浅谈船舶螺旋桨的设计

1、浅谈船舶螺旋桨的设计目 录目录1摘要2关键词2引言21 结构与计算要素31.1 结构组成31.2 计算要素32 项目设计过程及结果与分析5 2.1 船体估算数据62.2 螺旋桨要素选取及结果与分析62.3 推力曲线及自由航行计算及结果与分析72.4 计算总结92.5 螺旋桨模型的敞水实验93 螺旋桨设计的发展113.1 节能减排促使螺旋桨加快创新11结束语13参考文献14致谢14附录14 摘 要螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为船的前进提供的推力。螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶

2、线型设计，并通过估算或用船模试验的方法确定了船体有效功率之后进行的。影响螺旋桨推进性能的因素很多，在本设计过程中主要对螺旋桨的直径、螺距比、盘面比、桨叶轮廓形状等因素进行研究，并通过在工作中积累的经验，设计一艘内河A级拖船的螺旋桨。关键词 螺旋桨 直径 螺距比 盘面比 桨叶轮廓形状引言 船在水面或水中的航行时遭受阻力，为了使船舶能保持一定的速度向前航行，必须供给船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠专门的装置或机构通过吸收主机发出的能量并把它转换成推力而得，而这种专门吸收与转换能量的装置或转换能量的装置或机构统称为推进器。推进器种类很多，例如风帆，民轮，直叶推进器，喷水推

3、进器及螺旋桨等，螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是目前应用最广的推进器。1 结构与计算1.1结构组成 螺旋桨俗称车叶，通常由桨叶和浆毂组成。螺旋桨与尾轴连接部分叫浆毂，浆毂是一个锥形体。为了减小水的阻力，在浆毂后端加一整流罩，与浆毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。 螺旋桨在水中产生推力的部分叫桨叶，桨叶固定在浆毂上。普通螺旋桨常为3叶或4叶，2叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近年来有些船舶（如大吨位大功率的油船），为避免震动而采用5叶或5叶以上的螺旋桨。 由船尾向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂连接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时先入水

4、的一边称为导边，另一边称为随边。螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径，以D表示。梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积以Ao表示，可用下式表示它们之间的关系： Ao=D2/4 由船后向前看去，螺旋桨正车旋转为顺时针者称为右旋桨，反之，则成为左旋桨。装于船尾两侧之螺旋桨，左桨左旋，右桨右旋称为外旋桨，左桨右旋，右桨左旋称为内旋桨。1.2结构计算要素1）螺旋桨直径：首先考虑与尾型和吃水的关系，在绘制船体线型时，已基本决定了螺旋桨的轴线位置和可能的最大直径。从尾型和吃水条件看，普通船舶的螺旋桨直径大约在下列范围：单桨D=(0.70.8)Tw;双桨D=(0.60.7)T w. 式中Tw为

5、船舶满载时的船尾吃水。只要螺旋桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水效率最佳的螺旋桨直径。但是由于船后伴流不均匀性的影响，敞水最佳直径与船后最佳直径略有差别。随着伴流不均匀的程度，最佳直径应有不同程度的减小：单桨所处的位置的伴流不均匀性较大，最佳直径要减35%；双桨所处的位置伴流比较均匀，最佳直径约减少24%。2）盘面比：若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和转距均随盘面比的增加而增大。但盘面比大时，翼栅作用较甚，桨叶的摩擦阻力也较大，螺旋桨的效率就较低。盘面比太小时，因强度需要，势必增加桨叶厚度，这时桨叶单位面积所发出的推力较大，容易发生空泡，且会增加涡旋阻力

6、，致使效率反而降低。所以在设计螺旋桨时，均选择不发生空泡的最小盘面比。3）桨叶轮廓形状：桨叶的外形轮廓多螺旋桨的效率和空泡性都能有影响。但是通过我们现场反馈的意见表明，对一般接近椭圆形的桨叶，叶形的变化对螺旋桨效率影响不大。4）叶数：螺旋桨叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和空泡多方面加以考虑。一般认为若螺旋桨的直径及展开面积相同，则叶数少者效率略高，叶数多者因叶片与叶片间产生的相互干扰作用较大，效率常略低。叶数多者对减小振动有利，叶数少者对避免空泡有利。5）螺旋桨转速：螺旋桨转速低一些，则直径可以较大，效率也会较高，但对主机来说，转速高，则机器效率高，主机的重量和尺寸也可以减小，从这

7、里可以看出螺旋桨转速和主机转速要求之间是相互对立而又互相联结。因此就需要螺旋桨的转速和主机的转速之间要匹配好。但在进行一般民用船舶的螺旋桨设计时，主机往往是从现已生产的一定功率的几种船用主机中加以比较选取，更多的情况是先有主机再进行船舶设计。因此在设计螺旋桨时，螺旋桨的转速常是给定的。 在功率相同的情况下，则但螺旋桨船的推进效率高于双螺旋桨，这时因为单螺旋桨位于船尾纵中剖面上，伴流较大，而且单桨的直径较双桨大，故其效率较高。2 .项目设计过程及结果与分析船体主尺度及船型系数这个螺旋桨设计来自于一艘内河A级拖船，以下是与该设计有关的船体的主尺度及船型系数：总 长 23.7米 水线长 23米型 宽

