船舶螺旋桨的设计.docx
《船舶螺旋桨的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《船舶螺旋桨的设计.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
船舶螺旋桨的设计
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
Abstract
Propellerisanecessarypromotingcomponentsofshipbuildingindustry,whichbeusedtoprovidingthrustforshipmoving.Itsdesignprecisionwilldirectlyaffecttheforwardspeedoftheship.
Thepropellerdesignthewholeshipdesignisavitalpartoftheship,itistoguaranteeanimportantaspectoftheswiftness.Generalpropellerdesignisinpreliminaryfinishedshiplinesdesign,andthroughtheestimationorwithmodeltestmethodtodeterminethehulleffectivepowerafter.Affectthepropellertoadvanceperformanceinthemanyfactorsinthedesignprocessofthepropellerdiameter,mainlypitchthan,than,diskbladesfactorssuchasprofile,andthroughtheexperienceinwork,designaninlandshipclassAtugpropeller
Keywords
Propellersdiameterpitchofscrewsratiopiearearatiopaddleoutline
目录
摘要I
关键词I
AbstractI
KeywordsI
0引言1
1结构与计算要素1
1.1结构组成1
1.2理论基础1
1.3工作原理2
1.4计算要素2
2项目设计过程及结果与分析3
2.1船体估算数据3
2.2螺旋桨要素选取及结果与分析4
2.3推力曲线及自由航行计算及结果与分析6
2.4强度计算结果与分析7
2.5计算总结9
2.6螺旋桨模型的敞水实验9
3螺旋桨设计的发展10
3.1节能减排促使螺旋桨加快创新11
4结论11
致谢12
参考文献12
附录13
0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。
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，在处理这些因素时，往往会出现得此失彼，互相矛盾又互相统一的复杂现象，所以都会从螺旋桨的效率、空泡、强度、工艺和振动等方面作统盘考虑。
但是一般螺旋桨装在船后，流体经过船体是要受到影响，其速度和方向与船前面的流体比较都不相同：
另一方面，螺旋桨的工作对船体的阻力也有影响，如何考虑它们之间的相互影响是设计存在的问题。
本设计的指导思想是把最能满足船舶性能要求的那些因素作为主要矛盾加以解决。
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=πD2/4
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理论基础
螺旋桨理论按其内容发展阶段可分为动量理论、叶元体理论和环流理论。
在这里主要介绍动量理论。
推进器的动量理论早在19世纪末已确立，它认为螺旋桨的推力是因其使水产生动量变化所致的，所以可通过水的动量变更率来计算推力。
由于忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有一定的距离，不能用作计算或设计的依据。
但是，由于推进器的动量理论还能简略地说明推进器产生推力的原因，而且某些结论也有一定的实际意义。
先简要的分析螺旋桨在水中的运转的情况。
我们通常把由于螺旋桨运转使水流产生的运动速度称为诱导速度。
为了便于分析研究问题，把诱导速度分解为两个分量：
一个是平行于桨轴方向，另一个是垂直于轴平面内的圆周方向。
沿圆周方向的诱导速度分量称为周向诱导速度，其方向与螺旋桨轴向运动方向相反。
沿圆周方向的诱导速度分量称为周向诱导速度，其方向与螺旋桨旋转方向相同。
对于负荷（指螺旋桨承担的推力）较重的螺旋桨常可以发现螺旋桨尾流有较严重的收缩现象，这时水质点还存在径向诱导速度。
往往由于对诱导速度的处理不同，产生了不同的螺旋桨理论，例如忽略了周向诱导速度的影响，应用动量定理可得到理想推进器理论，若同时考虑周向诱导速度应用动量矩定理便可得到理想螺旋桨理论。
1.3工作原理
螺旋桨的工作是靠桨叶向后拨水来实现的。
它在工作时，一面随主机驱动而旋转，一面随船舶前进而前进，这两种运动的组合即为螺旋运动。
螺旋桨工作时，发出的推力用以克服船的阻力，推船前进。
遭受的阻力矩由主机发出的旋转力矩克服之。
可见，当螺旋桨以转速n进行旋转时，必须吸收主机所供给的转矩Q，才能克服力矩。
螺旋桨吸收的功率为2πnQ。
螺旋桨在运动中产生推力T,且以进速VA推船前进，其所发挥作用的功率为TVA.故螺旋桨的效率为
ηo=推功率/吸收功率=TVA/2πnQ
为了提高螺旋桨的效率，总是力求使螺旋桨所产生的推力增大，而使运动中所遭受的阻力矩减少，从而使主机供给的转矩减小。
