大连理工大学专业学位硕士学位论文-船舶推进技术与节能

1、专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文船舶推进技术与节能the ships propulsion technology and energy conservation大连理工大学dalian university of technology大连理工大学专业学位硕士学位论文摘 要本文通过对螺旋桨与主机的工况配合，提出节约能源提高航速的有效途径，文中主要介绍了主机与螺旋桨在各个工况下的配合情况，以及螺旋桨制造的设计方法，本文以津港轮24号船为例，研究了螺旋桨与主机的匹配以及浆的设计制造方面的问题。通过改造使船舶油耗降低，节约了能源，提高了经济效益。拖船等多工况船舶都具有两种典型的航行状态:自航状态

2、和拖航状态。在这两种状态下，螺旋桨所处的工作状态有很大的差异，当工作状况改变时，考虑到经济效益，可以对螺旋桨进行改造。(1) 通过实践阐述机浆匹配的意义和作用。（2）各个工况条件下的工作曲线分析。（3）简介船舶节能的方法。(4) 概述了船用螺旋的设计问题。现有的设计方法和常规图谱设计流程，进而分析了多工况船舶螺旋桨设计的特点;结合实际情况，简要地分析了多工况船舶螺旋桨设计工况的选取问题，在此基础上以津港轮24为实船设计了两只螺旋桨，降低燃油消耗，实测显示效果良好。关键词:节能、匹配、设计、- i -the ships propulsion technology and energy conse

3、rvationabstractthis article study condition of propeller cooperate with the main engine ， made effective way to economy energy sources and improve the speed of vessel. introduce describes each of the propeller and the main engine .host state coordination, as well as the methods of the propeller desi

4、gn, this article is located” jinganglun 24” of ship wheel as an example, of a propeller with the main engine as well as the design and manufacture of ship by reducing the fuel consumption of reconstruction, energy savings, improved economic efficiency. the tug-boat as the condition of the ship has t

5、wo typical voyage status: navigate by self state and towage state. in both of these conditions, the work state of the propeller have a great difference, when working conditions change, taking into account the economic benefits, you can rebuild propeller. (1)elaborate the effect and importance that c

6、oordination of engine and propeller through practice.（2）analysis work curve of each condition。（3）introduce method of ship energy saving。(4) provides an overview of marine propeller design issues。the existing design methods and practices of the atlas of the design process, a number of operating mode

7、the characteristics of the ships propeller design; the actual situation, combined with a brief analysis of the condition of propeller selection of design conditions, on this basis to “jinganglun 24” to design two propellers, reducing fuel consumption, measured shows well.key words：energy-saving emis

8、sion reduction match design- iii -目 录摘 要iabstractii引 言11节能螺旋桨的发展概况21.1卡普尔(kappel )螺旋桨21. 2.大侧斜螺旋桨41.3尾流收缩叶梢有载螺旋桨(cltp)82.螺旋桨的设计112.1螺旋桨的设计方法112.1.1经验设计法112.1.2图谱设计法122.1.3环流理论设计方法142.2多工况船舶螺旋桨的设计特点142.2.1螺旋桨型式的选取142.2.2设计工况的选取152.3多工况船舶螺旋桨设计工况的优选163拖轮螺旋桨改造173.1拖轮航行状态的变化173.2原螺旋桨数据183.4强度计算213.5重量及惯性

9、矩计算233.5.1方法一233.5.2方法二233.5.3螺旋桨总惯性矩233.6敞水特性曲线的确定233.7螺旋桨计算总结244.实际螺旋桨数据254.1桨叶实测数据254.2改造后与改造前燃油消耗率比较294.3 运行状态检测294.4经济性分析：29结 论31参 考 文 献32附录a 附录内容名称33攻读硕士学位期间发表学术论文情况37致 谢38大连理工大学学位论文版权使用授权书39引 言 本文以津港轮24号船为例，研究了螺旋桨与主机的匹配以及浆的设计制造方面的问题。津港轮24号船长40米 、 船宽12.5米 、 型深4.6米、排水量549.66吨、 拖力19吨 、主机yanmar t

10、260-st 1029kw 两台。采用双机双桨双舵，原设计为港做顶拖、沿海拖带多用途船舶，由于天津港的发展，顶托作业已经被全回转拖轮取代，沿海驳船货运也不适应经济发展的要求，目前的现状是作为接送引航员的交通船使用。由于该船的抗风浪能力强，目前没有其他船舶可以代替。但其过高的油耗成为公司成本控制的难点和重点，如：2007年平均月耗油量57吨，2008年平均月耗油量54.9吨。如何在保证安全生产的前提下，降低燃油消耗成为公司重点解决的课题。公司根据实际情况多次组织分析解决办法，认为过去几年该船主要以接送引航员为主要任务，在将来其工作性质也不会发生改变，重点突出自航时的速度，消弱拖航时的拖力，可以通

