1、江 苏 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 船舶与建筑工程 专 业 船舶与海洋工程 学生姓名 班级学号 指导教师 年 月江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业论文54000t 散货船螺旋桨设计计算及船机桨匹配性分析The design of propeller in bulk cargo ship loading 54000 tons and the analysis of the matching among ship engine and propeller江苏科技大学本科毕业设计（论文）I摘要螺旋桨(Propeller) 是一种推进器，它具有效率高、成本低、
2、使用方便及构造简单等优点，这使它成为了当今船舶推进的最主要最广泛的推进器。螺旋桨的设计和其性能计算是现在船舶动力性能的重要计算内容，同样也是船舶设计学范畴的一项非常重要的课题。本课题以 54000t 散货船的螺旋桨设计为对象，按照 AU/MAU 螺旋桨图谱设计的设计方法。首先根据已有设计船现有的主尺度及参数估算船舶静水阻力，得到不同航速下的有效马力，通过有效马力初步设计螺旋桨。再根据螺旋桨的初步设计的结果选择主机和齿轮箱，之后进行终结设计，对所设计的螺旋桨进行空泡校核并根据规范进行强度校核。最后对螺旋桨进行航行性能分析及船-机-桨的匹配性分析。通过以上设计成功地设计出了 54000t 散货船的
3、螺旋桨，并且与主机具有良好的匹配性。关键词：螺旋桨；船舶静水阻力计算；螺旋桨设计；船-机-桨匹配性分析 江苏科技大学本科毕业设计（论文）IIAbstractAs a propeller marine propulsion device, it has a simple structure, low cost, high ease of use, efficiency, etc., is in the field of modern ship most widely used form of propulsion. The design and performance calculation h
4、as also been very important in the field of ship hydrodynamics one of the topics.The topics to 54000t bulk carrier propeller design for the object, according to general procedure Propeller design. First estimate of the ship has been designed by the hydrostatic resistance vessel main dimensions and p
5、arameters of existing, effective horsepower under different speed, preliminary design through effective horsepower propeller. Then select the host and gearbox based on the results of the preliminary design of the propeller. After the end of the design carried out on the design of propeller cavitatio
6、n check conducted in accordance with “steel ships into the Classification and Construction,“ strength check. Ultimately propellers propeller aircraft navigation performance analysis and match analysis.Through the above design successfully designed a propeller 54000t bulk carriers, and the host has a
7、 good matching.Keywords: Propeller; calculation of ship hydrostatic resistance; propeller design; boat - machine - propeller analysis江苏科技大学本科毕业设计（论文）III目 录第一章 绪论 .11.1 研究该课题背景及意义 .11.2 螺旋桨设计的现状 .21.2.1 环流理论法 .21.2.2 图谱设计方法 .31.3 小结 .3第二章 船舶静水阻力的计算 .52.1 估算排水量 .52.2 静水阻力估算的一般方法 .62.3 泰勒法估算船舶阻力的步骤 .72
8、.4 小结 .9第三章 螺旋桨设计 .103.1 螺旋桨设计时考虑的问题 .103.1.1 螺旋桨数目的选择 .103.1.2 螺旋桨叶数目的选择 .113.1.3 螺旋桨直径的选取 .113.1.4 螺旋桨转速的确定 .123.1.5 桨叶轮廓和叶切面形状 .123.2 螺旋桨设计的关键步骤及方法 .133.2.1 螺旋桨初步设计方法 .133.2.2 螺旋桨终结设计 .153.3 小结 .27第四章 船机桨匹配性分析 .284.1 总体研究 .284.2 船体和主机的匹配性分析 .324.3 主机和螺旋桨的匹配性分析 .344.4 小结 .36总 结 .37致 谢 .38参考文献 .39江
9、苏科技大学本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 研究该课题背景及意义自 19 世纪 40 年代，当时船舶的主要推进方式还是明轮，这时有一位英国人设计了一种新型推进装置“螺旋桨”并安置在当时被称为阿基米德号的轮船上。为了测试这种新型推进装置的推动效率，之后他们用吨位相同且功率也相同的明轮船与装有螺旋桨的船进行了水上拔河，有意思的是用明轮作为推进装置的船被拖着连连倒退，由此可见螺旋桨的推进效率是远远高于明轮的推进效率。自那以后螺旋桨成为了船舶推进中最主要的推进器。在船舶设计的领域，针对船舶中稳定、快速、操作以和耐波等相关内容分析，分别拥有了一套理论比较完善并且十分有效的设计方案。在核对有关参数