1.4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=（0.7~0.8）Tw;双桨D=（0.6~0.7）Tw.式中Tw为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3~5%；双桨所处的位置伴流比较均匀，最佳直径约减少2~4%。
2）螺距比H\D：
在进速系数相同时，螺距比越大，推力系数和转矩系数也越大，这是因为螺距比大时具有较大的攻角的缘故。
当进速系数较小时，螺距比小者效率较高，而在进速系数较大时，则螺距比大者效率较高。
在螺距比小于1.5的范围内，H\D越大，螺旋桨的最高效率越大。
而在螺距比大于1.5时，螺旋桨的最高效率大致不变。
通常，螺距比是指也梢处或0.7R处的螺距与直径之比。
实践证明，采用等螺距桨叶并不很好，单桨尤其如此。
桨叶沿径向处于不同的伴流区，每一切面在不同的伴流中工作，若采用等螺距分布，叶根切面可能遇到很大的攻角，负荷较大，影响螺旋效率。
因此，为了使桨叶不同半径处的切角不致相差过大，以保持各切面的效率大致相等，减小尾流中的能量损失，从而提高效率，最好采用径向变螺距的螺距分布形式。
3）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，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。
4）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。
5）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。
6）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。
7）螺旋桨的数目：
一艘船是选用一个螺旋桨好还是选用两个螺旋桨好，必须综合考虑推进性能、操作性能及主机性能或数目等各方面的因素，需要根据各类船舶的不同特点来选取。
通常习惯是按同航线同类型的船来选取螺旋桨数目，且螺旋桨数目与船尾线型直接有关，故在船舶初步设计时已决定了螺旋桨的数目。
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-0.651
2.1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L22.0m
型宽B5.3m
吃水T1.25m
方形系数Cb0.57
摩擦阻力系数f0.1497
有隧道m1.2
水温t1.5℃
舯横剖面面积Am6.0884m²
浸水面积Ω99.462m
剩余阻力系数ξ2.2350
1
船速Vs
kn
7
8
9
10
11
2
V
m/s
3.6008
4.1152
4.6296
5.144
5.6584
3
V1.83
10.43
13.31
16.52
20.03
23.85
4
f*Ω*V1.83
155.2
198.2
245.9
298.1
355.0
5
Fn
0.245
0.280
0.315
0.350
0.385
6
4Fn自航船
0.981
1.121
1.261
1.401
1.541
7
X=1.7+（6）
2.681
2.821
2.961
3.101
3.241
8
V
31.021
54.104
93.497
160.683
275.308
9
ξ*Cb*Am*（8）
240.6
419.6
725.2
1246.3
2135.4
10
R=（4）+（9）
kgf
395.8
617.8
971.0
1544.4
2490.3
11
EHP=（10）
（2）/75
hp
19.0
33.9
59.9
105.9
187.9
12
1.2*R
kgf
475.0
741.4
1165.3
1853.3
2988.4
13
1.2*EHR
hp
22.8
40.7
71.9
127.1
225.5
表1
2.2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/h≈7.0kn
螺旋桨直径：
D=1.10m
主机型号：
NT/NTA885-M
数量：
2台
MCR:
200hpx1744rpm
功率储备：
10%
设计点工况：
180hpx1744rpm
齿轮箱减速比：
4:
1
螺旋桨转速：
N=436rpm
轴系效率：
ηs=0.96
齿轮箱传递效率：
ηg=0.97
伴流分数：
w=0.13
推力减额：
f=0.14
船身效率：
ηh=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
7
VA=V（1-w）
kn
6.09
PD=MCRx0.9xηsxηg
hp
167.6
VA
kn
6.09
N
rqm
436
D
m
1.10
Bpxρ海水/ρ淡水=（Nx
）/VA2.5xρ海水/ρ淡水
（MAU图谱为海水中图谱，本船为内河船）
7.95
δ=（NxD）/VA
78.75
表2
根据δ，Bp查MAU图谱得（如表3所示）：
图谱类型
螺距比P/D
敞水效率
MAU4~40
0.84
0.475
MAU4~55
0.82
0.469
MAU4~70
0.80
0.457
表3
空泡校核（伯利尔限界线）（如表4所示）：
设计功率
Pd=167.6hp
设计转速N=436r/min
淡水重度γ=1000kgf/m3
桨轴沉深
hs=0.6m
标准大气压力
Pa=10330kgf/m2
水15℃气化压力Pv=174kgf/m2
伴流分数
W=0.13
相对旋转效率
ηg=1.0
螺旋桨直径D=1.1m
盘面比
Ae/Ao=0.4
螺旋桨螺距比P/D=0.84
叶数Z=4
项目
单位
MAU4~40
MAU4~55
MAU4~70
Ae/Ao
0.40
0.55
0.70
Vs
kn
7.0
7.0
7.0
VA=0.5144Vs（1-w）
m/s
3.133
3.133
3.133
V20.7R=V2a+（0.7πxN/60xD）2