11、过螺旋桨改造，把其具备的拖力向航速转化。2008年公司将轮24的节能减排作为一个课题，准备进行螺旋桨改造。经过前期设计，制造结合2009年5月坞修对螺旋桨进行了更换，效果非常理想。在国内的记录中只有理论方面的研究，尚未发现有此方面实践记录，对旧双桨拖船进行实船螺旋桨节能改造是本论文的首创。 1节能螺旋桨的发展概况 设计一种好的螺旋桨，不但可以使船速增加，而且还可节省燃料，减少噪音和振动，因而螺旋桨设计是各国造船工程师十分关心的课题。首先介绍国外新型螺旋桨的节能方面的效果。 1.1卡普尔(kappel )螺旋桨 70年代中期，美国国家航空和航天管理局对机翼末端结构进行研究。怀德肯伯和其他学者进行

12、大量计算和模型试验，开发了装在机翼末端的垂直小翼。安装在机翼或桨叶吸力面一边的垂直小翼能减小横向绕流，增大叶切面环量，从而提高升力或效率。如果垂直小翼装在机翼或桨叶的压力面一边，其效果就明显减低。 怀德肯伯开发的机翼末端垂直小翼在飞机巡航飞行时是十分有效的。这种带有垂直小翼的机翼在波音747-400型、欧洲空中客车430喷气式客机以及其他现代喷气式飞机上都可以见到。 丹麦造船科学家卡普尔从怀德肯伯论文的启示，提出了螺旋桨叶0. 8758以上的梢部向前弯曲呈圆弧形状，这种螺旋桨被称为卡普尔螺旋桨。模型试验表明，卡普尔螺旋桨的敞水效率比常规桨高3%，节省主机功率5%。一艘航速25 kn的单桨集装箱

13、船的卡普尔螺旋桨在汉堡水池进行了模型试验，与常规桨比较，卡普尔螺旋桨的敞水效率比常规桨高4 %,，主机功率节约2.80%就高速单桨集装箱船而言，常规桨的效率已经相当高，要进一步改进就十分困难，因此卡普尔螺旋桨的试验结果非常令人鼓舞。 卡普尔螺旋桨的计算机绘制系统能设计任何几何形状包括桨叶向前弯曲、向后弯曲以及弯曲的不同程度。选择桨叶略向吸力面弯曲是从螺旋桨效率、空泡性能和制造这三方面折衷考虑得出的。 根据参数研究和模型试验，卡普尔螺旋桨的效率比常规桨增加的百分数见图1.1 在图1.1中，螺旋桨的参数为: 叶数(z) :4 毂径比(db/d):0.175 试验雷诺数(re) :107伸长面比(a

14、e/ao):0.80;0.55其中kt:推力系数;j:进速系数图1.1 螺旋桨敞水效率增加与负荷系数关系曲线fig1.1 relation curve between open water propeller efficiency with load coefficient。 最近一艘支线集装箱船和一艘高速渡船采用卡普尔螺旋桨。该螺旋桨的设计依据理论方法和模型试验。丹麦技术大学安德逊教授1996年6月在挪威trondheim举行的海洋流体力学会议上提出该两艘船的卡普尔螺旋桨的性能和常规桨性能比较的文章。该论文包括卡普尔螺旋桨和常规桨的设计和模型试验结果。 模型试验包括螺旋桨敞水试验，自航试验和

15、空泡试验。卡普尔螺旋桨和常规桨均在中等推力负荷下设计，桨叶都有中等侧斜，叶面积比为0.58。卡普尔螺旋桨由丹麦技术大学设计，常规桨由丹麦海运学院设计。 敞水试验结果表明，卡普尔螺旋桨的敞水效率比常规桨高5%，比荷兰水池b系列高7%。预报实船采用卡普尔螺旋桨的主机功率比采用常规桨的主机功率节约3.7-4.7%。 在空泡试验中，发现卡普尔螺旋桨有略多的片状空泡和稍高的脉动压力。安德逊教授认为，根据现有的经验，卡普尔螺旋桨可以设计到常规侧斜桨的空泡和脉动压力水平。他相信，利用现有的数值计算方法，可以使卡普尔螺旋桨的空泡脉动压力量级低于常规侧斜螺旋桨水平。 由于卡普尔螺旋桨独特的桨叶和叶梢形状，卡普尔

16、调距桨的面积比最大可达到0.8或更大，对空泡性能而言，这是一个重要的特点。常规调距桨的叶面积比一般限制在0.75左右。 卡普尔将继续改进其设计方法，特别在螺旋桨的负荷分布和几何形状包括侧斜等方面进一步优化螺旋桨设计。这种潜在改进有望在以后的试验中得到证实。 德国blohm & voss公司已在fm 130型高速渡船方案中应用卡普尔调距桨。blohm&voss公司的fm 130型高速渡船采用比常规调距桨的面积比大10%的卡普尔调距桨，这对空泡和螺旋桨效率都是有利的。 为进一步发展卡普尔螺旋桨，1997年8月建立了联合欧洲联盟基金的kapriccio计划。该计划参加的单位有:德国kvaerner

17、warnow船厂英国stone manganese marine螺旋桨制造公司、德国汉堡hvsa试验水池、丹麦海运研究所和丹麦技术大学。 kapriccio计划中各单位研究项目分工如下: 丹麦技术大学进一步开发非平面升力面理论，包括螺旋桨在恒定伴流场中的性能。 丹麦海运研究所研究螺旋桨在伴流场中诱导的压力脉动量级的数值计算方法。德国hsva试验水池和丹麦技术大学在变化雷诺数下进行试验，研究一种有效的估算尺度效应的方法，兼容德国试验水池常用的方法，因为卡普尔螺旋桨的尺度效应比常规桨的尺度效应大。这项工作将包括实桨试验，使理论、模型试验和实桨试验结果之间得到相关比较。 按kapriccio研究计划