8、 5.30米 型 深 2.0米设计吃水 1.25米 设计排水量 88.7吨艏舷高 2.55米 艉舷高 2.25米方形系数 0.578 水线面系数 0.809中剖面系数 0.917 纵向菱形系数 0.630浮心纵向位置 -0.6512.1 船体估算数据该船体有效效率估算（兹万科夫法），见表1垂线间长: L 22.0 m型宽: B 5.3 m吃水: T 1.25 m方形系数: Cb 0.57摩擦阻力系数:f 0.1497有隧道: m 1.2水温: t 1.5 舯横剖面面积: Am 6.0884 m²浸水面积: 99.462m剩余阻力系数: 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 螺旋桨要素选取及结果与分析2.21 螺旋桨要素选取（见表2）静深水状态下的设计拖带航速:Vs=13km/h7.0kn 螺旋桨直径：D=1.10m主机型号：NT/NTA885-M数量：2台MCR:200hp x1744rpm功率储备：10%设计点工况：180hp x1744rpm齿轮箱减速比：4 : 1螺旋桨转速:N=436rpm轴系

11、效率：s=0.96齿轮箱传递效率：g=0.97伴流分数：w=0.13推力减额：f=0.14船身效率：h=0.989 项 目单位 数值伴流分数 w 0.13拖航状态设计航速 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图谱为海水中图谱，本船为内河船)7.95=(N x D)/ V A 78.75表2根据，Bp查MAU图谱得（如表3所示）：图谱类型螺距比P/D敞水效率MAU4400.840.475MAU4

12、550.820.469MAU4700.800.457表32.22 结果与分析经计算分析可知满足空泡要求的最小盘面比约为Ae/Ao=0.65根据MAU440、MAU455、MAU470查得结果内插可知：在该盘面比下的螺距P/D=0.807,敞水效率o=0.4612.3 推力曲线及自由航行计算 拖船有两种典型的航行状态：自航状态和拖航状态。拖船在自由航行状态时，螺旋桨发出的推力只用于克服船体阻力;拖船在拖带航行时，除了克服船体自身阻力外，还需要克服拖钩上的拉力。两种不同工况螺旋桨的工作状态相差很明显，因此，设计状态的选取需要进行具体的分析比较。2.31 设计航速时有效推力（如表5所示）： 扭矩：

13、M=75 x 60 x Po/2序 号项 目 单 位数 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 当拖船高于设计拖速航行时，相当于阻力减小，由于进速VA比原设计状态有所增加,即VAVA此时螺旋桨发出的推力与吸收的转矩减小，因而螺旋桨负荷变轻，则主机就可毫不费力地转动螺旋桨，使转速越转越快并超过额定转速而出现飞车现象。长时间的使主机在超过额定转速下工作时不允许的，所以只有采取减小主机喷油量来控制转速，使之不超过额定

14、转速。由于喷油量减小，主机转矩减小，其功率发挥不足。所以高于设计航速时，螺旋桨与主机配合的特点是保持原设计转速不变，而主机功率发挥不出来。2.32 高于设计航速时的有效推力（如表6所示）：n=7.267 转/秒序 号 项 目 单 位数 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、当拖船低于设计拖速航行时，相当于阻力增加，由于进速VA比原设计状态有所下降,冲角增加，使螺旋桨工作时遇到的阻力矩增加。因机器的转力矩不能再增加，就出现主机带不带螺旋桨现象。此时只能采取降低转速的方法，使螺旋桨收到的转力矩下降，直至与主机的额定转力矩相等。总之，在此状态下，螺旋桨与主机配合的特点为转力矩保持设计状态不变，而螺旋桨转速下降，使螺旋桨不能充分吸收主机的额定功率。 计算此状态下螺旋桨发出的有效推力，由于转速时变化的，而且是未知的，因而在假设航速下并不能求得进速系数J，故计算直接从假设进速系数J开始，反求相应的转速及航速。2.33 低于设计航速时的有效推力（如表7所示）： M=75 x

16、60 x Po/2N=275.3 kgf.m序 号项 目单位系泊低于设计航速1假定进速系数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推力减额t0.050.07 0.09 0.12 0.135N=60xrpm366.8381.4 398.2 419.5 432.56相应航速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 自由航行速度的确定 将表格计算结果画成推力速度曲线（TV） 推力曲线与船体阻力曲线之交点对应的速度为自由航行速度见附录（图1） V=10.14kn=18.78km/h2.4 计算总结 直径：D=1.10m桨数：2只螺距比：P/D=0.807 盘面比：Ae/Ao=0.65 叶型：MAU 叶数：Z=4材料镍铝青铜（Cu3） 重量：170kg 自由航速：18.8km/h2.5 螺旋桨模型的敞水实验 螺旋桨模型单独在静水中的实验称为敞水实验，实验可以在船模实验池或空泡水筒中进行。它是检定和分析螺旋桨性能较为简便的方法。 螺旋桨敞水实验的目的有以下几条：1）进行螺旋桨模型的系列实验，将所得的结果绘

