1、 第 1 页 共 16 页浅谈船舶螺旋桨的设计书面分析报告学号：162210901223姓名：王亚宁2017 年 10 月 7 日星期第 2 页 共 16 页目 录目录.2摘 要.3关键词.3引言.31 结构与计算要素.31.1 结构组成.31.2 计算要素.42 项目设计过程及结果与分析.62.1 船体估算数据.72.2 螺旋桨要素选取及结果与分析.72.3 推力曲线及自由航行计算及结果与分析.82.4 计算总结.102.5 螺旋桨模型的敞水实验.113 螺旋桨设计的发展 .123.1 节能减排促使螺旋桨加快创新.12结束语.14参考文献.15附录.15第 3 页 共 16 页摘 要螺旋桨是
2、造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响的推进速度，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
3、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。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，在浆毂后端第 4 页 共 16 页加一整流罩，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
4、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=D 2/4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
5、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。随着伴流第 5 页 共 16 页不均匀的程度，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
6、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，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
7、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，主机往往是第 6 页 共 16 页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
8、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 -0.6512.1 船体估算数据该船体有效效率估算（兹万科夫法）
9、，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 m浸水面积: 99.462m剩余阻力系数: 2.23501 船速 Vs kn 7 8 9 10 112 V m/s 3.6008 4.1152 4.6296 5.144 5.65843 V1.83 10.43 13.31 16.52 20.03 23.854 f*V 1.83 155.2 198.2 245.9 298.1 355.05 Fn 0.245 0.280 0.315 0
10、.350 0.3856 4Fn 自航船 0.981 1.121 1.261 1.401 1.541第 7 页 共 16 页7 X=1.7+（6） 2.681 2.821 2.961 3.101 3.2418 V 31.021 54.104 93.497 160.683 275.3089 *Cb*Am*(8) 240.6 419.6 725.2 1246.3 2135.410 R=(4)+（9） kgf 395.8 617.8 971.0 1544.4 2490.311 EHP=(10)(2)/75 hp 19.0 33.9 59.9 105.9 187.912 1.2*R kgf 475.0
11、741.4 1165.3 1853.3 2988.413 1.2*EHR hp 22.8 40.7 71.9 127.1 225.5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
12、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 /DP淡水 7.95第 8 页 共 16 页(MAU 图谱为海水中图谱，本船为内河船)=(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MAU440 0.84 0.475MAU455 0.82 0.469MAU470 0.80 0
13、.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： M=75 x 60 x Po/2
14、N= 275.3kgf.m序 号 项 目 单 位 数 值第 9 页 共 16 页1 假定航速 Vs kn 72 VA=Vs x (1-w) x 0.5144m/s 3.1333 J 0.3924 KT 0.2275 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 VA比原设计状态有所增加,即 VAV A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
15、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 8.0 9.0 10.0 11.02 VA=Vs x (1-w) x 0.5144m/s 3.580 4.028 4.475 4.9233 J 0.448 0.504 0.560 0.6164 KT 0.204 0.180 0.155 0.1305 T=2 x KTn 2 D4(1-t)kgf
16、2761.8 2437 2105.9 1764.9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 VA第 10 页 共 16 页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，
17、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 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 0 0.1 0.2 0.3 0.42 KQ 0.0449 0.0415 0.3801 0.0343 0.03233 KT 0.3719 0.3719 0.3015 0.2641 0.24434 推力减额 t 0.05 0.07 0.09 0.12 0.135 N=60x 5QM/(x DK)rpm 366.8 381.4 398.2 419.5 432.56 相应航速 Vs(kn) kn 0.00 1.56 3.26 5.16 6.20 7 T=2x(KT/KQ)(M/D)(1-t) kgf 3945.2 3781.9 3611.1 3395.1 3300.3表 72.34 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
