淺談船舶螺旋槳的設(shè)計(jì)

1、淺談船舶螺旋槳的設(shè)計(jì)目 錄目錄1摘要2關(guān)鍵詞2引言21 結(jié)構(gòu)與計(jì)算要素31.1 結(jié)構(gòu)組成31.2 計(jì)算要素32 項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程及結(jié)果與分析5 2.1 船體估算數(shù)據(jù)62.2 螺旋槳要素選取及結(jié)果與分析62.3 推力曲線及自由航行計(jì)算及結(jié)果與分析72.4 計(jì)算總結(jié)92.5 螺旋槳模型的敞水實(shí)驗(yàn)93 螺旋槳設(shè)計(jì)的發(fā)展113.1 節(jié)能減排促使螺旋槳加快創(chuàng)新11結(jié)束語13參考文獻(xiàn)14致謝14附錄14 摘 要螺旋槳是造船行業(yè)必備的推進(jìn)部件，它的設(shè)計(jì)精度將直接影響船的推進(jìn)速度，它為船的前進(jìn)提供的推力。螺旋槳設(shè)計(jì)是整個(gè)船舶設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，它是保證船舶快速性的一個(gè)重要方面。一般螺旋槳設(shè)計(jì)是在初步完成了船舶

2、線型設(shè)計(jì)，并通過估算或用船模試驗(yàn)的方法確定了船體有效功率之后進(jìn)行的。影響螺旋槳推進(jìn)性能的因素很多，在本設(shè)計(jì)過程中主要對(duì)螺旋槳的直徑、螺距比、盤面比、槳葉輪廓形狀等因素進(jìn)行研究，并通過在工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一艘內(nèi)河A級(jí)拖船的螺旋槳。關(guān)鍵詞 螺旋槳 直徑 螺距比 盤面比 槳葉輪廓形狀引言 船在水面或水中的航行時(shí)遭受阻力，為了使船舶能保持一定的速度向前航行，必須供給船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠專門的裝置或機(jī)構(gòu)通過吸收主機(jī)發(fā)出的能量并把它轉(zhuǎn)換成推力而得，而這種專門吸收與轉(zhuǎn)換能量的裝置或轉(zhuǎn)換能量的裝置或機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為推進(jìn)器。推進(jìn)器種類很多，例如風(fēng)帆，民輪，直葉推進(jìn)器，噴水推

3、進(jìn)器及螺旋槳等，螺旋槳構(gòu)造簡單，造價(jià)低廉，使用方便，效率較高，是目前應(yīng)用最廣的推進(jìn)器。1 結(jié)構(gòu)與計(jì)算1.1結(jié)構(gòu)組成 螺旋槳俗稱車葉，通常由槳葉和漿轂組成。螺旋槳與尾軸連接部分叫漿轂，漿轂是一個(gè)錐形體。為了減小水的阻力，在漿轂后端加一整流罩，與漿轂形成一光順流線形體，稱為轂帽。 螺旋槳在水中產(chǎn)生推力的部分叫槳葉，槳葉固定在漿轂上。普通螺旋槳常為3葉或4葉，2葉螺旋槳僅用于機(jī)帆船或小艇上，近年來有些船舶（如大噸位大功率的油船），為避免震動(dòng)而采用5葉或5葉以上的螺旋槳。 由船尾向前看時(shí)所見到的螺旋槳槳葉的一面稱為葉面，另一面稱為葉背。槳葉與轂連接處稱為葉根，槳葉的外端稱為葉梢。螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時(shí)先入水