m/s
318.81
318.81
318.81
σ0.7R=（Pa+γhs-Pv）/1/2（ρV20.7R）
0.6615
0.6615
0.6615
Tc（查伯利尔螺旋桨限界线）
0.212
0.212
0.212
ηo
0.475
0.469
0.457
T=PDxηox75/VA
kgf
1905.9
1881.9
1833.7
需要Ap=T/（cx1/2（ρV20.7R））
m2
0.553
0.553
0.546
实有Ap=Ae/Aox/4D2（1.067-0.229P/D）
m2
0.332
0.460
0.588
表4
2.22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MAU4~40、MAU4~55、MAU4~70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ηo=0.461
2.3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。
一般来说，可以根据拖船的使用情况来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，对拖力的要求特别高，则以拖带状态设计螺旋桨为主。
本设计项目就以拖带状态设计螺旋桨。
拖船的螺旋桨通常是按设计航速Vs设计的。
要计算设计航速时螺旋桨发出的推力，首先需要根据设计航速确定此螺旋桨的进速系数J，有螺旋桨的叶数、盘面比、螺距比及进速系数查螺旋桨的性征曲线图，可得螺旋桨在此工况下的KT.根据KT就可以求出敞水推力，考虑推力减额后即可得螺旋桨在船后发出的有效推力。
2.31设计航速时有效推力（如表5所示）：
扭矩：
M=75x60xPo/2πN=275.3kgf.m
序号
项目
单位
数值
1
假定航速Vs
kn
7
2
VA=Vsx（1-w）x0.5144
m/s
3.133
3
J
0.392
4
KT
0.227
5
KQ
0.0305
6
T=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V’A比原设计状态有所增加,即V’A＞VA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Vs
kn
8.09.010.011.0
2
VA=Vsx（1-w）x0.5144
m/s
3.5804.0284.4754.923
3
J
0.4480.5040.5600.616
4
KT
0.2040.1800.1550.130
5
T=2xKTρn2D4（1-t）
kgf
2761.824372105.91764.9
表6
当拖船低于设计拖速航行时，相当于阻力增加，由于进速V’A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=75x60xPo/2πN=275.3kgf.m
序号
项目
单位
系泊
低于设计航速
1
假定进速系数J
0
0.10.20.30.4
2
KQ
0.0449
0.04150.38010.03430.0323
3
KT
0.3719
0.37190.30150.26410.2443
4
推力减额t
0.05
0.070.090.120.13
5
N=60x
rpm
366.8
381.4398.2419.5432.5
6
相应航速Vs（kn）
kn
0.00
1.563.265.166.20
7
T=2x（KT/KQ）（M/D）（1-t）
kgf
3945.2
3781.93611.13395.13300.3
表7
2.34自由航行速度的确定
将表格计算结果画成推力速度曲线（T~V）
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/h
2.4强度计算结果与分析
我们所设计与制造出来的螺旋桨，应该具有较高的效率和足够的强度，以便保证船舶安全航行和充分发挥螺旋桨的效能，另一方面使船在正常航行状态下，桨叶不致破损或断裂。
但是不能单纯追求强度大、桨叶厚，这样不仅浪费材料，而且对螺旋桨的性能也没有好处。
所以，在设计螺旋桨时，必须进行强度校核，其目的是确定足以保证强度的叶片厚度，及沿径向的分布规律。
螺旋桨桨叶可看作固定于浆毂的悬臂梁。
当螺旋桨在水中操作时，作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力（T/Z）及转向相反的阻力（F/Z），两者都使桨叶产生弯曲和扭转。
此外由于螺旋桨桨叶在旋转时产生离心力（C），使桨叶受到拉伸作用，若桨叶具有侧斜或者纵斜，则离心力还有受桨叶产生弯曲。
螺旋桨的强度校核就是核算在这些外力作用下，桨叶切面强度是否满足需要。
若不能满足需要时，则需增加叶片的厚度。
但随着厚度的增加螺旋桨效率下降，所以应当在满足强度的前提下选取较薄的叶片。
由于桨叶是扭曲的变截面悬臂梁，且其横截面并不对称，同时作用在桨叶上的外力也难精确算出，故在螺旋桨设计中，一般都用理论和实验相结合的近视办法来进行螺旋桨的强度计算。
这里介绍内河船螺旋桨强度校核方法。
逻姆逊强度校核法
逻姆逊强度校核法是内河船舶螺旋桨强度校核中常用的一种方法。
此法是以切面所收的最大压应力来校核桨叶的强度。
并且认为在只有半径为0.2R和0.6R处的切面能满足强度要求，则整个桨叶就能满足强度要求，所以只需校核上述两个切面的最大压应力。
最大压应力由两部分组成，一是推力和选择阻力引起，即收到功率直接相关的压应力σ1，另一个是由离心力引起的压应力σ2，故总的最大压应力σ为：
σ=σ1+σ2
2.41强度计算结果
螺旋桨材料镍铝青铜（Cu3）
最小抗拉强度σb590N/mm2
材料比重G7.6g/cm3
材料系数K1.38
主机输出功率Ne200hp
升级会员 