18、，kappel螺旋桨的参数研究与其进行比较的常规螺旋桨都以kvaerner warnow船厂建造的cv 2900型集装箱船的6叶螺旋桨为对象。 卡普尔螺旋桨几何形状的逐步修改和参数计算由卡普尔负责，相应的常规螺旋桨由英国stone manganese marine公司负责设计。stone manganese marine公司还以专门开发的fea计算机程序研究卡普尔螺旋桨的应力，并对卡普尔螺旋桨的铸造和加工制定标准。该公司与其他公司合作还将研究正确定义和测量卡普尔螺旋桨几何形状的方法。 hsva试验水池将在不同雷诺数下进行卡普尔螺旋桨的敞水试验、自航试验和空泡试验，以证实其尺度效应。空泡试验在h

19、sva试验水池的hykat空泡筒中进行，螺旋桨放置在cv2900型集装箱船船体后面。 在这些工作以后，cv2900型集装箱船的卡普尔螺旋桨就能选定并进行试验，然后与设计的常规螺旋桨进行模型和实桨试验比较。 1. 2.大侧斜螺旋桨自从1978年以来，卡来瓦公司已经交付了约400只大侧斜螺旋桨，其中大部分为新船设计的，有20%是为更换旧船的常规螺旋桨。seaspeed dana”号和她的姊妹船由于常规螺旋桨产生很大的舰部振动，在螺旋桨上方的船壳板发生破裂，主机不能全功率使用。在换上卡米瓦大侧斜螺旋桨后，振动减少了50%以上，主机转速可以提高，航速恢复到设计状态。 图1.2 侧斜角（大于25为大侧斜

20、桨） fig1.2 skewed angle（25call highly skewed propeller）“song of norway”号旅游船改造时，船体接长，安装了大侧斜调距桨，船后部客舱的噪音比以前减少了12db，平均降低8db。此后，又有几艘旅游船和渡船采用大侧斜螺旋桨更换常规螺旋桨。这些船的舒适性有了较大的改善，受到旅客的欢迎，显示了螺旋桨的激振程度直接影响商业上的成败。目前，已有百余艘大型客船安装了大侧斜可调螺距螺旋桨(大测斜桨如图1.2所示)。在营运中证明，减振效果明显。与10多前年建造的常规螺旋桨客船相比较，装有大侧斜现代船舶的特点是:螺旋桨的激振减低了约2/3，作用在螺旋

21、桨上方船体的最大叶频压力幅度从5kpa-8kpa减少到1.5kpa-3kpa，振动速度也从4mm/s-7mm/s减少到lmm/s-3mm/s。这种振幅对旅客和船员已几乎感觉不到。 但是，现在有些船采用大侧斜桨不是用来使振动降到最小，而是用来改善推进效率。由于大侧斜螺旋桨可以允许较小的螺旋桨和船体之间的空隙，从而增加大侧斜螺旋桨的直径，螺旋桨效率可以提高3%-5%，获得较好的节能效果。 “pearl scandinavia”号旅游船原来常规桨更换了大侧斜螺旋桨后，在6个航次中测得燃油消耗降低10 % . 大侧斜螺旋桨模型的敞水和系柱特性曲线与常规桨特性作了比较后指出，在给定的载荷、叶片载荷分布和

22、空泡安全裕度下，大侧斜螺旋桨效率和系柱拖力与常规桨基本相同。研究还发现在某些设计中大侧斜螺旋桨的推力比常规桨推力高20%-30%.大侧斜螺旋桨对推进和操纵性没有任何不利，这是船舶应用大侧斜螺旋桨首先要考虑的因素。 大侧斜调距桨的优点是它能够极好地与不同推进工况匹配，调节螺距使船舶能够在一个很广的功率和航速的组合范围内营运。传统的例子是拖船和拖网渔船，它们的主机全功率能在轻载自由航行和重载荷拖曳工况下充分利用。在现代渡船和旅游船上中速柴油机的使用日益增多，用两台或多台柴油机通过齿轮箱驱动调距桨已很普遍。船长根据航线和时间表选用1台、2台或更多台主机联用而使它们达到全转速，特别是许多船上使用轴带交

23、流发电机。因此，在设计螺旋桨时，必须考虑一切非设计工况，做一些折衷兼顾分析，如直径的选择、螺距分布和叶剖面拱度等，以满足整个速度范围内能获得较高的推进效率和良好的空泡性能。 90年代，许多航运公司在诸如滚装船、渔船、客船上用大侧斜桨叶更换常规桨桨叶。现在，大侧斜螺旋桨已被用来增加推进效率，提高航速，其节能效果可以从下面的例子得到证实。 1980年，罗马尼亚galatz船厂为柏兰、阿库斯森航运公司建造8艘双桨滚装船，还有4艘仅平行中体增加26 m，船长为147.4 n、的相同设计的滚装船在中国大连船厂建造。每艘船的双桨推进系统包括2台mak主机，每台主机的制动功率为2660kw，采用挪威安斯坦公