4、的一邊稱為導(dǎo)邊，另一邊稱為隨邊。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)葉梢的圓形軌跡稱為梢圓。梢圓的直徑稱為螺旋槳直徑，以D表示。梢圓的面積稱為螺旋槳的盤面積以Ao表示，可用下式表示它們之間的關(guān)系： Ao=D2/4 由船后向前看去，螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)為順時(shí)針者稱為右旋槳，反之，則成為左旋槳。裝于船尾兩側(cè)之螺旋槳，左槳左旋，右槳右旋稱為外旋槳，左槳右旋，右槳左旋稱為內(nèi)旋槳。1.2結(jié)構(gòu)計(jì)算要素1）螺旋槳直徑：首先考慮與尾型和吃水的關(guān)系，在繪制船體線型時(shí)，已基本決定了螺旋槳的軸線位置和可能的最大直徑。從尾型和吃水條件看，普通船舶的螺旋槳直徑大約在下列范圍：單槳D=(0.70.8)Tw;雙槳D=(0.60.7)T w. 式中Tw為

5、船舶滿載時(shí)的船尾吃水。只要螺旋槳直徑未超過尾型和吃水條件的限制，就可以通過設(shè)計(jì)圖譜求得敞水效率最佳的螺旋槳直徑。但是由于船后伴流不均勻性的影響，敞水最佳直徑與船后最佳直徑略有差別。隨著伴流不均勻的程度，最佳直徑應(yīng)有不同程度的減?。簡螛幍奈恢玫陌榱鞑痪鶆蛐暂^大，最佳直徑要減35%；雙槳所處的位置伴流比較均勻，最佳直徑約減少24%。2）盤面比：若螺旋槳的直徑、螺距、轉(zhuǎn)速和葉數(shù)均相等，則推力和轉(zhuǎn)距均隨盤面比的增加而增大。但盤面比大時(shí)，翼柵作用較甚，槳葉的摩擦阻力也較大，螺旋槳的效率就較低。盤面比太小時(shí)，因強(qiáng)度需要，勢(shì)必增加槳葉厚度，這時(shí)槳葉單位面積所發(fā)出的推力較大，容易發(fā)生空泡，且會(huì)增加渦旋阻力

6、，致使效率反而降低。所以在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，均選擇不發(fā)生空泡的最小盤面比。3）槳葉輪廓形狀：槳葉的外形輪廓多螺旋槳的效率和空泡性都能有影響。但是通過我們現(xiàn)場(chǎng)反饋的意見表明，對(duì)一般接近橢圓形的槳葉，葉形的變化對(duì)螺旋槳效率影響不大。4）葉數(shù)：螺旋槳葉數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)船型、吃水、推進(jìn)性能、振動(dòng)和空泡多方面加以考慮。一般認(rèn)為若螺旋槳的直徑及展開面積相同，則葉數(shù)少者效率略高，葉數(shù)多者因葉片與葉片間產(chǎn)生的相互干擾作用較大，效率常略低。葉數(shù)多者對(duì)減小振動(dòng)有利，葉數(shù)少者對(duì)避免空泡有利。5）螺旋槳轉(zhuǎn)速：螺旋槳轉(zhuǎn)速低一些，則直徑可以較大，效率也會(huì)較高，但對(duì)主機(jī)來說，轉(zhuǎn)速高，則機(jī)器效率高，主機(jī)的重量和尺寸也可以減小，從這

7、里可以看出螺旋槳轉(zhuǎn)速和主機(jī)轉(zhuǎn)速要求之間是相互對(duì)立而又互相聯(lián)結(jié)。因此就需要螺旋槳的轉(zhuǎn)速和主機(jī)的轉(zhuǎn)速之間要匹配好。但在進(jìn)行一般民用船舶的螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，主機(jī)往往是從現(xiàn)已生產(chǎn)的一定功率的幾種船用主機(jī)中加以比較選取，更多的情況是先有主機(jī)再進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速常是給定的。 在功率相同的情況下，則但螺旋槳船的推進(jìn)效率高于雙螺旋槳，這時(shí)因?yàn)閱温菪龢挥诖部v中剖面上，伴流較大，而且單槳的直徑較雙槳大，故其效率較高。2 .項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程及結(jié)果與分析船體主尺度及船型系數(shù)這個(gè)螺旋槳設(shè)計(jì)來自于一艘內(nèi)河A級(jí)拖船，以下是與該設(shè)計(jì)有關(guān)的船體的主尺度及船型系數(shù)：總 長 23.7米 水線長 23米型 寬

