螺旋桨图谱设计.docx
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螺旋桨图谱设计
第九章螺旋桨图谱设计
§9-1设计问题与设计方法
螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。
在船舶线型初步设计完成后，通过有效马力的估算或船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。
在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机马力小；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，螺旋桨的设计问题可分为两类。
一、螺旋桨的初步设计
对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力，并据此订购主机。
具体地讲就是：
①已知船速V，有效马力PE，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速n、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps；
②已知船速V，有效马力PE，根据给定的转速n，确定螺旋桨的最佳直径D、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps。
二、终结设计
主机马力和转速决定后（最后选定的主机功率及转速往往与初步设计所决定者不同），求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。
具体地讲就是：
已知主机马力Ps、转速n和有效马力曲线，确定所能达到的最高航速V，螺旋桨的直径D、螺距比P/D及效率η0。
新船采用现成的标准型号主机或旧船调换螺旋桨等均属此类问题。
在造船实践中，一般采用标准机型，所以在实际设计中，极大多数是这类设计问题。
目前设计船用螺旋桨的方法有两种，即图谱设计法及环流理论设计法。
图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计。
用图谱方法设计螺旋桨不仅计算方便，易于为人们所掌握，而且如选用图谱适宜，其结果也较为满意，是目前应用较广的一种设计方法。
应用图谱设计螺旋桨虽然受到系列组型式的限制，但此类资料日益丰富，已能包括一般常用螺旋桨的类型。
环流理论设计方法是根据环流理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。
用此种方法可以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，因而对于螺旋桨的空泡和振动问题可进行比较正确的考虑。
但由于此种方法计算繁复，加工工艺也较复杂，故目前在我国应用较少。
随着电子计算机技术在造船事业中的应用，加上设计方法之优越，今后必然会得到广泛的应用。
关于环流理论设计方法将在第12章中予以介绍。
§9-2B-δ型图谱的设计方法与应用
目前各国已发表的螺旋桨设计图谱较多，有的只是表达形式不同而试验资料相同，有的则是螺旋桨形式不同。
因此，在进行螺旋桨设计时，必需针对船舶的特点和要求，根据实践经验，选用合适的螺旋桨图谱。
这里主要讨论商船螺旋桨的设计，兼顾高速军舰螺旋桨设计。
目前在商船螺旋桨设计中，以荷兰的楚思德B型螺旋桨和日本AU型螺旋桨应用最为广泛。
鉴于有关B型螺旋桨发表的资料较多，本节将以AU型螺旋桨为对象，进行较详细的介绍，对于B型螺旋桨仅就其最近归纳发表的新形式图谱作些介绍。
我们认为，只要对于螺旋桨的设计问题理解清楚以后就能融会贯通，即使对于不同的图谱形式或不同的螺旋桨类型都能灵活应用。
一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用
AU型螺旋桨是日本运输技术研究所发展的螺旋桨系列，近年来日本有关部门又对切面形状等作了改进，扩大了盘面比和螺距比范围，进行了3~6叶螺旋桨模型的系列试验，并作成了设计图谱。
1.B-δ型设计图谱的建立
如果将AU型5叶，盘面比=0.50、螺距比分别为：
P/D=0.4，0.6，0.8，1.0，1.2的五个螺旋桨的敞水试验结果绘制在同一图上，则可以得到如图9-1所示的敞水性征曲线组。
当知道进速系数
以后，即可得到不同螺距比螺旋桨的性能。
在螺旋桨的设计问题中，一般不可能同时给定直径D和转速N，而敞水性征曲线图的横坐标进速系数J却同时包括了D和N二个参数，这给设计螺旋桨带来不便，为此需将这类性征曲线转绘成专用图谱，B-δ型图谱就是目前应用最广的一种图谱形式。
