雙機雙槳船舶螺旋槳設計實踐＊

宋秋紅，洪敦平，張 健，夏泰淳

（1.上海水產(chǎn)大學 工程學院，上海200090；2.福建泉州漁業(yè)船舶檢驗處，福建 泉州362000）

為充分利用主機功率提高推進效率，導管槳、調(diào)距槳及雙速比齒輪箱［1-4］等技術(shù)廣泛應用在各種工況下滿足船舶推進性能。然而，在很多情況下，例如航道淺船舶吃水受限制；某些漁港不是深水港而往往需要“坐灘”，使得船的尾框尺寸較??；或者由于船舶柴油機功率配置上的種種原因，螺旋槳直徑較小，但是這些船舶又往往需要具有足夠大的航速或較大的拖力。為此，這類船舶往往使用雙機雙槳或三機三槳［5-6］。有的船舶長期在較狹河道中航行，需要良好的操縱性，往往也采用雙機雙槳。

1 設計原理及方法

1.1 設計原理

圖1是某船體阻力曲線和槳有效推力曲線的示意圖，橫坐標為航速v，縱坐標為船體的阻力R及槳的有效推力T。

圖1 R～vs與T～Ts曲線

某船舶按自由航行工況設計，單槳的有效推力曲線與船體的阻力曲線相交點，就是單槳船能達到的最大航速vs，那么采用同樣功率的主機，按雙機雙槳來進行設計，航速則能達到v′s，在螺旋槳的實用設計中，圖1的兩條曲線往往表達成船體的有效功率曲線和槳的有效推功率曲線。在本螺旋槳設計軟件中，有相應的母型船的有效功率曲線，當輸入設計船的船型主要尺度，如船長、型寬、吃水、型深及排水量等，根據(jù)海軍系數(shù)法，可得到設計船在n個航速對應下的有效功率，即vsi～PEi（i＝1，2，…，n）。

然后計算機將這些數(shù)據(jù)擬合成PE＝f（vs）函數(shù)，軟件中選擇了常用的冪次函數(shù)，形式為：

式中：PE——船的有效功率；

k——考慮設計船船型系數(shù)和母型船的差異引入的修正系數(shù)，一般情況下，k＝1；

a、b——該冪次函數(shù)中的兩個相應的常數(shù)。

考慮單位換算，將船體阻力R表達成：

其中：R——船體阻力，kgf。

vs——船最大自由航速，單位m／s。

將船的最大自由航速vs代入上式，可求得船體在此時的阻力，即單槳的有效推力T。若采用相同主機的雙機雙槳，則雙槳的有效推力T′＝2 T＝R′ （R′是船在v′s時的阻力），然后求解雙機雙槳船能達到的最大航速v′s，顯然，這是一個求解該方程反函數(shù)的問題，是很容易求得的。

當采用雙機雙槳后，航速會提高，換言之這相當于該船阻力的“減少”，而導致航速的提高，因此，在設計雙機雙槳過程中，只要調(diào)整螺旋槳設計軟件中船型修正系數(shù)k，使得按單槳得到的自由航速同v′s相等，此時螺旋槳的螺距就可以計算出來。

對于多工況船舶來說，例如拖網(wǎng)漁船或者拖船，船舶還有一個拖力指標要求，一般來講這個拖力數(shù)值基本上是等于相同主機或槳的數(shù)量的倍數(shù)，以拖網(wǎng)漁船為例，由于拖網(wǎng)拖力是指船實際在3～4kn時拖速下的拖力指標，因此基本上是等于單槳拖力數(shù)值的倍數(shù)。

1.2 設計方法

在上述原理基礎上采用由筆者開發(fā)的漁船螺旋槳設計軟件系統(tǒng)［7］進行螺旋槳設計。

2 計算實例

以某114總噸拖網(wǎng)漁船為例，該漁船主尺度、船型系數(shù)及主機參數(shù)見表1。

表1 漁船船型及主機參數(shù)

2.1 按單機單槳計算

對于本船型若采用單機、其主機標定功率為272kW，標定轉(zhuǎn)速為750r／min，減速齒輪箱速比為3∶1，而且螺旋槳直徑不受限制以及考慮到設計船和母型船在船型系數(shù)的一些差別，這里船型修正系數(shù)取1.1，由設計軟件按普通槳AU4型計算結(jié)果如下。

1）自由航行工況槳徑2.24m，螺距比0.699，自由航速12.70kn，系泊拖力38.82kN。

2）拖網(wǎng)工況（vs＝4.00kn）槳徑2.0m，螺距比0.54，自由航速9.94kn，系泊拖力51.39kN。

但考慮到該船吃水的原因，螺旋槳的直徑限制在Dmax＝1.30m，由設計軟件按普通槳AU4計算，結(jié)果如下。

1）自由航行工況槳徑1.30m，螺距比1.88，自由航速10.62kn，系泊拖力27.08kN；

2）拖網(wǎng)工況（vs＝4.00kn），槳徑1.30m，螺距比1.74，自由航速10.41kn，系泊拖力29.02kN。

很明顯，由于螺旋槳直徑限制，螺距比P／D已經(jīng)超過了常規(guī)的P／D≤1.6，因此，本船型如果采用單機單槳，在航行性能及拖網(wǎng)性能上，肯定效能很差。在考慮設計計算更可靠的前提下，根據(jù)本漁船要求的性能應該將單機槳改為雙機雙槳。