24、司600agsc减速齿轮，调距桨由安斯坦公司设计，转速为242 r/min. 在中国建造的“symphorine”号滚装船的船东vbem公司后来要求安斯坦螺旋桨设计公司研究一下该船旧的调距桨叶换新的桨叶是否值得，这是为了减少“symphorine”号的桨叶产生腐蚀和提高螺旋桨效率，增加航速，使该船在泽布勒格到伊明哈姆航线上保持正常的船期。安斯坦公司按大侧斜调距桨桨叶进行计算，其结果表明，这两方面的要求都能达到。根据航行统计资料，“symphorine”号的航速可以提高0.6 kn. “symphorine”号原来的螺旋桨设计在当时是合理的，并且设计的螺旋桨曾在挪威trondheim船模水池进行

25、过试验。 从“symphorme”号螺旋桨计算发现，在相同螺旋桨转速下，航速提高1kn，相应的主机功率约增加27%。更换新的大侧斜桨叶后，该船航速提高0.6 kn，说明新的螺旋桨的节能效果相当明显。新的大侧斜调距桨桨叶按isor 4841级要求采用计算机辅助设计和制造。更换螺旋桨另外的好处是较大地减低了振动量级。 当新桨叶装上“symphorine”号滚装船时，曾在罗马尼亚galas船厂建造过2艘船的澳大利亚船东要求安斯坦公司为他的这两艘船的调距桨更换大侧斜桨叶后航速是否能提高1 kn的问题作一研究。安斯坦螺旋桨公司研究后表明，该2艘船更换螺旋桨后航速很难提高1 kn，但是根据经验，船的航速会

26、有所提高。 尽管这样，澳大利亚brambles航运公司仍要求安斯坦公司为它的2艘船中的一艘设计新的螺旋桨。1993年，第一艘“city of burnis”号换了大侧斜调距桨。经实船试验，“city of burnis”号的航速提高了0.7 kn，在巴士海峡航线上每16h的航程的油耗减少0.8 t，同时船的振动大大降低。当螺旋桨的螺距调至0时，桨叶的空泡大大减少，减振特别明显。在这种情况下，“city of burnis”号的营运情况比在同一航线上航行的姊妹船“city of port metbourne”号的营运情况有很大的改善。 因此，1994年，“city of port melbour

27、ne”号也换上了新的大侧斜调距桨，并取得相似良好的效果。航次统计表明，该两艘船航速的提高主要是由于船的推进效率有所增加，并非由于船体清洁和新螺旋桨抛光的结果。 “city of burnis”号的新螺旋桨工作了18个月后，潜水员对螺旋桨进行了检查，未发现螺旋桨桨叶上有空泡腐蚀。但是必须郑重指出，在一般情况下，大侧斜螺旋桨是有最佳前向推力和最小的空泡，而后向推力有所减小。在最不利情况下，后向推力减少1.5%，停船距离将有所增加。船舶后退功率减小，在船舶操纵时这是必须考虑的。但brambles航运公司认为这个问题对船舶使用不产生大的影响。 冰岛渔船“otto n thorlaksson”号于198

28、1年由stalvik船厂按挪威船级社c级冰区规范建造。“otto n thorlaksson”号长57. 0m，宽度10.3m，吃水4. 95 m，排水量1550 t。该船配备1台mak主机，制动功率17601kw .螺旋桨由hjelset公司设计，它是直径为2.9n:的4叶转动导管调距桨。通过izeii1tjes公司的减速齿轮箱后的螺旋桨转速为163r/min。安斯坦公司承担为该船更换螺旋桨，该公司研究后认为，采用侧斜桨叶在一定程度上能提高螺旋桨效率，并能消除原螺旋桨压力面上的空泡腐蚀，保证螺旋桨系柱拖力有所增加。 1994年春季，“otto n thorlaksson”号的新螺旋桨制造完工

29、并安装在船上。系柱试验采用挪威船级社的标准程序。试验表明，在全功率下，原螺旋桨的系柱拖力为30.48t，而新的侧斜螺旋桨的系柱拖力为33.81t，增加了10.9%。当主机输出功率为50%时，新螺旋桨的系柱拖力为20.63t，比原螺旋桨的系柱拖力增加13.4%. 以系柱试验的拖力为基础，对“otto n thorlaksson”号在正常拖网速度下进行油耗计算。在保持拖网速度3.5 kn，拖力14.3t，桨叶设定为50%螺距，160kw轴带发电机输出相同的情况下，侧斜螺旋桨的效率增加，主机输出功率下降，导致油耗下降9%。 1.3尾流收缩叶梢有载螺旋桨(cltp)clt螺旋桨是在理论指导下进行设计的

30、一种叶梢有载螺旋桨。clt桨桨叶形状，几何参数与常规桨不同，在叶梢处剖面装有边界元(如图1.3所示)。这是1987年西班牙sistemar公司推出的一种新型螺旋桨，目前clt螺旋桨已在油轮、散货船、滚装船、定期客船、渔船等各种类型船上得到广泛使用。图1.3 clt螺旋桨示意图 fig 1.3 clt propeller schematic diagramclt螺旋桨已被认为是一种性能较好的节能螺旋桨，其原理是:根据新的动量理论证明，螺旋桨在流体中运动，桨叶的前方产生负压，后方产生正压，由此产生推力，推船前进。螺旋桨的敞水效率随桨前桨后的压力差增大而增大，为了使桨叶上存在一个相当大的压力差，除了