如前所述，通常遇到最多的是终结设计问题，即已知主机马力和螺旋桨转速，所以解决这类问题的计算系数应该不包含未知量D。
为此需导出这类计算系数。
按定义有：
又
将上面两式消去直径D得：
或
两边开方得：
式中，PD为螺旋桨收到马力（在设计图谱中常简单地用P表示，为避免与螺距P混淆，本书中仍用PD表示。
），其单位为公制马力（hp）；VA为螺旋桨进速，单位为米/秒（m/s），n为螺旋桨转速，单位是转/秒。
若将上式中VA以节（kn）来表示，转速以N（rpm）来代替n（转/秒），ρ为海水密度，取104.51kgf·s2/m4，则可得:
（9-1）
BP就是B型图谱所采用的计算系数，称为收到马力系数（或简称功率系数）。
同时，还引入直径系数δ，定义如下：
（9-2）
BP和δ是螺旋桨设计中最根本的计算系数，为强调起见，将（9-1）和（9-2）式中有关参数的意义和单位重列于下：
N——螺旋桨转速（rpm），
PD——螺旋桨敞水收到马力（hp），
VA——螺旋桨进速（kn），
D——螺旋桨直径（m），
用KT、KQ-J图谱（如图9-1）就可以作出
图谱。
这类图谱的绘制方法如下：
①在同一叶数和盘面比的螺旋桨敞水性征曲线组上（如图9-1），取一定值的螺距比P/D，
并设定一系列的J值，在同一P/D的性征曲线上读取与J相应的一系列KQ及η0值。
②据（9-1）和（9-2）式分别算出相应的
和
。
③在纵坐标为螺距比P/D，横坐标为
的图上，如图9-2所示，通过上述计算的P/D
值作一平行横坐标的水平线，并在该线对应于每一
值的点上标明相应的η0和
值，此线即能代表螺距比为P/D的螺旋桨水动力特性。
④对不同P/D的螺旋桨性征曲线都作上述处理，并绘在同一图上，然后将η0和
值相同者分别连成光顺曲线，即得η0和
的等值线。
⑤将各
=常数时（在图谱上表现为垂直线）效率最高的点连成光滑的曲线，即得最佳效率线，如图9-2中的点划线。
2．AU型螺旋桨型式
通常所指的AU型螺旋桨包括下列几种类型：
①AU型螺旋桨的原型
这是初始阶段发展的螺旋桨模型，为部分5叶和6叶螺旋桨所采用。
②改进AU型。
以MAU表示之。
这种型式是对原型AU桨在叶梢部分切面的前缘形状进行了局部修正。
AU型的4叶螺旋桨系列就是采用这种形式。
实践证明，AU原型桨的面空泡裕度过大，因此少量减小叶切面前缘的高度（见图9-3（a）），适当降低面空泡的裕度，以增大叶背的抗空泡性能。
这种改动反映在切面的拱线（或称中线）上表现为增大了拱度而减小了攻角，经计算比较，MAU型和AU原型的水动力性能是接近的，如图9-3（b）所示。
因此，AU原型5叶及6叶螺旋桨的设计图谱，完全能用于设计MAU型5叶及6叶螺旋
桨。
③AU型桨叶切面的后缘具有一定翘度（这对于改善桨叶根部叶间干扰有一定效果），在六叶上采用这种型式，称AUw型。
对于MAU型的叶切面后缘具有一定翘度（即MAUw）的设计，应用本图谱也具有相当精度。
AU型螺旋桨是等螺距螺旋桨，桨模的几何特征是：
①4叶螺旋桨系列：
属于本组的模型螺旋桨列于表9-1中。
桨叶轮廓的尺寸见表9-4，轮廓形状如图9-4（a）及（b）所示。
②5叶螺旋桨系列：
其要素列于表9-2中。
桨叶轮廓的尺寸见表9-4，轮廓形状如图9-5（a）及（b）所示。
③6叶螺旋桨系列：
其要素列于表9-3中。
桨叶轮廓的尺寸见表9-4，轮廓形状如图9-6（a）及（b）所示。
表9-1四叶模型螺旋桨要素表
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
直径（m）
毂径比
盘面比
最大叶宽比
平均叶宽比
叶厚比
后倾角
0.250
0.180
0.400
0.226
0.192
0.050
10˚
0.250
0.180
0.550
0.311
0.263
0.050
10˚
0.250
0.180
0.700
0.398
0.050
10˚
表9-2五叶模型螺旋桨要素表
AU5-50
AU5-65
MAU5-80
直径（m）
毂径比
盘面比
最大叶宽比
叶厚比（叶厚分数）
后倾角
0.250
0.180
0.500
0.226
0.050
10˚
0.250
0.180
0.650
0.294
0.050
10˚
0.250
0.180
0.800
0.364
0.050
10˚
表9-3六叶模型螺旋桨要素表
AUW6-55
AUW6-70
AU6-70
MAUW6-85
直径（m）
毂径比
盘面比
最大叶宽比
叶厚比
后倾角
叶片剖面后缘有一定翘度
0.250
0.180
0.550
0.208
0.050
10˚
有
0.250
0.180
0.700
0.264
0.050
10˚
有
0.250
0.180
0.700
0.264
0.050
10˚
无
0.250
0.180
0.850
0.322