8、 5.30米 型 深 2.0米設(shè)計(jì)吃水 1.25米 設(shè)計(jì)排水量 88.7噸艏舷高 2.55米 艉舷高 2.25米方形系數(shù) 0.578 水線面系數(shù) 0.809中剖面系數(shù) 0.917 縱向菱形系數(shù) 0.630浮心縱向位置 -0.6512.1 船體估算數(shù)據(jù)該船體有效效率估算（茲萬科夫法），見表1垂線間長: L 22.0 m型寬: B 5.3 m吃水: T 1.25 m方形系數(shù): Cb 0.57摩擦阻力系數(shù):f 0.1497有隧道: m 1.2水溫: t 1.5 舯橫剖面面積: Am 6.0884 m²浸水面積: 99.462m剩余阻力系數(shù): 2.23501船速 Vskn 7 8 9 10

9、11 2Vm/s3.60084.11524.62965.1445.6584 3V1.8310.4313.3116.5220.0323.85 4f*V1.83155.2198.2245.9298.1355.0 5Fn0.2450.2800.3150.3500.385 64Fn自航船0.9811.1211.2611.4011.541 7X=1.7+（6）2.6812.8212.9613.1013.241 8V31.02154.10493.497160.683275.308 9*Cb*Am*(8)240.6419.6725.21246.32135.410R=(4)+（9）kgf395.8617.89

10、71.01544.42490.311EHP=(10)(2)/75hp19.033.959.9105.9187.9121.2*Rkgf475.0741.41165.31853.32988.4131.2*EHRhp22.840.771.9127.1225.5表12.2 螺旋槳要素選取及結(jié)果與分析2.21 螺旋槳要素選?。ㄒ姳?）靜深水狀態(tài)下的設(shè)計(jì)拖帶航速:Vs=13km/h7.0kn 螺旋槳直徑：D=1.10m主機(jī)型號(hào)：NT/NTA885-M數(shù)量：2臺(tái)MCR:200hp x1744rpm功率儲(chǔ)備：10%設(shè)計(jì)點(diǎn)工況：180hp x1744rpm齒輪箱減速比：4 : 1螺旋槳轉(zhuǎn)速:N=436rpm軸系

11、效率：s=0.96齒輪箱傳遞效率：g=0.97伴流分?jǐn)?shù)：w=0.13推力減額：f=0.14船身效率：h=0.989 項(xiàng) 目單位 數(shù)值伴流分?jǐn)?shù) w 0.13拖航狀態(tài)設(shè)計(jì)航速 V kn 7V A =V(1-w) kn 6.09P D=MCR x 0.9 x s x g hp 167.6V A kn 6.09N rqm 436D m 1.10Bp x 海水/淡水=( N x ) / VA2.5 x海水/淡水(MAU圖譜為海水中圖譜，本船為內(nèi)河船)7.95=(N x D)/ V A 78.75表2根據(jù)，Bp查MAU圖譜得（如表3所示）：圖譜類型螺距比P/D敞水效率MAU4400.840.475MAU4

12、550.820.469MAU4700.800.457表32.22 結(jié)果與分析經(jīng)計(jì)算分析可知滿足空泡要求的最小盤面比約為Ae/Ao=0.65根據(jù)MAU440、MAU455、MAU470查得結(jié)果內(nèi)插可知：在該盤面比下的螺距P/D=0.807,敞水效率o=0.4612.3 推力曲線及自由航行計(jì)算 拖船有兩種典型的航行狀態(tài)：自航狀態(tài)和拖航狀態(tài)。拖船在自由航行狀態(tài)時(shí)，螺旋槳發(fā)出的推力只用于克服船體阻力;拖船在拖帶航行時(shí)，除了克服船體自身阻力外，還需要克服拖鉤上的拉力。兩種不同工況螺旋槳的工作狀態(tài)相差很明顯，因此，設(shè)計(jì)狀態(tài)的選取需要進(jìn)行具體的分析比較。2.31 設(shè)計(jì)航速時(shí)有效推力（如表5所示）： 扭矩：

