螺旋槳設計的案例
基于模板技術構建船舶螺旋槳設計平臺
模板是提取設計過程中可重復的設計、建模、分析操作過程并進行封裝，從而形成的模塊化組件。運用模板技術構建統一關聯模型，集螺旋槳理論設計、螺旋槳快速建模、螺旋槳水動力性能分析及螺旋槳結構強度分析于一體，形成基于流程和知識驅動的螺旋槳集成設計與分析一體化應用平臺。
0 引言
隨著三維設計技術及其工具軟件的發展，螺旋槳三維幾何模型已建立起來，并通過相應的分析軟件對其進行了仿真評估。但螺旋槳三維設計CAD系統與仿真分析CAE軟件之間的數據轉換和信息集成問題還未得到有效解決，導致三維模型無法直接用于螺旋槳的工程分析。另外，螺旋槳設計的經驗和知識都掌握在少數人手中，很難重復利用，易對企業造成很高的知識風險。螺旋槳設計工具相互孤立，不成體系，異常復雜的數據流主要依賴人工勞動，設計并行度低，管理難度大，嚴重影響了設計質量和效率，使得設計過程很難實現關聯設計和優化設計。因此，螺旋槳設計平臺的建立勢在必行。
國際上的研究機構基于以前發展的各種方法建立了有效的螺旋槳設計系統。20世紀90年代，美國泰勒水池就開展了螺旋槳優化設計集成系統的研究。HydroComp.IN公司的HYDROCOMP系列軟件包括NavCAD，ProExpert和ProCAD三個模塊，分別用于解決船舶推進系統分析、螺旋槳設計和計算機輔助螺旋槳生產等領域的實際問題。美國AMI公司的VSAERO和USAERO軟件提供螺旋槳水動力分析，MARINTEK的AKPD/AKPA系統和MARIN的EXCALIBUR和PROCAL系統都是設計和分析螺旋槳的集成系統。
展開 現場公開課 | Ansys空氣螺旋槳設計、仿真與優化專題
本次培訓包含了空氣螺旋槳設計理論、翼型氣動理論及氣動計算、槳葉的建模、氣動性能、氣動噪聲和流固耦合的數值計算及優化設計的完整流程。
一、培訓目標
1.掌握空氣螺旋槳流體設計、數值計算驗證、優化的完整流程;
2.掌握空氣螺旋槳的數值計算驗證技術；
3.掌握空氣螺旋槳氣動噪聲、流固耦合等高級仿真技術；
4.可成為獨立軸流旋轉機械設計或仿真工程師，如風機、壓氣機、渦輪、泵等。
分布式電推進飛行器高性能螺旋槳設計
與常規飛行器相比較，分布式電推進飛行器全機性能主要由分布式動力系統與機翼之間的耦合特性所決定，因此其氣動設計問題已由傳統機翼的干凈外形設計問題轉變為分布式動力與機翼強耦合下的最優特性設計問題，這對分布式電推進飛行器的動力系統和機翼等均提出了不同的要求。如美國X-57全電飛機所采用的分布式螺旋槳就與傳統螺旋槳不同，它是作為一種特殊的增升裝置，以改善飛機滑跑起降狀態下的升力特性為目標進行設計，被稱為“高升力螺旋槳”。因此，需要進一步結合分布式電推進飛行器發展，探討新型高性能動力單元和分布式動力系統的設計思想和設計方法，為下一步開展創新性研究提供建議和指引。
圖1 X-57分布式電推進飛行器
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主要內容
以類X-57分布式電推進飛行器為研究對象，脫離了傳統螺旋槳僅僅追求高推進效率的思路，提出并發展了以單位能量下獲得螺旋槳/機翼綜合氣動效率最優為目標的高性能螺旋槳優化設計思路和方法。
文章首先對模擬螺旋槳旋轉運動的數值方法進行介紹和算例驗證，包括多重參考坐標系方法、面源法和葉素動量理論方法3種，保證螺旋槳數值模擬和數值設計的準確性和可靠性。其次，對所發展的如下圖所示高性能螺旋槳優化設計方法框架和設計步驟進行介紹和分析，設計過程主要包括螺旋槳槳葉氣動載荷分布獲取，螺旋槳槳葉氣動載荷分布優化設計，以及任意環量分布下的高性能螺旋槳槳葉快速反設計。