31、特别注意螺旋桨的设计外，在桨桨叶梢处安装上边界元，目的在于使二个压力场分隔开，有效地阻止叶梢处压力相互干扰，维持整个桨叶有较大的压力差。为了使边界元在流体中运动时产生的粘性阻力最小，边界元的位置必须设计得与水流平行，其形状必须吻合螺旋桨和水流的相对运动，叶梢处剖面的随边园弧半径要小于导边的园弧半径。sistemar公司根据上述的设计思想设计的cltp螺旋桨的特征是，叶梢处叶背负压比常规螺旋桨小，叶面压力比常规螺旋桨大，有较高的螺旋桨效率。如果在叶梢处简单地装上边界元，其位置、形状和水流流向不一致，螺旋桨不能获得较高的效率。在常规桨的叶梢处装上边界元，则非但不能提高螺旋桨的效率反而导致螺旋桨效率

32、的降低。桨叶剖面与常规桨叶剖面上的压力，环量和推力幅向分布差异较大。 c lt螺旋桨的最佳直径小于常规桨的最佳直径。对于那些螺旋桨直径受到限制的船舶，采用clt桨是特别有利，一般可节约燃油15 %。对于大型船舶，螺旋桨直径减小，螺旋桨的重量和惯量均相应减小，降低了制造成本。对于任何一类船舶，螺旋桨直径减小，在压载情况下航行，必然有利于节约燃油。根据大量实船使用结果表明，clt螺旋桨有较高的效率。在服务航速时，螺旋桨本身效率的提高就能节约燃油10%，配合不同的船型和推进装置，船舶的燃油节约还可以增大。对肥胖、航速低、螺旋桨负荷重的大型船舶，其效果尤为显著。拖网渔船装上clt螺旋桨，其拖力可增加1

33、2 %，在自由航行时，也有明显的节能效果。 由于clt螺旋桨产生较大的压力差，明显地提高船的应舵性能。clt桨船作全周性3600回转测得纵距，横距和回转半径均小于常规桨船。在停船操纵时，clt桨反向转动产生较大的反向推力，使停船行进的距离较短。 clt桨吸力面压降小于相当的常规桨，引起了下列三个重要结果:在无空泡情况下，clt桨作用在船体上的压力低于常规桨;clt桨吸力面产生的空泡范围必定小于常规桨;clt桨无梢涡存在，桨叶上不会产生由梢涡引起的空泡。由于上述三个原因，clt桨以较低量级的脉动压力作用在船体上。虽然clt桨产生较大的推力会引起螺旋桨桨轴振动，但是通常由螺旋桨产生的脉动压力引起船

34、的激振是主要的。 现在clt螺旋桨已被用来增加推进效率，提高航速，其节能效果可以从下面实船试验比较得到证实。 实船试验。 实船比较试验表明: 1.满载状态下，装clt螺旋桨时的燃油消耗比常规桨节约16.3%;压载状态下，装clt螺旋桨时的燃油消耗比常规桨节约16.6% o 2.安装clt螺旋桨后， guardo”号航速提高0 .68 kn. 3. clt螺旋桨转速均匀，噪声较小，未发现船体振动。 4.试航时，自动舵保持航向所需的舵角几乎减小了一半。 5.在回转试验中，在一定速度和满舵情况下，clt螺旋桨船的回转直径为常规桨船回转直径的80%。 2.螺旋桨的设计 螺旋桨设计是在船舶型线设计完成后

35、，通过有效功率的估算或船模阻力试验，得到该船的有效功率曲线。在此基础上，要求设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定航速，又要使消耗的主机功率小;或者当主机已选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。因此螺旋桨的设计问题分为两类:初步设计和终结设计。 (1)螺旋桨的初步设计 根据设计任务书对航速的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速和效率决定主机的转速及功率，并据此定购主机。具体地将就是: 己知船速y，有效功率pe，根据选定的螺旋桨直径d，确定螺旋桨的最佳转速、效率o螺距比p/d和主机功率ps; 已知船速v，有效功率，根据选定的转速，确定螺旋桨的最佳螺旋桨直径d,效

36、率o螺距比p/d和主机功率ps。 (2)螺旋桨的终结设计 主机功率和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的各要素。具体地讲就是:己知主机功率ps、转速。和有效功率曲线，确定所能达到的最高船速v,螺旋桨直径d,效率。及螺距比p/d。在实际的造船过程中，一般采用标准机型，所以在实际的螺旋桨设计中，极大多数是这类设计问题。2.1螺旋桨的设计方法 传统的螺旋桨设计方法共有三种:经验设计法、图谱设计法和环流理论设计法。 2.1.1经验设计法 这种设计法是主要借助于实船螺旋桨的使用经验，再用一些比较简单的经验公式进行估算，设计出所要求的螺旋桨。这种方法要求设计者有极其丰富的实践经验，若再有一条或几条比较相

