.2 数据分析
• 4.4.3 尾涡螺距角表达式小结
• 4.4.4 新尾涡模型的有效性与适用性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 POD推进器非定常水动力性能的数值预报
• 5.1 引言
• 5.2 不同负荷条件下的非定常性能
• 5.3 考虑吊舱伴流不同分量时的非定常性能
• 5.4 吊舱标称及实效伴流中的非定常性能
• 5.5 船尾伴流中的非定常性能
• 5.6 本章小结
• 第6章 POD推进器水动力性能的试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型及试验装置
• 6.3 试验内容及结果分析
• 6.3.1 单桨水动力性能试验
• 6.3.2 单桨POD推进器水动力性能试验
• 6.3.3 双桨式POD推进器水动力性能试验
• 6.3.4 单桨式POD推进器（"∠"型支架）水动力性能试验
• 6.3.5 三叶桨双桨式POD推进器水动力性能试验
• 6.4 本章小结
• 第7章 POD推进器推进性能的实船预报
• 7.1 引言
• 7.2 船模阻力试验与POD推进器设计
• 7.3 实船快速性预报
• 7.4 空泡校核
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历