展開 中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！
“中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！”這是一項令全球航空領域為之震撼的重大突破。隨著科技的不斷進步，人類對于飛行器的需求也日益增長，而螺旋槳作為飛行器重要的動力源之一，其性能的提升一直是研究者們追求的目標。
中國的科學家們，憑借著堅韌不拔的精神和無與倫比的創新力，終于在巨型風力發電領域取得了突破性的進展。這種體積龐大、重達數噸的巨型螺旋槳，正憑借其獨特的設計和巨大的推力，被運用于各個領域，不僅改變了飛行器的性能表現，還為生態環保提供了新的解決方案。
中國巨型螺旋槳的突破：制造技術與性能優勢
中國在巨型螺旋槳制造技術方面實現了重要突破。通過引進先進的制造設備和工藝，中國螺旋槳企業在制造工藝、模具設計和材料選擇等方面進行了全面升級。特別是在模具設計方面，中國企業采用了CAD/CAM技術，實現了數字化的設計和加工，大大提高了制造效率和產品質量。
中國螺旋槳企業在材料選擇上也進行了大膽嘗試，使用了高強度、耐磨、耐腐蝕的特種材料，使巨型螺旋槳的使用壽命和性能大幅提升。
中國巨型螺旋槳在性能方面具有明顯優勢。一方面，中國巨型螺旋槳的尺寸更大，能夠適應更廣泛的使用需求。從小型風力發電機到大型船舶，中國螺旋槳企業都可以根據客戶需求定制更大尺寸的巨型螺旋槳，滿足各個行業的要求。
另一方面，中國巨型螺旋槳的運行效率和節能性也大幅提升。通過對設計和制造工藝的不斷優化，中國企業實現了巨型螺旋槳的動力輸出更為高效和穩定，減少了不必要的能源浪費。
中國巨型螺旋槳還具備良好的可靠性和安全性。中國螺旋槳企業在制造過程中注重質量控制，嚴格按照國際標準進行檢測和認證，確保產品的可靠性。
展開 
仿真驅動的螺旋槳最優化方案
棲云科技憑借對氣動仿真技術的理解，近期推出了一套面向無人機企業的螺旋槳定制設計、制造服務。
眾所周知，計算流體力學模擬仿真技術在飛機、無人機設計上早已有了深入應用，在螺旋槳設計優化上也屢見不鮮，可以很容易查到相關文章、論文，然而很少有成熟的商業應用方案。棲云基于已有研究基礎，結合CFD仿真工具和三維建模軟件開發出一套數字化、全自動的螺旋槳設計、優化方法，極大減少了設計周期，降低了開發成本。
3、優化方案過程、方法
首先，采用三維軟件對螺旋槳進行參數化建模，將關鍵參數如槳距角、弦長等進行參數化；其次，將三維軟件和CFD仿真軟件進行交互，以參數化形式交換螺旋槳數據。數字化后的螺旋槳三維模型自動進行數值仿真，反饋結果后重新調整三維模型自動重建，輸入仿真軟件進行二次計算，如此迭代反復。最后，依靠遺傳算法、神經網絡等優化算法獲得最優的螺旋槳幾何參數。整個過程自動完成，來流、槳距角等關鍵參數自動尋優。
展開 什么是 “環形”螺旋槳，它能改變無人機的未來嗎？
螺旋槳的基本形狀自發明以來一直保持不變，但目前許多新型螺旋槳葉型設計也已出現，為了測試這些新型設計，工程師需要進行相關研究，其中一些應用在提高直升機葉片和無人機的效率、減少噪聲方面的研究已經完成了測試。
02
完美的螺旋槳并不存在
