船舶螺旋槳設(shè)計

鄭華

摘 要：螺旋槳是造船行業(yè)必備的推進部件，它的設(shè)計精度將直接影響船的推進速度，它為船的前進提供的推力。螺旋槳設(shè)計是整個船舶設(shè)計的一個重要組成部分，它是保證船舶快速性的一個重要方面。一般螺旋槳設(shè)計是在初步完成了船舶線型設(shè)計，并通過估算或用船模試驗的方法確定了船體有效功率之后進行的。影響螺旋槳推進性能的因素很多，在本設(shè)計過程中主要對螺旋槳的直徑、螺距比、盤面比、槳葉輪廓形狀等因素進行研究，并通過在工作中積累的經(jīng)驗，設(shè)計一艘內(nèi)河A級拖船的螺旋槳。

關(guān)鍵詞：螺旋槳；直徑；螺距比；盤面比；槳葉輪廓形狀

引言

船在水面或水中的航行時遭受阻力，為了使船舶能保持一定的速度向前航行，必須供給船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠專門的裝置或機構(gòu)通過吸收主機發(fā)出的能量并把它轉(zhuǎn)換成推力而得，而這種專門吸收與轉(zhuǎn)換能量的裝置或轉(zhuǎn)換能量的裝置或機構(gòu)統(tǒng)稱為推進器。推進器種類很多，例如風(fēng)帆，民輪，直葉推進器，噴水推進器及螺旋槳等，螺旋槳構(gòu)造簡單，造價低廉，使用方便，效率較高，是目前應(yīng)用最廣的推進器。

一、工作原理

螺旋槳的工作是靠槳葉向后撥水來實現(xiàn)的。它在工作時，一面隨主機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，一面隨船舶前進而前進，這兩種運動的組合即為螺旋運動。

螺旋槳工作時，發(fā)出的推力用以克服船的阻力，推船前進。遭受的阻力矩由主機發(fā)出的旋轉(zhuǎn)力矩克服之?？梢?，當(dāng)螺旋槳以轉(zhuǎn)速n進行旋轉(zhuǎn)時，必須吸收主機所供給的轉(zhuǎn)矩Q，才能克服力矩。螺旋槳吸收的功率為2πnQ。螺旋槳在運動中產(chǎn)生推力T，且以進速VA推船前進，其所發(fā)揮作用的功率為TVA。故螺旋槳的效率為

ηo = 推功率/吸收功率=TVA/2πnQ

為了提高螺旋槳的效率，總是力求使螺旋槳所產(chǎn)生的推力增大，而使運動中所遭受的阻力矩減少，從而使主機供給的轉(zhuǎn)矩減小。

二、項目設(shè)計過程及結(jié)果與分析

船體主尺度及船型系數(shù)

這個螺旋槳設(shè)計來自于一艘內(nèi)河A級拖船，以下是與該設(shè)計有關(guān)的船體的主尺度及船型系數(shù)：

總 長 23.7米 水線長 23米

型 寬 5.30米 型 深 2.0米

設(shè)計吃水 1.25米 設(shè)計排水量 ～88.7噸

艏舷高 2.55米 艉舷高 2.25米

方形系數(shù) 0.578 水線面系數(shù) 0.809

中剖面系數(shù) 0.917 縱向菱形系數(shù) 0.630

浮心縱向位置 -0.651

2.1 螺旋槳要素選取及結(jié)果與分析

2.1.1 螺旋槳要素選取

靜深水狀態(tài)下的設(shè)計拖帶航速： Vs=13km/h≈7.0kn

螺旋槳直徑： D=1.10m

主機型號： NT/NTA885-M

數(shù)量： 2臺

MCR： 200hp x1744rpm

功率儲備： 10%

設(shè)計點工況： 180hp x1744rpm

齒輪箱減速比： 4 ： 1

螺旋槳轉(zhuǎn)速： N=436rpm

軸系效率： ηs=0.96

齒輪箱傳遞效率： ηg=0.97

伴流分?jǐn)?shù)： w=0.13

推力減額： f=0.14

船身效率： ηh=0.989

2.1.2 結(jié)果與分析

經(jīng)計算分析可知滿足空泡要求的最小盤面比約為Ae/Ao=0.65

根據(jù)MAU4～40、MAU4～55、MAU4～70查得結(jié)果內(nèi)插可知：

在該盤面比下的螺距P/D=0.807，敞水效率ηo=0.461

2.2 強度計算結(jié)果與分析

2.2.1 強度計算結(jié)果

螺旋槳材料 鎳鋁青銅（Cu3）

最小抗拉強度 σb 590N/mm2

材料比重 G 7.6g/cm3

材料系數(shù) K 1.38

主機輸出功率 Ne 200hp（147kw）

螺旋槳轉(zhuǎn)速 ne 436rpm

螺旋槳直徑 D 1.100m

螺旋槳盤面比 Ae 0.650

螺旋槳螺距比 P/D0.70R 0.807

螺旋槳螺距比 P/D0.60R 0.807

螺旋槳螺距比 P/D0.25R 0.807

螺旋槳后傾角 ε 10.00

螺旋槳葉數(shù) Z 4

2.3.2結(jié)果分析

根據(jù)中國船級社≤鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范（2001）≥及≤修改通報≥（2004）得出此計算結(jié)果滿足規(guī)范對強度的要求。

2.3計算總結(jié)

直徑 D=1.10m

槳數(shù) 2只

螺距比 P/D=0.807

盤面比 Ae/Ao=0.65

葉型 MAU

葉數(shù) Z=4

材料 鎳鋁青銅（Cu3）

重量 ～170kg

自由航速 ～18.8km/h

三、結(jié)論

螺旋槳為船的前進提供的推力，但影響螺旋槳推進性能的因素很多。本設(shè)計項目結(jié)果表明，它與主機、船體和流體間的關(guān)系密切，如何正確處理螺旋槳各要素如直徑、螺距比H/D，盤面比、槳葉輪廓形狀、葉數(shù)及轉(zhuǎn)速n等的關(guān)系也是設(shè)計的關(guān)鍵及難點，通過這次的學(xué)習(xí)和實踐分析，并取得了一定的成果。

參考文獻

[1] 中國船級社≤鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范（2001）≥及≤修改通報≥（2004）

[2] ≤船用螺旋槳設(shè)計≥.廣東工業(yè)院造船系編寫組編，1976年10月，第一版。

[3] ≤船舶動力裝置設(shè)計≥.上海交通大學(xué)，編，1991年11月，第一版。

[4] ≤內(nèi)河船舶設(shè)計手冊≥.長江船舶設(shè)計院編，，1972年12月，第一版