37、似的母型船作为参考，可以很快地设计出性能较好的螺旋桨。但实际上，这种方法并不能算是一种比较好的方法，因为这种方法的随意性较大，更多地依赖于设计者的经验及母型船数据的好坏，而且这种完全依靠经验的做法所得到的设计结果很可能不稳定。这种方法主要用于对船舶性能要求不高的情况下，一般只用于沿海或内河小船的螺旋桨设计。 2.1.2图谱设计法图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成的各类专用图谱来进行设计。用图谱设计法设计螺旋桨实际上就是根据已知条件在图谱所提供的螺旋桨资料的范围内选择最适宜的设计方案。这种设计方法不仅计算简便，易于被人们所掌握，而且用于设计的图谱来源于实验，较为可靠，若选用合适的图谱

38、进行设计，其结果也较为令人满意。这种方法是当前应用最为广泛的一种螺旋桨设计方法。虽然应用图谱设计会受到系列组型式的限制，但随着各国对该设计方法研究的深入，图谱资料日益丰富，常规桨方面有较常用的荷兰的楚思德b系列和日本au系列等等，特种推进器方面较为著名的有荷兰试验水池的no.19a+ka和no.33+ka导管螺旋桨系列，以及我国上海交通大学流体力学研究室推出的jd75+ka和jd7704+ka简易导管螺旋桨系列。2.1.2.1运用图谱设计法螺旋桨图谱设计的步骤螺旋桨的设计，实质是指在选定螺旋桨的型式，即选定所用设计图谱的情况下，针对船舶某一航行状态，选择在该状态下效率最佳的螺旋桨，通常称该选定

39、的航行状态为螺旋桨的设计工况。对于普通的船舶通常选取满载时以全速或用正常功率航行的情况作为螺旋桨的设计工况。螺旋桨图谱设计的一般步骤如下: (1)参数的确定 主要指确定船体的相关参数，主机参数、推进因子以及选用的螺旋桨型式和叶数。其中船体的相关参数包括船的主尺度和船体的有效功率曲线，船体的有效功率曲线可以通过模型试验得到，也可运用相关的估算方法进行估算。主机参数主要包括主机的最大持续功率、额定转速、主机数量和轴系效率等，以及是否需要采用减速装置。推进因子包括伴流分数、推力减额分数、相对旋转效率和船身效率，这些参数也同样可以通过模型试验或是经验公式计算来确定。 (2)计算不同的基准盘面比所对应的

40、桨的最佳要素及最大航速假定若干个航速进行计算，根据所选定的螺旋桨的型式和叶数，在所提供的基准盘面比对应的图谱上，由每一个假定航速在图谱的最佳效率线上对应的点读出其相应的螺旋桨效率o螺距比p/d和直径系数a，从而计算出其对应的最佳直径d和螺旋桨的有效推马力。据此我们可以得到在各个基准盘面比下的v-0, v-p/d, v-d和v-pte曲线。最后由v-pte曲线和有效功率曲线v-pe曲线的交点确定每一基准盘面比下螺旋桨的最佳要素和可达到的最大航速。 (3)通过空泡校核确定设计桨的最佳要素 根据设计螺旋桨和船舶的具体情况选用合适的空泡界限图谱，计算出各个基准盘面比在满足空泡要求的条件下需要的盘面比。

41、据此计算结果通过作图，即基于多工况船舶的螺旋桨计算机辅助设计可求得不发生空泡的最小盘面比及其对应的螺旋桨最佳要素:螺距比p/d,螺旋桨直径d、螺旋桨效率叮。以及最大航速vmax。 (4)强度校核 按相关规范中对螺旋桨强度的要求，对螺旋桨桨叶的厚度t(固定螺距螺旋桨为0.258和0.6r剖面处，可调距螺旋桨为0.358和0.6r剖面处)进行校核。根据校核的结果取定0.258和0.6r处桨叶的厚度后，就可以决定桨叶厚度的径向分布。桨叶厚度的径向分布一般采用线性分布、非线性分布、荷兰船模试验水池建议的厚度分布等几种。最常用的是采用线性分布，即实际桨叶厚度分布按0.258和1.0r处的厚度连直线决定。

42、 (5)螺距修正 在螺旋桨的设计过程中，若为了满足强度要求不得不增加桨叶厚度时，将导致设计螺旋桨的叶厚分数大于系列螺旋桨的叶厚分数。有时设计螺旋桨的毅径比的取值不同于系列桨的标准值。在种情况下，必须对螺旋桨的螺距比进行修正，使得二者的性能相同。螺距修正分为毅径比不同对螺距的修正和叶厚比不同对螺距的修正，可根据实际情况选择相应的方法计算螺距的修正量。 (6)重量和惯性矩计算 螺旋桨重量和惯性矩比较精确的计算方法是:先根据桨叶不同半径处各切面的形状求得其切面面积，其次用近似积分法算出桨叶之体积和体积惯性矩，最后分别乘以材料的重量密度，即可得到螺旋桨之重量和重量惯性矩。也可采用按统计资料得出的近似公