了解螺旋槳的幾何形狀必須針對特定的“工作包線”進行優化，這關系到螺旋槳工作的流體或空氣的特性、轉速、前進速度和其他細節。在這個包線之外，螺旋槳可能會表現不佳。
迄今為止，還沒有人能夠找到一種在所有工作條件和尺度下都能實現低噪聲和高效率的螺旋槳幾何形狀。從目前稀少的成果來看，環形螺旋槳也不例外，其優勢還未完全量化。
圖4. MIT 2017年專利的插圖。
5A為常規螺旋槳，5B為環形螺旋槳。
（圖片來源：US Patent US10836466B2 ）
如果我們將設計優良的環面螺旋槳與設計不佳的傳統螺旋槳進行比較，會發現兩者的性能有顯著提高，但這種比較并不合理。設計優良的環形螺旋槳可能在特定工作條件下具有優勢，例如在稠密流體或特定的速度范圍內。
展開 CAESES船用螺旋槳參數化建模淺析
四、特征參數曲線的定義
在CAESES中，用來控制螺旋槳徑向參數主要由特征參數曲線控制，通過調整特征參數曲線，曲線控制參數的分布規律，從根部到頂部，X坐標從0-1對應相對半徑位置，Y坐標就是相應參數的具體數值，以實現控制螺旋槳幾何的目的。下圖是從0.2r到1.0r的控制曲線示例：
五、螺旋槳葉片幾何的生成
葉面幾何的生成，可以通過generic blade的方式生成螺旋槳的幾何，結合上述流程，再次總結
也可以自定義各個r/R位置的二維葉剖面形狀，同過空間轉化（一般會用到cylinder transformation）將平面轉換到圓柱面，變成三維曲線，，最終使用lofted surface功能生成螺旋槳葉片曲面。
六、螺旋槳專屬格式PFF
CAESES支持一種名為PFF的數據格式，通過PFF格式可以導入和導出螺旋槳文件。PFF格式已被船舶和螺旋槳設計公司以及船級社廣泛使用。
導入后，CAESES中會自動生成對應的特征參數曲線，我們可以根據設計需要指定新的特征參數曲線，進而得到新的螺旋槳設計。
使用CAESES進行螺旋槳優化的一般步驟，如下參考：
七、螺旋槳的幾何逆向
1）Blade Analysis
CAESES中提供了自帶的blade analysis功能，針對導入的螺旋槳幾何進行自動的逆向分析，自動生成對應的參數化模型，用戶可以基于生成的參數化模型進行進一步的分析優化工作。需要注意的是blade analysis中，使用NAC66作為默認的剖面形式，這樣某種程度上限制了該工具的應用范圍。
展開 淺談航空螺旋槳的發展歷程
本文轉載自：航瑞動力
淺談航空螺旋槳的發展歷程
1、螺旋槳的發展歷史
航空螺旋槳是一種將發動機輸出動力轉化成為推力/拉力的一種動力裝置。自1903年萊特兄弟發明“飛行者一號”至今，航空螺旋槳技術的發展就與飛機的發展密切相關。
圖1 通用航空飛機
圖2 典型無人機
螺旋槳技術的發展可追溯到我國古代的竹蜻蜓玩具。在16世紀Leonardo daVinci根據阿基米德螺旋面原理造出了產生升力的裝置。當然，早期的裝置僅僅體現出了螺旋槳的基本特征。
在19世界中葉，提出了螺旋槳的兩種基本理論：動量理論（1865年）及葉素理論（1878年）。動量理論揭示了流過槳盤的流體動量變化率和螺旋槳拉力之間的關系。葉素理論直接研究了流體和固體之間的局部相互作用，從而確定了槳葉和流體之間的氣動力。但是，兩種理論仍然不足以支撐螺旋槳的設計和性能分析。
圖3 動量理論示意圖
圖4 葉素理論示意圖
20世紀初，螺旋槳的設計均是按照經驗設計的木質螺旋槳。在1917年，F. Durend通過大量的風洞試驗，總結數據，引入量綱分析的方法對螺旋槳氣動性能進行研究，提出了螺旋槳效率η是前進比λ、馬赫數Ma及雷諾數Re等參數的函數。總結出一套螺旋槳設計方法，所設計的螺旋槳槳效達到70%以上。