13、M=75 x 60 x Po/2序 號(hào)項(xiàng) 目 單 位數(shù) 值 1假定航速Vskn 7 2VA=Vs x (1-w) x 0.5144m/s 3.133 3J 0.392 4KT 0.227 5KQ 0.0305 6T=2x(KT/KQ)(M/D)(1-t)kgf 3205.3 表5 當(dāng)拖船高于設(shè)計(jì)拖速航行時(shí)，相當(dāng)于阻力減小，由于進(jìn)速VA比原設(shè)計(jì)狀態(tài)有所增加,即VAVA此時(shí)螺旋槳發(fā)出的推力與吸收的轉(zhuǎn)矩減小，因而螺旋槳負(fù)荷變輕，則主機(jī)就可毫不費(fèi)力地轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳，使轉(zhuǎn)速越轉(zhuǎn)越快并超過額定轉(zhuǎn)速而出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。長時(shí)間的使主機(jī)在超過額定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)不允許的，所以只有采取減小主機(jī)噴油量來控制轉(zhuǎn)速，使之不超過額定

14、轉(zhuǎn)速。由于噴油量減小，主機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，其功率發(fā)揮不足。所以高于設(shè)計(jì)航速時(shí)，螺旋槳與主機(jī)配合的特點(diǎn)是保持原設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不變，而主機(jī)功率發(fā)揮不出來。2.32 高于設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力（如表6所示）：n=7.267 轉(zhuǎn)/秒序 號(hào) 項(xiàng) 目 單 位數(shù) 值 1假定航速Vskn8.0 9.0 10.0 11.0 2VA=Vs x (1-w) x 0.5144m/s3.580 4.028 4.475 4.923 3J0.448 0.504 0.560 0.616 4KT0.204 0.180 0.155 0.130 5T=2 x KTn2 D4(1-t)kgf2761.8 2437 2105.9 1764.9表6

15、當(dāng)拖船低于設(shè)計(jì)拖速航行時(shí)，相當(dāng)于阻力增加，由于進(jìn)速VA比原設(shè)計(jì)狀態(tài)有所下降,沖角增加，使螺旋槳工作時(shí)遇到的阻力矩增加。因機(jī)器的轉(zhuǎn)力矩不能再增加，就出現(xiàn)主機(jī)帶不帶螺旋槳現(xiàn)象。此時(shí)只能采取降低轉(zhuǎn)速的方法，使螺旋槳收到的轉(zhuǎn)力矩下降，直至與主機(jī)的額定轉(zhuǎn)力矩相等?？傊?，在此狀態(tài)下，螺旋槳與主機(jī)配合的特點(diǎn)為轉(zhuǎn)力矩保持設(shè)計(jì)狀態(tài)不變，而螺旋槳轉(zhuǎn)速下降，使螺旋槳不能充分吸收主機(jī)的額定功率。 計(jì)算此狀態(tài)下螺旋槳發(fā)出的有效推力，由于轉(zhuǎn)速時(shí)變化的，而且是未知的，因而在假設(shè)航速下并不能求得進(jìn)速系數(shù)J，故計(jì)算直接從假設(shè)進(jìn)速系數(shù)J開始，反求相應(yīng)的轉(zhuǎn)速及航速。2.33 低于設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力（如表7所示）： M=75 x

16、60 x Po/2N=275.3 kgf.m序 號(hào)項(xiàng) 目單位系泊低于設(shè)計(jì)航速1假定進(jìn)速系數(shù)J 00.1 0.2 0.3 0.42KQ0.04490.0415 0.3801 0.0343 0.03233KT0.37190.3719 0.3015 0.2641 0.24434推力減額t0.050.07 0.09 0.12 0.135N=60xrpm366.8381.4 398.2 419.5 432.56相應(yīng)航速Vs(kn)kn0.001.56 3.26 5.16 6.20 7T=2x(KT/KQ)(M/D)(1-t)kgf3945.23781.9 3611.1 3395.1 3300.3表72.