43、式进行重量和惯性矩的计算。 (7)敞水特性曲线的确定 根据已确定的盘面比和螺距比，在提供的系列桨敞水特性曲线图谱中内插得到各进速系数j对应的推力系数kt和转矩系数kq的值，也即是设计桨的敞水特性曲线。 (8)系柱特性计算 根据以上已确定的设计桨的敞水特性曲线，计算在系柱状态(船速v =0,螺旋桨的进速系数j =0)时，螺旋桨发出的推力。 (9)航行特性的计算 根据设计桨的敞水特性曲线计算螺旋桨在不同的转速时可达到的航速和需要的主机马力，通过该计算再结合主机的特性即可清楚地了解船体-螺旋桨-主机三者之间的关系。 2.1.3环流理论设计方法 环流理论设计方法是根据环流理论及各桨叶切面的试验或理论数

44、据进行螺旋桨设计。应用该方法进行螺旋桨设计需要分别选择各半径处最适宜的螺距和切面形状，并能照顾到船后伴流不均匀的影响，因而在螺旋桨的空泡和振动问题上可以考虑得更全面。但由于该方法的计算比较繁琐，所设计出来的桨的加工工艺也较复杂，加工精度较难控制，故目前在我国的应用并不是十分广泛。但随着计算机技术在船舶工业中应用的逐步加深，该设计方法必会因为其优越性而得到更广泛的应用的。2.2多工况船舶螺旋桨的设计特点 拖船、拖网渔船及破冰船等具有特殊用途的多工况船舶都具有两种典型的航行状态:自航状态和拖航(或破冰)状态。在自航状态下，这类船舶的螺旋桨发出的推力只用于克服船体受到的阻力;而在拖航状态下，螺旋桨发

45、出的推力除了要克服船体受到的阻力外，还要克服作用于拖钩上的拉力或破冰阻力。显然，在这两种工况下螺旋桨所处的工作状态存在着相当大的差异。因此，在选择此类船舶螺旋桨的设计工况时，不能同普通船舶一样选取满载时以全速或用正常马力航行的情况作为螺旋桨的设计工况，应根据具体情况作出合理选择。此外，作用于多工况船舶螺旋桨上的荷载一般较重，在选择螺旋桨的型式时也必须将该这一特殊性考虑进去。2.2.1螺旋桨型式的选取 根据以上的分析可以知道，对于多工况船舶，由于螺旋桨工况的变化较大，若使用常规的螺旋桨，无法使各种工况下主机的功率都得到充分的发挥。这时人们自然而然地会想到在这类船舶上使用可调距螺旋桨，通过桨毅中的

46、操纵机构改变桨叶的螺距，使得基于多工况船舶的螺旋桨计算机辅助设计在各种工况下都可充分地吸收主机功率。可是可调距桨的下列缺点使得它不能很好地实现人们预期的设想: (1)桨毅中的转动机构及整套操纵机构复杂，保养与修理相当的繁琐困难; (2)毅径比较大，且因配合叶片转动的需要，桨毅不易制成光顺的流线形，故在设计工况下，其效率较定螺距螺旋桨约低3-4%; (3)因叶片转动及保证强度的需要，叶根部分切面的厚度比较大，易产生空泡现象; (4)要实现精确地控制可变的螺距角并保持当前螺距角，以达到适应当前工况的要求，相当的困难: (5)造价较高。 因此在为多工况船舶选取螺旋桨的型式时，应权衡利弊，结合实际情况

47、，选取最适宜的螺旋桨型式，否则可能会得不偿失。 导管螺旋桨(也称为套筒螺旋桨)是由螺旋桨和桨外围的环形套筒组成，所用套筒的剖面为机翼型或折角线型。导管螺旋桨问世之初被广泛应用于螺旋桨载荷较重的船舶上(如拖船、顶推船以及拖网渔船)，实践证明，在此类船舶上采用导管螺旋桨不仅可提高推进效率，而且有利于减小振动。采用导管螺旋桨除能提高重载螺旋桨的效率外，尚有下列优点: (1)将导管兼作舵用，可显著提高船舶的操纵性能; (2)导管螺旋桨盘面处的水流速度受船速变化的影响远较普通螺旋桨为小，因此，导管螺旋桨吸收的功率受船速变化的影响较小，在各种载荷(拖曳和自由航行)时都能良好地运转; (3)装有导管螺旋桨的

48、船舶纵摇较小，可减少波浪中失速; (4)可保护螺旋桨不与异物相碰，防止浅吃水船的空气吸入现象。 在国外发表的导管螺旋桨系列试验资料中，以荷兰船模试验池的no.19a+ka螺旋桨系列最为著名，随后，为改善后退性能又提供了no.37+ka螺旋桨系列。 国内对导管螺旋桨的研究也相当活跃。上海交通大学船舶流体力学研究室根据使用单位要求简化导管的加工工艺，在系列研究的基础上推荐了两组简易导管螺旋桨系列，即:jd75+ka螺旋桨系列和jd7704+ka螺旋桨系列。前者为适用于改善操纵性能的转动导管，后者是兼顾后退性能的导管，由于其加工方便，而性能又与机翼型导管相接近，故为不少单位所采用。所谓简易导管，是指