20世紀30年代是螺旋槳蓬勃發展的時期。冶金技術的發展以及采用了更先進的槳葉應力分析技術和測試技術，鋁合金槳葉得到普遍應用。螺旋槳的結構形式也從定矩螺旋槳逐步發展到液壓恒速變距螺旋槳，槳距角的連續可調，使得螺旋槳的吸收功率和發動機的輸出功率之間很好的平衡，在各個飛行階段均能保持較高的槳效。
第二次世界大戰期間，飛機飛行速度以及發動機功率的大幅提升，推動了螺旋槳技術的進一步發展。
展開 eVTOL飛行器螺旋槳多學科設計分析與優化
在任何復雜系統的設計中，設計優化都是提高產品性能、滿足各種利益相關者要求、減少成本和上市時間的關鍵活動。在設計空間的自動搜索中，設計優化廣泛使用了計算機輔助工程（CAE）仿真。工程系統結合了子系統和組件；每個部件都由不同的物理建模，性能評估涵蓋了一系列工程學科，包括：流體動力學、結構、熱學、電磁和許多其他學科。這種組合被稱為多學科設計分析與優化（MDAO）。使用MDAO框架的動機是尋求一種行之有效的方法，以滿足不斷變化和日益復雜的環境的需求。
為什么要在eVTOL飛行器開發中進行多學科設計分析與優化（MDAO）
在過去的十年里，分布式電力推進（DEP）在航空領域的興起為飛行器設計問題增添了一種新的范式。電動垂直起降（eVTOL）飛行器在獨特的多學科環境中工作。這類飛行器的螺旋槳必須在巡航以及垂直和過渡飛行模式下運行。一些設計使用一組電動高升力螺旋槳（HLP）來增加流量，以在低速飛行條件下增加升力，而其他設計可以為垂直或短距起飛和著陸（V/STOL）提供額外的推力。幾個概念旨在實現機身空氣動力學和戰略集成推進器之間的良好相互作用，實現迄今為止無法實現的性能優勢。這些螺旋槳必須結構良好，以應對復雜的飛行器過渡。
展開 平穩航行：使用CONVERGE分析船用螺旋槳
為了滿足日益嚴格的排放法規要求，除了高效清潔的發動機研發外，設計越來越高效的船舶推進系統勢在必行。船舶性能的核心因素之一就是螺旋槳。
CONVERGE作為一款優秀CFD分析工具在船用發動機分析領域已經為人熟知，事實上，它在分析和優化螺旋槳設計上也具備很多優勢。通過完全自主的網格劃分，即便是最復雜的螺旋槳幾何形狀，CONVERGE也可以快速生成高質量的計算網格。同時，CONVERGE可以在每個時間步內對局部空間的網格實現重構，達到無縫適應螺旋槳運動的網格效果。此外，CONVERGE包括了穩健的多相流、流固交互（FSI）和空化模型，這些都是三維評估和分析螺旋槳性能所必需的工具。
如何使用CONVERGE應用于螺旋槳分析呢？我們首先在波茨坦螺旋槳測試案例（Potsdam Propeller Test Case, PPTC）上驗證CONVERGE穩態和瞬態建模能力，其中螺旋槳是完全浸沒的。然后，我們會將CONVERGE應用于物理上更復雜的半浸式螺旋槳模擬。
展開 PropCad2018 Premium新功能 - CAD文件導入工具
最新版本的PropCad 2018高級版提供了一個新的實用工具，可以大大簡化從完整的3D CAD文件中提取螺旋槳的特性的工作。這個新功能大大減少了重建現有螺旋槳或產品模型所需的時間和精力——螺旋槳設計和制造的一項關鍵任務。一個以前花了幾個小時的工作現在可以在幾分鐘內完成。
CAD導入工具可自動地從CAD文件中提取幾何數據。用戶選擇STL或OBJ格式的CAD文件。CAD模型要求槳軸在原點處定位，同時在3D預覽窗口中提供相應工具，可以將CAD數據轉換到合適的位置。