2.2 按雙機雙槳計算

本漁船采用的雙機為相同功率（標定功率為136kW）、相同轉(zhuǎn)速（標定轉(zhuǎn)速為750r／min），但旋向相反的主機，減速齒輪箱速比為3∶1，并采用AU4普通槳作為設計螺旋槳（螺旋槳直徑限制在1.30m以內(nèi)）。

2.2.1 按自由航行工況設計（vs＝4.00kn）

1）每臺單機設計軟件計算結(jié)果。

槳徑1.30m，螺距比1.51，自由航速9.97kn，系泊拖力16.7kN，拖力16.21kN。

2）有效功率曲線。

將最大自由航速9.97kn，相當于vs＝5.13m／s代入船體阻力公式得R＝17.38kN。

則雙機雙槳的有效推力為T′＝2T＝2R＝34.76kN

此時船舶的最大自由航速為11.89kn。

3）確定螺距。

由于按單機槳設計，螺距比1.51，螺距1.96m，此時航速僅為9.97kn，而雙機雙槳船的實際航速可達11.89kn，若仍螺距1.96m之槳用在該船上，此時螺旋槳運轉(zhuǎn)顯然偏輕，為此必須加大螺旋槳的螺距。

如前所述，設計雙機雙槳時，另一個槳產(chǎn)生的推力對設計軟件來說相當于該設計船阻力的“減少”，故采用調(diào)整船型系數(shù)k，猶如“減小”船的阻力，使得該船按單機槳設計的航速恰巧能達到11.89kn；應用軟件設計時可逐一調(diào)整修正系數(shù)k，使得按單機槳計算出來的最大航速恰好是v′s，此時的螺距就是雙機雙槳應采用的值。實例表明，當船型修正系數(shù)k＝0.53時，此時航速為11.89kn，得到螺旋槳設計的結(jié)果為槳徑1.30m，螺距比1.57，系泊拖力15.99kN，拖網(wǎng)（4.00kn）時拖力為15.6kN。

4）雙機雙槳設計結(jié)果。

按自由航行工況設計，槳徑1.30m，螺距2.04m，4葉，盤面比0.63，船的自由航速11.89kn，系泊拖力31.98kN，拖網(wǎng)（4.00kn）時拖力為31.2kN。

2.2.2 按拖網(wǎng)工況設計

1）單機單槳軟件計算結(jié)果。

槳徑1.3m，螺距比1.208，自由航速9.21kn，系泊拖力20.97kN；拖網(wǎng)時（4.00kn），拖力19.78kN；

2）計算阻力。仿上法，將自由航速9.21kn，相當于vs＝4.74m／s代入阻力公式得阻力為12.87kN。

將雙機雙槳的有效推力T′＝2T＝2R＝25.74kN代入上式，解得最大航速為＝10.99kn。

3）雙機雙槳計算結(jié)果。

按拖網(wǎng)工況槳徑1.30m，螺距1.57m，4葉，盤面比0.55，船的自由航速10.99kn，系泊拖力41.93kN，拖網(wǎng)（4.00kn）時拖力為39.6kN。

3.2.3 按折衷工況（vs＝8.00kn）設計

雙機雙槳計算結(jié)果為：槳徑1.30m，螺距1.72m，4葉，盤面比0.55，船的自由航速11.40kn，系泊拖力37.67kN，拖網(wǎng)（4.00kn）時拖力36.04kN。

3 討論

1）計算雙機雙槳船時，由于螺旋槳是布置在船舯的左右兩側(cè)，其伴流分數(shù)和推力減額與單螺旋槳船的計算公式是不相同的。根據(jù)筆者對一般漁船的計算，其單槳船的伴流分數(shù)約是雙槳船的2倍。

2）對于多工況的船舶，如拖輪、拖網(wǎng)漁船，尤其是當螺旋槳直徑受較大限制時，淺水內(nèi)河船或漁港條件較差的漁船，或要求操縱性能較高的客船等，雙機雙槳船可以收到較明顯的效果。

3）從以上計算分析來看，在螺旋槳設計時，若主機總功率確定，而螺旋槳直徑不受較大限制，則單機單槳的效率最高；若螺旋槳的直徑有較大限制，則可以考慮采用雙機雙槳推進裝置。以本文實船為例，主機總功率為272kW，如果槳直徑受船舶吃水等條件限制，其最大直徑為1.30m時，采用雙機雙槳時，按自由航行設計航行性能能提高8.3%，系泊拖力性能提高15.5%；按拖網(wǎng)工況設計系泊拖力性能提高44.6%，而航行性能能提高2.1%。很顯然，雙機雙槳船舶在改善拖力性能時作用尤為明顯。

4）以上原理和計算方法同樣可推廣到多機多槳，例如三機三槳等。

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［6］陳秉光.中國南海中小漁船動力裝置的幾點論證［J］.湛江海洋大學學報，1996，16（1）：43-49.

［7］夏泰淳，張 健，宋秋紅.漁船螺旋槳設計軟件系統(tǒng)［J］.船舶工程，2007（1）：49-52.