10、的各种性能要求后，从而确定船舶设计的要求，这可能是相互矛盾的，因此在船舶总体设计时，根据这些相互矛盾的设计要求，在综合分析的基础上做出妥协，折衷处理那些主要基于相应的实验数据和工程人员设计的经验。伴随造船行业迅猛地发展人们越来越重视航行的安全性与经济性，由于我们一般会选择的船用螺旋桨推进装置，螺旋桨的性能设计极为重要。当今时代，船舶越做越大，航行速度也越来越快，对船用螺旋桨的综合性能要求也越来越高，在设计螺旋桨时应该尽可能使船舶在兼顾效率的同时也避免桨叶发生空泡现象，使得振动减小，保证了一定的舒适性。本论文主要讲述散货船螺旋桨的相关选取与设计。伴随着我国国防业与航运业快速发展的脚步，船用螺旋桨
11、通过传统螺旋桨图谱法的研发存在着很多局限性,其设计的质量指标已不能满足船舶推进性能效率、振动水平和其他方面对船舶的特性要求，航运市场和国防建设需要现代更先进的手段来设计出效率高、震动低、噪音小的高性能船用桨。随着现代计算机技术飞速迅猛的发展，计算机能够在螺旋桨设计中起到相当重要作用，从而促进螺旋桨设计的现代化进程。虽然现代船舶的螺旋桨研究计算与设计计算非常成熟了，仍然需要解决诸多的技术问题，像是如何正确建立力学模型，怎样获得最好的计算算法，还有各种江苏科技大学本科毕业设计（论文）2现实操作问题，如在技术加工方面的问题，材料的选择与新型材料的开发，这里我们就不一一列举了。1.2 螺旋桨设计的现状
12、 螺旋桨设计分为理论和图谱两种方法，并且有其各自的优缺点，随着航运业的不断发展，螺旋桨的性能要求也不断攀升，接下来我们分别对这两种方法的特点进行描述，其中涉及到各自的发展史和各自的优劣。其中，面元法能够广泛应用于螺旋桨的设计上，能够很好的提供设计的理论依据。1.2.1 环流理论法螺旋桨的理论设计方法，是根据数据流理论和叶片截面的理论设计。船桨在转动时所带来的震动、噪音、空泡现象还有效率问题是一直以来都是研究的问题，这也是螺旋桨设计者会普遍关心的问题。要想解决这些问题，需要我们综合考虑多种因素。所以在不同的使用状况下，为了满足不同的需求，各种各样形状不同的桨叶会用在对航行有不同需求的实船上。例如
13、为了减少螺旋桨的倾斜和震动，通常会使用优化设计的理论和方法来提高螺旋桨推进器的效率等问题。最近这些年来由于高速船的持续使用，螺旋桨设计对速度上要有相当高的要求，同时也要避免震动、空泡和腐蚀等问题，还要兼顾较高的效率，平常使用的图谱设计方法已经不能在满足以上要求，所以通过理论法来设计桨正在成为对航速有较高要求的船舶的主流设计。此外，电子计算信息技术的发展，螺旋桨理论设计的提高，伴随着各种高端技术的成熟，使得设计变得越来越方便，这些技术也使得螺旋桨理论设计与螺旋桨加工之间的问题获得很好的解决。从而理论法设计的桨让水动力性能预报这一块发展迅速。结果使得螺旋桨理论预测的可靠的计算方法的数值发展绩效是非
14、常有必要的。升力线理论：这种方法由于其特殊性而只好在某些特别的情况下才能使用，而在通常情况下，这种方法只能被用来作为近似的方法来使用。20 世纪 60 年代左右 lerbs 提出了诱导因子法，在求解流场的轴对称的正、逆问题中采用。摩根等人通过一系列的计算于 1968 年得出了升力面的修正因子。由于螺旋桨叶型类似小展弦比的机翼，理论中没有考虑沿着弦向所受到的影响，也没有满足物面的边界条件，所以说算得的螺旋桨转矩、螺旋桨效率、螺旋桨推力是错误的，江苏科技大学本科毕业设计（论文）3但是所设计的叶片几何轮廓很相近，这种理论方法的局限性在于宽度较宽的桨叶会出现较大的误差，这里我们只能通过另一种办法-升力
15、面理论来进行修正。 升力面理论：这种理论是由麻省理工大学的凯尔文以机翼理论中佛克思想为基础发展而来，他所采用的方法充分考虑了螺旋桨的厚度所带来的影响，并让该理论能够用于有倾斜情况的变螺距桨，还增加了螺旋桨叶片厚度影响。这种方法通过使用升力线理论的成果从而可以避开求解诱导速度，减轻了工作量，而且，可以任意地选择附着涡分布方式，也能够算出弧线的攻角和形状，然而，纵向倾斜和横向斜变距螺旋桨的不足，还没有考虑的厚度的影响。升力理论在能够有具有良好精度于螺旋桨敞水特性中，而其理论依据主要是通过薄翼理论，在不能准确地描述几何特点时也不能精准的预测螺旋桨叶片所受的压力。 升力理论在能够具有良好精度于螺旋桨敞
16、水特性中，而其理论依据主要是通过薄翼理论，这就是面元法。在不能准确地描述几何特点时也不能精准的预测螺旋桨叶片所受分布的压力，这种方案可以一定程度上解决压力分布的问题，并且该方案的优点是以上两种方法的一个完善和总结，该方法能够较好地处理各种不利因素的影响，而且该方案的适用范围广。1.2.2 图谱设计方法螺旋桨图谱设计方法，就是根据大量的螺旋桨模型在敞水中实验得到数据的汇总所绘制的一种包含各种图谱规范作为设计参照的设计方法。按目前螺旋桨图谱设计法就是依据已有的图谱所供的各种螺旋桨的资料，在这些资料中选出一个最为合理的方案。这种方法的优点是计算数据的过程简单减少工作量，而且计算结果比较符合实际情况。
17、特别是在设计一些较为典型的船时，该方案可以快速地得到最为合理的方案。螺旋桨图谱设计的方法还是有很多不足之处，例如该方案基于大量的图谱需要通过大量的实验来补充完善，同时要耗费大量的精力。图谱法由于都是通过给定船的数据绘制的图谱，可想而知，该方法不够灵活，对于常见的震动与空泡问题不能够很好地解决。1.3 小结螺旋桨是船舶常用的主要推进器，性能优劣直接影响到船体、主机之间的配合，从而一定程度上决定船舶设计的成败，对于船舶在航行时的安全与经济江苏科技大学本科毕业设计（论文）4性有着很大的影响。所以在螺旋桨设计时，我们应该严格谨慎，认真地做好每一步反复的检测之前的数据，使设计的螺旋桨安全、可靠、高效。目前常用的螺旋桨图谱设计的方法设计的螺旋桨，但这种方法在信息日益丰富，计算机技术迅猛发展的今天来说，显得不够精确与高效。本次设计主要正对 54000t 散货船螺旋桨进行设计，设计步骤详细见第三章。