在選擇了相應取樣的徑向位置之后，會計算出了三維交點。PropCad會計算出二維的截面形狀及對應的弦長、厚度、螺距、傾斜和傾斜分布。
用戶可以在工具中查看對應參數分布情況。螺距參考線可以修改，從而為螺旋槳的設計數據提供適當的參考框架。正面和背面的偏移量將自動從2D截面中計算出來。
這個新的實用工具將作為PropCad高級版本的一部分發布。該工具提供了一種很有價值的方法來實現螺旋槳逆向設計，完成從3D幾何圖形中快速提取螺旋槳設計數據的目的。
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無可替代：工業正向設計中的數據可視化技術
圖 3可視化集成仿真環境整體運行邏輯示意圖
三、相關案例介紹
3.1螺旋槳快速設計系統
以性能仿真驅動螺旋槳設計，通過干濕模態、強度特性、敞水性能、自航性能等模擬，實現設計螺旋槳的快速評判校核，并結合優化技術實現螺旋槳設計方案選型。系統基于ViSim框架構建，運行曲線圖表插件實現敞水性能曲線的動態繪制；運用三維模型構型插件實現螺旋槳基于剖面型值點的快速三維模型構型；運用仿真云圖可視化插件實現模態振型、應力分布、流場分布的直觀展示。
圖4螺旋槳快速設計系統封裝示意圖
3.2振動虛擬實驗系統
針對設備要進行抗震過程的需求，構建一套模擬試驗過程的虛擬可視化系統，實現面向振動實驗過程（包括模態、諧響應、地震譜、沖擊等）的動態模擬與可視化呈現。系統通過ViSim基礎框架進行擴展集成開發，結合三維模型可視化渲染插件、實驗過程儀表數據可視化插件等輔助用戶決策設備振動特性是否滿足設計要求。
圖5 振動虛擬實驗系統示意圖
展開 法國企業聯合研制3D打印空心螺旋槳葉片
作為歐洲H2020項目RAMSSES的一部分，法國國防承包商Naval Group（原DCNS）和法國南特中央理工學校（Centrale Nantes）通過金屬增材制造（Additive Manufacturing，AM）已經打印出了第一個空心螺旋槳葉片實物。
Naval Group稱，由歐盟委員會資助的這個合作項目，旨在減少船舶對環境的影響。
南特中央理工學校和Naval Group在本項目中率先引領提高船舶運營能力的創新螺旋槳實物的生產。
為提高船舶的推進效率，南特中央理工學校和Naval Group正在利用增材制造設計大型零件（直徑為6米的螺旋槳），這種螺旋槳利用傳統的制造技術是不能生產的。采用增材制造焊絲焊電弧 (WAAM)工藝將有助于打印大型零件并為生產更加復雜的幾何形狀螺旋槳奠定基礎。
占三分之一空心的螺旋槳葉片實物，代表一個重量大約為399公斤的集裝箱船螺旋槳是采用不銹鋼在不到100個小時打印出來的。較之傳統工藝，該團隊擁有的技術力量意味著，采用增材制造螺旋槳葉片重量增加40%以上都是能實現的。
南特中央理工學校附屬公司和Naval Group子公司Sirehna正在開展螺旋槳葉片設計以便提高螺旋槳能效和減少對環境的影響。就效率和耐用性而言，Sirehna團隊的工作不但使螺旋槳葉片得到了全面優化，而且將大幅減少了輻射噪聲與振動。
H2020 RAMSSES 項目個案研究顯示，減少與推進關聯的環境足跡是對所有類型船舶的挑戰，特別是大型集裝箱船。
展開 中國全球最大螺旋槳成功問世！附空氣螺旋槳理論及其應用下載
