七叶船用推进螺旋桨精密结构设计

　　从事船舶动力配套结构设计十余年，经手的推进部件从常规三叶桨到特种工况用的多叶桨不下百款，这款七叶结构的船用螺旋桨，最初是针对内河中小型作业船、近海休闲艇的低振动推进需求做的优化设计。先从实际应用场景说，常规三叶、四叶桨在中低航速工况下，桨叶随边的空泡剥离噪声很容易通过船体结构传递到舱室，尤其是客船、科考作业船这类对舱内振动噪声有要求的船型，普通桨型很难满足NVH指标，而七叶结构的设计，核心就是通过增加叶数降低单片桨叶的单位载荷，让桨叶在旋转过程中进入伴流场的压力波动更平缓，从根源上削减激振力。

　　再讲功能特性，这款桨的叶梢做了大侧斜修型，不是正投影下的径向直出结构，侧斜角度匹配的是常用工况下的伴流分布，能让每片桨叶经过船体尾部伴流区的时间差被拉长，避免多片桨叶同时遇到高压区产生脉冲振动。桨毂部分采用的是纺锤式整流构型，和桨叶根部的过渡圆角做了连续曲率处理，没有台阶式的结构突变，一方面能减少桨毂本身的形状阻力，另一方面也能避免根部流场紊乱产生的附着空泡，延长桨叶的疲劳寿命。很多新手建模的时候容易忽略桨叶根部的圆角过渡，要么做的太小导致应力集中，要么做的太大改变了根部的翼型截面，实际做结构校核的时候，这个区域的离心力载荷和水动力弯矩是叠加的，圆角曲率必须和叶根的厚度分布匹配，才能保证在额定转速下的应力处于材料许用范围内。

　　说回设计思路，最初做翼型选型的时候，没有直接照搬高速艇用的超空泡翼型，而是选了兼顾高低速效率的MAU改良翼型，从叶根到叶梢的螺距是渐变分布的，叶根区域螺距稍小，匹配根部较低的线速度，叶梢区域螺距逐步增大，让整个桨盘面上的推力分布更均匀，不会出现叶梢过载或者叶根区域推力浪费的情况。建模过程中，每一片桨叶的型值点都是通过环流理论计算后调整的，先确定不同半径处的翼型弦长、厚度、螺距角，再通过曲面放样把各个截面连续连接，之后还要做曲面的光顺性检查，保证曲面的高斯曲率连续，不能有局部的凹凸折痕，不然实际运行的时候这些位置很容易产生局部空蚀，用不了几个航次就会出现材料剥蚀。

　　关于外形尺寸和安装边界，这款桨的安装轴径是按照常规中小型船舶的尾轴标准做的适配，桨毂端面的定位止口尺寸和通用的尾轴密封件匹配，不需要额外做转接套就能直接安装。桨叶的最大旋转直径预留了和船体尾柱、舵叶的安全间隙，按照规范要求，叶梢和船体外壳的间隙不小于桨径的10%，和舵叶前缘的间隙不小于桨径的8%，避免运行过程中桨叶剐蹭船体结构，也能减少桨舵之间的流场干扰。另外桨叶的静平衡校验是设计阶段就考虑进去的，每片桨叶的质量矩偏差控制在规范允许的范围内，不会因为质量不平衡导致尾轴振动，实际加工完成后只需要做简单的动平衡微调就能满足使用要求。

　　很多人觉得螺旋桨就是几个曲面叶片拼起来，实际上每一个参数的调整都直接影响推进效率和振动水平，比如螺距比选的太大，主机容易过载，选的太小又会导致主机功率发挥不出来，航速上不去；叶数选的多，振动小但是摩擦阻力会相应增加，叶数少的话效率高但是振动噪声大，这款七叶桨就是在振动控制和推进效率之间找的平衡点，既满足了低噪声的使用需求，又不会因为叶数过多导致效率损失太大。另外桨叶的厚度分布也是经过强度校核的，叶梢厚度做的较薄，减少叶梢的涡流损失，叶根厚度逐步增加，承受离心力和水动力的复合载荷，整个厚度变化是平滑过渡的，没有突变，既保证了强度，又尽可能控制了桨叶的重量，降低尾轴的轴承负载。

　　实际在做三维建模的时候，还要考虑后续加工的工艺性，比如桨叶的曲面是否适合五轴铣削加工，拔模角度是否满足铸造的要求，这款桨的曲面曲率变化平缓，不管是采用铸造成型后打磨抛光，还是直接用五轴机床整体铣削，都能很方便的加工出来，不需要做额外的工艺补正。另外桨毂内部的键槽尺寸也是按照标准尾轴的键规格设计的，安装的时候不需要额外修改键槽尺寸，能直接和标准尾轴配合，减少现场安装的工作量。从流场的角度来说，这款桨的设计还考虑了倒车工况的水动力性能，桨叶的随边形状做了对称修型，正车和倒车状态下的推力转换比较平顺，不会出现倒车时效率骤降或者振动突然增大的情况，适合需要频繁正倒车的港作船、内河渡船这类船型使用。