0.050
10˚
有
表9-4AU型螺旋桨桨叶轮廓的尺寸表
叶片
宽度
以最
大叶
片宽
度的
%表
示
r/R
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.66
0.7
0.8
0.9
0.95
1.0
叶片最大宽度
在0.66处=
0.226D·aE/0.1Z,
D为螺旋桨直径
aE:
为盘面比
Z:
为叶数
从母线到
叶片随边
的距离
27.96
33.45
38.76
43.54
47.96
49.74
51.33
52.39
48.49
42.07
17.29
从母线到
叶片导边
的距离
38.58
44.25
48.32
50.80
51.15
50.26
48.31
40.53
25.13
13.55
叶片宽度
66.54
77.70
87.08
94.34
99.11
100.0
99.64
92.92
73.62
55.62
叶片厚度用
D的%表示
4.06
3.59
3.12
2.65
2.18
1.90
1.71
1.24
0.77
0.54
0.30
叶片最大厚度
在螺旋桨轴线
处=0.05D
以叶片宽度%表示的从导边至最厚
点的距离
32.0
32.0
32.0
32.5
34.9
37.9
40.2
45.4
48.9
50.0
表9-4给出了AU型（MAU，AUw）模型螺旋桨的伸张轮廓尺寸。
表9-5，表9-6，表9-7，表9-8分别给出AU型、MAU型、AUw型及MAUw型的叶切面尺寸，据此可以求出螺旋桨的伸张轮廓和各半径处的叶切面形状。
3.图谱的应用
在进行设计时，应先确定伴流分数ω、推力减额分数t、相对旋转效率ηR及传送效率
ηs。
然后可应用
图谱来解决螺旋桨设计中不同类型的问题，现分述如下。
（1）螺旋桨的初步设计问题：
①已知船速V，有效马力曲线，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速N，螺旋桨效率η0，螺距比P/D和主机马力Ps。
首先需选定螺旋桨的型式，叶数和盘面比。
例如选用MAU型，4叶，盘面比为0.55的螺旋桨，则可决定所用的图谱为MAU4-55的
图谱。
在此类问题中，欲求的是转速N和主机马力Ps（或螺旋桨收到马力PD），由（9-1）和（9-2）式可见，无法确定其中任一个参数，因此需要假设一组转速N来进行计算，具体步骤可用表9-9的形式进行。
将表9-9的计算结果作图9-7，图中以转速N为横坐标，并以Ps、PTE、P/D、η0分别为纵坐标。
然后根据已知船速V时的有效马力PE值作水平线与PTE曲线相交，此交点即为所求的螺旋桨，由此还可读出螺旋桨的转速N、要求的主机马力Ps及螺旋桨的螺距比P/D、效率η0等。
表9-5AU型叶切面尺寸表
1）X坐标值以叶宽的%表示；2）Y坐标值以Y最大的%表示
r/R
0.20
X
Y0
Yu
0
35.00
2.00
51.85
24.25
4.00
59.75
19.05
6.00
66.15
15.00
10.00
76.05
10.00
15.00
85.25
5.40
20.00
92.20
2.35
30.00
99.80
32.00
100.00
40.00
97.75
50.00
89.95
60.00
78.15
70.00
63.15
80.00
45.25
90.00
25.30
95.00
15.00
100.00
4.50
0.30
X
Y0
Yu
0
35.00
2.00
51.85
24.25
4.00
59.75
19.05
6.00
66.15
15.00
10.00
76.05
10.00
15.00
85.25
5.40
20.00
92.20
2.35
30.00
99.80
32.00
100.00
40.00
97.75
50.00
89.95
60.00
78.15
70.00
63.15
80.00
45.25
90.00
25.30
95.00
15.00
100.00
4.50
0.40
X
Y0
Yu
0
35.00
2.00
51.85
24.25
4.00
59.75
19.05
6.00
66.15
15.00
10.00
76.05
10.00
15.00
85.25
5.40
20.00
92.20
2.35
30.00
99.80
32.00
100.00
40.00
97.75
50.00
89.95
60.00
78.15
70.00
63.15
80.00
45.25
90.00
25.30
95.00
15.00
100.00
4.50
0.50
X
Y0
Yu
0
35.00
2.03
51.85
24.25
4.06
59.75
19.05
6.09
66.15
15.00
10.16
76.05
10.00
15.23