17、34 自由航行速度的確定 將表格計(jì)算結(jié)果畫成推力速度曲線（TV） 推力曲線與船體阻力曲線之交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度為自由航行速度見附錄（圖1） V=10.14kn=18.78km/h2.4 計(jì)算總結(jié) 直徑：D=1.10m槳數(shù)：2只螺距比：P/D=0.807 盤面比：Ae/Ao=0.65 葉型：MAU 葉數(shù)：Z=4材料鎳鋁青銅（Cu3） 重量：170kg 自由航速：18.8km/h2.5 螺旋槳模型的敞水實(shí)驗(yàn) 螺旋槳模型單獨(dú)在靜水中的實(shí)驗(yàn)稱為敞水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)可以在船模實(shí)驗(yàn)池或空泡水筒中進(jìn)行。它是檢定和分析螺旋槳性能較為簡便的方法。 螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)的目的有以下幾條：1）進(jìn)行螺旋槳模型的系列實(shí)驗(yàn)，將所得的結(jié)果繪

18、制成圖譜，以供螺旋槳設(shè)計(jì)之用；2）根據(jù)系列選取的結(jié)果，可以全面系統(tǒng)地分析螺旋槳各種幾何要素對(duì)性能的影響，以供設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇各種參數(shù)，并為改善螺旋槳性能提供方便；3）為配合自航實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行同一螺旋槳的敞水實(shí)驗(yàn)時(shí)，以分析推進(jìn)效率成分，比較各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，便于選擇最佳的螺旋槳。 由設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)證明，要使幾何相似的螺旋槳成為動(dòng)力相似，主要具備的條件是進(jìn)速系數(shù)J相等。就是說，不論實(shí)際螺旋槳與模型螺旋槳旋槳之間的絕對(duì)尺度和運(yùn)動(dòng)速度怎么不同，只要保持它們之間的幾何相似、進(jìn)速系數(shù)J相等，則無因次系數(shù)KT、KQ和o均相等，因此可將螺旋槳的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于其幾何相似的實(shí)際螺旋槳中。當(dāng)幾何形狀或進(jìn)速J改變時(shí)，則無

19、因次系數(shù)KT、KQ和o亦隨之改變；因此對(duì)于幾何形狀一定的螺旋槳來說，其水動(dòng)力性能只與進(jìn)速系數(shù)J有關(guān)，而KT、KQ和o為進(jìn)速系數(shù)J的函數(shù)，因此可以寫成下列三式： KT = T / n2D4 = f1(J) KQ = Q/ n2D5 = f2(J)o = (KT / KQ).(J/2) = f3(J) 螺旋槳實(shí)驗(yàn)的目的就是要測(cè)定螺旋槳的性能數(shù)據(jù)，即求出上述KT、KQ和o與J的變化規(guī)律，一般是采用保持模型的轉(zhuǎn)速n不變，而以不同的進(jìn)速VA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來改變進(jìn)速系數(shù)J的值。3.螺旋槳設(shè)計(jì)的發(fā)展3.1節(jié)能減排促使螺旋槳加快創(chuàng)新減少排放和節(jié)省燃油成本促使越來越多的船東將注意力轉(zhuǎn)向螺旋槳。目前，有兩款新技術(shù)應(yīng)用于

20、船舶螺旋槳。具有順槳功能的雙螺旋槳     單一主機(jī)在較低的功率水平時(shí)會(huì)損失效率，而依*采用較小雙主機(jī)的雙螺旋槳操作可提供更大的靈活性，在船舶需要以略低的航速航行時(shí)可以僅使用一組推進(jìn)裝置，在需要時(shí)可起動(dòng)余下的另一臺(tái)主機(jī)。除了增加冗余外，雙槳配置由于較少的排放而對(duì)環(huán)境有益。Berg Propulsion公司最近推出帶有對(duì)雙螺旋槳船有順槳功能的Berg可調(diào)螺距螺旋槳。該公司認(rèn)為，這個(gè)解決方案特別適合沿海液貨船。     船舶在較低航速航行時(shí)使雙螺旋槳中的一只螺旋槳處于順槳狀態(tài)的概念是，將2只螺旋槳中不工作的螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)90度，使它們與水