49、考虑简化加工工艺而设计的折角线形切面形状的导管，其在制造工艺方面远较机翼形剖面的导管简便.由于该系列导管的参数选择恰当，其性能与优良的机翼形导管几乎相当。与jd75及jd7704两个导管相配合的是ka四叶螺旋桨系列，其盘面比分别为0.55, 0.70, 0.85及1.00。 对于船、机、桨不匹配的问题，除了采用可调距桨外，还可以采用定距桨，然后通过增大功率储备或进行螺旋桨设计工况最优选择或使用双速比齿轮箱来解决不匹配的问题.据此本文将选用定螺距的简易导管桨，再通过对螺旋桨设计工况的优选来解决多工况船舶工况多变而引起的船、机、桨不匹配问题。2.2.2设计工况的选取 在设计多工况船舶螺旋桨时，通常

50、既希望在拖航时能发出较大的拖力，又希望在自航时能达到足够大的航速，也就是希望在这两种航行状态下主机都能充分发挥其功率，但实际上这两者是相互矛盾、相互制约的。在设计的过程中，若单纯选取自航状态作为此类船舶螺旋桨的设计工况，则自由航行时航速较高，能充分地发挥主机功率，但在拖航时螺旋桨处于“重载”状态，主机功率得不到充分发挥:同样，若以拖航状态作为设计工况，则在拖航时主机功率得以充分发挥，产生的拖力较大，但在自由航行时，螺旋桨处于“轻载”状态，航速较低;若选取这两种状态的中间状态作为设计工况，则螺旋桨在自由航行时的“轻载”现象和拖带航行时的“重载”现象都可得到一定程度的缓解，同时其自由航行时可达到的

51、航速和拖带航行时可产生的拖力也介于上述两种情况之间。 一般来说，可以根据多工况船舶的主要用途决定螺旋桨的设计工况。例如，专门用于拖带驳船队的拖船，其大部分工作时间用于拖带，则以拖航状态设计螺旋桨为宜:用于消防、救助的拖船要求航速快，宜按自由航行状态设计。因此，在设计此类螺旋桨时，可根据设计任务书中对自由航速和拖航时拖力的要求，先假定一种工况(自由航行状态、拖带航行状态或某一中间状态)进行设计计算，校核设计结果是否满足任务书要求，若不满足，修改设计工况重新设计，直至得出较合适的设计结果。2.3多工况船舶螺旋桨设计工况的优选 根据多工况船舶螺旋桨设计的特点，本文选取了给定设计航速以及给定设计航速和

52、螺旋桨直径这两种设计模式，通过改变设计航速来达到改变设计工况的目的，最终获得船-机-桨配合较佳的设计方案。为了寻求既能满足任务书对自由航速和系柱拖力的要求又能使船机桨配合较佳的设计工况，建立了优化模型，对多工况船舶螺旋桨的设计工况进行优选。3拖轮螺旋桨改造3.1拖轮航行状态的变化拖轮有两种航行状态：拖航状态和自航状态。这类船舶在自由航行状态时螺旋桨发出的推力只用于克服船体的阻力。而在拖带航行时，除克服船体阻力外，还需克服拖带的阻力，即式中：螺旋桨的有效推力；r船体阻力；z拖曳力（或顶推力）。在设计拖轮螺旋桨时，即要拖航时拖力大，又要自由航行时速度快，也即希望主机在两种状态都能充分其功率，但实际

53、上两者是有矛盾的。若按自由航行设计，则自由航行时能充分发挥主机功率，航速高，而拖带航行时螺旋桨处于重载，主机功率不能充分发挥。若按拖带航行设计，虽拖力大，主机充分发挥其功率，但在自由航行时螺旋桨处于轻载状态，自由航速较低。如果采用中间状态进行设计，则自由航行时的轻载以及拖带航行时的重载都没有上述两种情况那么明显，其自由航行时的速度和拖带航行时的拖力介于上述情况之间。（见图3.1）iiiiiiabvvavbppapb1pzpr 图3.1 功率特性曲线fig3.1 power characteristic diagrami线：自航状态的功率特性曲线。ii线：拖曳状态的功率特性曲线。iii线：中间状

54、态的功率特性曲线。1线：柴油机的额定外特性曲线。点a和b为自航和拖曳作业的工作点。pz、pr为牵引功率和用于船舶本身消耗的功。一般来说，要根据拖轮的主要用途决定螺旋桨的设计工况。该轮由于取消了拖带作业，主要用于上下引水，均为自由航行状态，要求航速快，节省燃料消耗。此时，螺旋桨处于“轻载”状态。为此，要通过重新设计螺旋桨，使螺旋桨的功率特性曲线为i线，工作在a点，实现最高的航速和最佳的螺旋桨效率，以达到节能的目的。3.2原螺旋桨数据表.3.1原始螺旋桨数据tab.3.1 originality propeller parameter原螺旋桨数据（原螺旋桨为mau4-55型）转速326 rpm直径diameter2110mm螺距pitch1410mm螺距比pitch ratio0.6682螺旋桨类型maudev area1.9232m2盘面比dev. area ratio0.55max blade width ratio0.3347max b. thickness ratio0.0891boss ratio0.2227前倾角 rake angle10材料 materialmn bronze重量 weight1536.5 kg额定功率1400hp（1030kw）转速700rpm设计航速14.02节实际航速12.7节（实测航