隨著技術的發展，螺旋槳的制作材料也有了明顯變化。早年間的船用螺旋槳的主要材料是銅合金，當艦船噸位和動力得到迅速提升后，不銹鋼則逐步取代了銅合金，而馬氏體不銹鋼更是在今天得到了廣泛應用。此外，錳、鎳等金屬元素也會按照比例摻入其中。
▲大型螺旋槳對材料和制作工藝要求很高
在專用軟件和計算機技術普及之前，螺旋槳的設計主要依靠相關技術專家的推理和經驗積累，概念模型的構建也無法得到太多智能計算的協助。在計算機性能迅速升級后，數字化設計大力協助了螺旋槳的定型，甚至可以通過模擬環境來還原各種螺旋槳在相應環境中的表現。由此可見，盡管艦船用螺旋槳看似簡單，但背后卻涉及了材料學、工程學、流體力學等綜合高端學科。
巨型艦船用螺旋槳也是國家技術和工業實力的象征
冷戰中，美國航母開始了一條大型甚至巨型化之路，這就促使美國的艦船螺旋槳也越來越大。以尼米茲級航母為例，該艦總共有四個螺旋槳，其直徑可達6.4米左右，幾乎相當于兩層樓的高度！而每個螺旋槳又各有5片槳葉，每片的重量就達到了30噸，因此這種核動力航母的螺旋槳部分重量就達到600噸！在這些巨型螺旋槳制造時，從曲面弧度、敞水效率到螺旋槳光潔度，都有很高的加工標準，如果沒有高端的多軸聯動機床，就很難達到要求。時至今日，美國的軍用高端機床也保持著巨大的領先優勢。
▲美軍航母的螺旋槳之大，不難想象
新中國成立后相當一段時間內，中國在綜合領域的多個學科上都和西方有巨大差距，更缺乏尖端機床、計算機以及設計軟件，連螺旋槳用的很多合成材料以及零部件，都難免受制于人。所以高端的大型艦船用螺旋槳一直難以得到實質性發展。
展開 效率提高15%～這家公司推出新型高效螺旋槳
據悉，美國Sharrow Engineering的螺旋槳新型設計近日獲得美國、日本、加拿大和歐盟專利，并且正在進一步申請國內外專利。此外，其核心螺旋槳產品已經完成了最后階段試驗。
在過去六年，Sharrow Engineering已經分析了密歇根大學海洋流體力學實驗室收集的廣泛試驗數據，并利用湖泊、江河和海灣中運行的載人船舶進行了嚴格的水中試驗程序試驗。該綜合研究程序結果顯示，Sharrow Engineering的螺旋槳效率較之行業標準Wageningen B系列螺旋槳的效率高9-15%。行業專家在傳統上評價螺旋槳效率增加1%為有意義。Sharrow Engineering生產的螺旋槳可以滿足標準螺旋槳可比價格點要求。
已經確定國際海事組織限制航運燃油硫含量水平的規則將于2020年1月1日生效。這個新規則將將航運燃料的允許硫含量從3.50% m/m (mass by mass)降至0.50% m/m。在諸如波羅的海海域、北海和北美絕大部分海域等排放控制區已經實施了更加嚴格的硫含量0.10% m/m限制。基于新的規則計算，預計燃料成本將增加高達25%或全球240億美元。
Sharrow Engineering的螺旋槳將提供一個更寬的效率曲線，并在加速的同時減少17%扭矩。Sharrow Engineering的螺旋槳已經獲得16個獨一無二的美國和國際專利申請，并已向美國專利局和外國申請保護知識產權。這些專利是美國、日本、加拿大和歐盟授予的，其余的專利申請目前還未確定。
Sharrow Engineering的螺旋槳可以在沒有任何工程挑戰的情況下，采用全傳統螺旋槳合金和材料生產，可與任何尺寸和葉片數的螺旋槳及改裝螺旋槳匹配。該螺旋槳適合貨船、油船、工作船甚至娛樂船。
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