21、流平行，從而使阻力降到最小并進(jìn)一步節(jié)省工作主機(jī)燃燒的燃油。順槳是連接和脫開不需工作的軸系的更有效替代方法。     首批具有順槳功能的BCP安裝于中國的鼎衡（江蘇）造船建造的船長100米的化學(xué)品運(yùn)輸船上，以及在佛羅利達(dá)Eastern Shipbuilding Group建造的船長85.5米的渡船上。Berg公司認(rèn)為，對(duì)現(xiàn)有船舶改裝這種設(shè)計(jì)的螺旋槳也有極大的潛力，投資可得到快速回收，同時(shí)可減少污染。     Promas 概念螺旋槳     提高效率和滿足新的環(huán)境挑戰(zhàn)的另一種解決方案是Rolls-Royce

22、 Marine公司的Prom as概念。它的特色是螺旋槳的槳轂?zāi)苁顾鞴忭樀亓飨蜓b有Costa舵球的扭曲舵。吸引人的是其推進(jìn)效率可提高6%，這種技術(shù)對(duì)于中小型船舶和化學(xué)品運(yùn)輸船特別有吸引力。     光順螺旋槳流入帶扭曲導(dǎo)邊舵的水流，可以回收漩渦能量，并消除轂渦。扭曲程度不是固定的，應(yīng)適合于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向。螺旋槳槳葉上的負(fù)荷也可以重新分布，以達(dá)到更高的效率，同時(shí)降低噪聲和振動(dòng)。壓力脈動(dòng)的實(shí)際減少預(yù)計(jì)平均約為25。     在正常轉(zhuǎn)舵時(shí)，失速臨界角可減小34度，而在機(jī)動(dòng)操縱時(shí)可提供較大的角度和較高的升力，并限制舵的空化現(xiàn)象。因此，可減

23、小普通舵的面積，在低速時(shí)產(chǎn)生15的額外側(cè)向力。一個(gè)光順的蓋帽有助于產(chǎn)生更好的水流和減少損耗。     Rolls-Royce聲稱，安裝Promas后，船東可以在2年內(nèi)收回成本。正在研究的1艘載重量為8000dwt的普通化學(xué)品運(yùn)輸船或成品油船，方形系數(shù)為0.81，服務(wù)航速計(jì)劃為15kn?？紤]3種不同的舵扭曲，舵對(duì)功率的需求可減小6.59.5%，且船體僅需較小的導(dǎo)流鰭。如果需要，船東還可要求在舵上裝置襟翼。     如果需要，現(xiàn)有船舶也可改裝成套Promas裝置。對(duì)載重量約在40000dwt/50000dwt以下的單螺旋槳油船（及散貨船），不論是新建船舶還是在航船舶此概念都顯示出較好的遠(yuǎn)景。結(jié)束語 螺旋槳為船的前進(jìn)提供的推力，但影響螺旋槳推進(jìn)性能的因素很多。本設(shè)計(jì)項(xiàng)目結(jié)果表明，它與主機(jī)、船體和流體間的關(guān)系密切，如何正確處理螺旋槳各要素如直徑、螺距比H/D,盤面比、槳葉輪廓形狀、葉數(shù)及轉(zhuǎn)速n等的關(guān)系也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及難點(diǎn)，通過這次的學(xué)習(xí)和實(shí)踐分析，并取得了一定的成果，本次設(shè)計(jì)的主要總結(jié)如下：（1）只要螺旋槳直徑未超過尾型和吃水條件的限制，就可以通過設(shè)計(jì)圖譜求得敞水效率最佳的螺旋槳直徑；（2）在進(jìn)速系數(shù)相同時(shí)，螺距比越大，推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