18、制成图谱，以供螺旋桨设计之用；2）根据系列选取的结果，可以全面系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能提供方便；3）为配合自航实验和进行同一螺旋桨的敞水实验时，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。 由设计和实验证明，要使几何相似的螺旋桨成为动力相似，主要具备的条件是进速系数J相等。就是说，不论实际螺旋桨与模型螺旋桨旋桨之间的绝对尺度和运动速度怎么不同，只要保持它们之间的几何相似、进速系数J相等，则无因次系数KT、KQ和o均相等，因此可将螺旋桨的模型实验结果应用于其几何相似的实际螺旋桨中。当几何形状或进速J改变时，则无

19、因次系数KT、KQ和o亦随之改变；因此对于几何形状一定的螺旋桨来说，其水动力性能只与进速系数J有关，而KT、KQ和o为进速系数J的函数，因此可以写成下列三式： KT = T / n2D4 = f1(J) KQ = Q/ n2D5 = f2(J)o = (KT / KQ).(J/2) = f3(J) 螺旋桨实验的目的就是要测定螺旋桨的性能数据，即求出上述KT、KQ和o与J的变化规律，一般是采用保持模型的转速n不变，而以不同的进速VA进行实验来改变进速系数J的值。3.螺旋桨设计的发展3.1节能减排促使螺旋桨加快创新减少排放和节省燃油成本促使越来越多的船东将注意力转向螺旋桨。目前，有两款新技术应用于

20、船舶螺旋桨。具有顺桨功能的双螺旋桨     单一主机在较低的功率水平时会损失效率，而依*采用较小双主机的双螺旋桨操作可提供更大的灵活性，在船舶需要以略低的航速航行时可以仅使用一组推进装置，在需要时可起动余下的另一台主机。除了增加冗余外，双桨配置由于较少的排放而对环境有益。Berg Propulsion公司最近推出带有对双螺旋桨船有顺桨功能的Berg可调螺距螺旋桨。该公司认为，这个解决方案特别适合沿海液货船。     船舶在较低航速航行时使双螺旋桨中的一只螺旋桨处于顺桨状态的概念是，将2只螺旋桨中不工作的螺旋桨桨叶旋转90度，使它们与水

21、流平行，从而使阻力降到最小并进一步节省工作主机燃烧的燃油。顺桨是连接和脱开不需工作的轴系的更有效替代方法。     首批具有顺桨功能的BCP安装于中国的鼎衡（江苏）造船建造的船长100米的化学品运输船上，以及在佛罗利达Eastern Shipbuilding Group建造的船长85.5米的渡船上。Berg公司认为，对现有船舶改装这种设计的螺旋桨也有极大的潜力，投资可得到快速回收，同时可减少污染。     Promas 概念螺旋桨     提高效率和满足新的环境挑战的另一种解决方案是Rolls-Royce

22、 Marine公司的Prom as概念。它的特色是螺旋桨的桨毂能使水流光顺地流向装有Costa舵球的扭曲舵。吸引人的是其推进效率可提高6%，这种技术对于中小型船舶和化学品运输船特别有吸引力。     光顺螺旋桨流入带扭曲导边舵的水流，可以回收漩涡能量，并消除毂涡。扭曲程度不是固定的，应适合于螺旋桨的旋转方向。螺旋桨桨叶上的负荷也可以重新分布，以达到更高的效率，同时降低噪声和振动。压力脉动的实际减少预计平均约为25。     在正常转舵时，失速临界角可减小34度，而在机动操纵时可提供较大的角度和较高的升力，并限制舵的空化现象。因此，可减

23、小普通舵的面积，在低速时产生15的额外侧向力。一个光顺的盖帽有助于产生更好的水流和减少损耗。     Rolls-Royce声称，安装Promas后，船东可以在2年内收回成本。正在研究的1艘载重量为8000dwt的普通化学品运输船或成品油船，方形系数为0.81，服务航速计划为15kn。考虑3种不同的舵扭曲，舵对功率的需求可减小6.59.5%，且船体仅需较小的导流鳍。如果需要，船东还可要求在舵上装置襟翼。     如果需要，现有船舶也可改装成套Promas装置。对载重量约在40000dwt/50000dwt以下的单螺旋桨油船（及散货船），不论是新建船舶还是在航船舶此概念都显示出较好的远景。结束语 螺旋桨为船的前进提供的推力，但影响螺旋桨推进性能的因素很多。本设计项目结果表明，它与主机、船体和流体间的关系密切，如何正确处理螺旋桨各要素如直径、螺距比H/D,盘面比、桨叶轮廓形状、叶数及转速n等的关系也是设计的关键及难点，通过这次的学习和实践分析，并取得了一定的成果，本次设计的主要总结如下：（1）只要螺旋桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水效率最佳的螺旋桨直径；（2）在进速系数相同时，螺距比越大，推力系数和转矩