85.25
5.40
20.31
92.20
2.35
30.47
99.80
32.50
100.00
40.44
97.75
50.37
89.95
60.29
78.15
70.22
63.15
80.15
45.25
90.07
25.30
95.04
15.00
100.00
4.50
0.60
X
Y0
Yu
0
35.00
2.18
51.85
24.25
4.36
59.75
19.05
6.54
66.15
15.10
10.91
76.05
10.00
16.36
85.25
5.40
21.81
92.20
2.35
32.72
99.80
34.90
100.00
42.56
97.75
52.13
89.95
61.76
78.15
71.28
63.15
80.85
45.25
90.43
25.30
95.21
15.00
100.00
4.50
0.70
X
Y0
Yu
0
35.00
2.51
51.85
24.25
5.03
59.75
19.05
7.54
66.15
15.00
12.56
76.05
10.00
18.84
85.25
5.40
25.12
92.20
2.35
37.69
99.80
40.20
100.00
47.23
97.75
56.03
89.95
64.82
78.15
73.62
63.15
82.41
45.25
91.21
25.30
95.60
15.00
100.00
4.50
0.80
X
Y0
Yu
0
35.00
2.84
51.85
24.25
5.68
59.75
19.05
8.51
66.15
15.00
14.19
76.05
10.00
21.28
85.25
5.40
21.28
92.20
2.35
42.56
99.80
45.40
100.00
51.82
97.75
59.85
89.95
67.88
78.15
75.91
63.15
83.94
45.25
91.97
25.30
95.99
15.00
100.00
4.50
0.90
X
Y0
Yu
0
30.46
3.06
48.22
23.10
6.11
55.33
19.04
9.17
62.44
15.23
15.28
74.10
10.15
22.92
85.25
5.40
30.56
92.20
2.35
45.85
99.80
48.90
100.00
54.91
97.75
62.42
89.95
69.94
78.15
77.46
63.15
84.97
45.25
92.47
25.30
96.24
15.00
100.00
4.50
0.95
X
Y0
Yu
0
0
3.13
15.88
6.25
25.99
9.38
39.66
15.63
50.55
23.44
68.36
31.25
83.75
46.87
99.80
50.00
100.00
55.88
97.75
63.23
89.95
70.59
78.15
77.94
63.15
85.30
45.25
92.65
25.30
96.32
15.00
100.00
4.50
表9-6改进AU型（MAU型）叶切切面尺寸表
1）X坐标值以叶宽的%表示；2）Y坐标值以Y最大的%表示
r/R
0.20
X
Y0
Yu
0
35.00
2.00
51.85
24.25
4.00
59.75
19.05
6.00
66.15
15.00
10.00
76.05
10.00
15.00
85.25
5.40
20.00
92.20
2.35
30.00
99.80
32.00
100.00
40.00
97.75
50.00
89.95
60.00
78.15
70.00
63.15
80.00
45.25
90.00
25.30
95.00
15.00
100.00
4.50
0.30
X
Y0
Yu
0
35.00
2.00
51.85
24.25
4.00
59.75
19.05
6.00
66.15
15.00
10.00
76.05
10.00
15.00
85.25
5.40
20.00
92.20
2.35
30.00
99.80
32.00
100.00
40.00
97.75
50.00
89.95
60.00
78.15
70.00
63.15
80.00
45.25
90.00
25.30
95.00
15.00
100.00
4.50
0.40
X
Y0
Yu
0
35.00
2.00
51.85
24.25
4.00
59.75
19.05
6.00
66.15
15.00
10.00
76.05
10.00
15.00
85.25
5.40
20.00
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