推进演示文稿

推进演示文稿第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§8.1设计问题和设计方法一、螺旋桨的初步设计问题目标：设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又使消耗的主机马力最小。分为两种：

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，根据选定的转速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、螺旋桨的终结设计问题

目标：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。具体地讲，就是已知主机马力PS，转速n和有效马力曲线，确定最大船速V，螺旋桨的直径D，螺距比P/D及效率η0

。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。第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

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。图谱方法计算方便，易于为人们所掌握，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，但此类资料很丰富，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。随着计算机的普及和环流理论的成熟，现已得到广泛的应用。第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

在进行螺旋桨设计时，必须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。§8.2Bp-型螺旋桨设计图谱及其应用第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用

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，则可以得到一个敞水性征曲线组。当知道进速系数J＝VA／(nD)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两个参数，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。第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三1、Bp-型设计图谱的建立针对终结设计问题(已知主机马力和螺旋桨转速)，导出不包含直径D的系数。由定义收到马力系数（功率系数）为各量单位取为：PD(hp)，VA(m/s)，n(rps)如取为：VA(kn)，N(rpm)，ρ=104.51kgfs2/m4则有第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三同时定义直径系数由敞水曲线绘制-δ图谱方法1）确定效率等值线范围，一般η0=0.3-0.7，和间距，一般η=0.012）确定直径系数等值线范围，一般

=30–200，和间距，一般δ

=23）做效率等值曲线。在敞水曲线上，用每个等值效率，做水平线与各个P/D的效率曲线相·交，并各个交点上读取J和相应的KQ值。然后由下式计算BP：将各个相应的P/D，用光滑曲线相连，得效率等值曲线。第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三4）做等值直径曲线。对每个给定的直径系数δ值，计算其相应的J值：5）将各时效率最高点连成光顺曲线，即为最佳效率曲线。在计算的J，从敞水曲线上读取在各个P/D下的KQ值，并J和KQ计算BP:将各个相对应得P/D，用光滑曲线连接得等值直径系数曲线。第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2、AU（MAU）型螺旋桨形式

AU～该系列原型，为部分五叶桨和六叶桨采用。

MAU～减小部分切面的前缘高度，适当降低面空泡的裕度，增大叶背的抗空泡性能。

AUW～尾缘有一定翘度，六叶桨采用。MAU为等螺距螺旋桨第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三AU、AUW、MAUW有4、5、6叶桨，根据它们的伸张轮廓尺寸和叶切面尺寸就可以求出螺旋桨的伸张轮廓和各半径处的叶切面形状。第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3、图谱的应用设计时应先确定

1)螺旋桨的初步设计问题（a)已知船速V，PE，选定

D，确定最佳转速N，0，P/D，PS

选定桨型，叶数，盘面比，假设一组转速N，列表计算。第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

根据计算结果作PS，PTE，P/D，η0～N曲线图。根据已知船速V时的有效马力PE作水平线与PTE曲线相交，由此交点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。第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

（b)已知船速V，PE，选定

N，确定最佳直径D，0，P/D，PS

同样选定桨型，叶数，盘面比，假设一组直径D，列表计算。第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

根据计算结果作PS，PTE，P/D，η0～

D曲线图。PTE与PE交点即为设计桨的各项参数。第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2)螺旋桨的终结设计问题已知有效马力曲线PE，主机功率PS，转速N，确定最高船速V，0，P/D，D。选定桨型，叶数，盘面比，假设一组船速V，列表计算。25000t散货船。ω=0.34，t=0.26，ηR=0.982。PS=12000hp，N=118.5r/min，ηS=0.98。PD=ηSηRPS=0.98×0.982×12000=11550(hp)第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三根据计算结果作P/D，η0，PE，PTE，D

～V曲线图。PTE与PE交点即为设计桨的各项参数。螺旋桨要素及船速如下：

P/D=0.731ηO=0.569D=5.897mVmax=16.11kn第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三二、B型螺旋桨设计图谱的新形式1969年重新整理发表。1、B型桨图谱与AU图谱的差别：

AU型：1）参数均为公制单位；

2）图谱已换算至海水情况；

3）图谱查出的最佳直径就是船后的最佳直径。

B型：1）参数均采用英制单位；

PD～（UKhp），VA～（kn），N～（rpm），D～（ft）2）图谱未换算至海水情况，设计海船时，需用3)1969年前的图谱最佳直径用于船后时需减小2～4％，

1969年以后，直接应用。γ=1.025，为海水密度。第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2、B型系列桨的新图谱

1972年，荷兰船模水池根据以前的资料，应用多元回归的方法，绘制了一套新图谱，包括（1）KT，KQ～J图谱；（2）BP1～1/J图谱；（3）BP2～1/J图谱。BP1

和BP2

的定义为：PD～(kgf·m/s)，VA～(m/s)，n～(rps)，Q～(kgf·m）上述三组图谱都己修正至雷诺数Re＝2×108的情况。第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

近期荷兰船模试验池有时采用一种称为BB型的螺旋桨。此类螺旋桨与B型螺旋桨基本一样，只是在近梢部略为加宽。就水动力性能而言，可以认为两者是相同的，也就是说可以用B型桨的图谱来设计BB型螺旋桨。

当主机功率、螺旋桨转速和进速给定时可以用BP1～1/J图谱确定螺旋桨的最佳直径。当主机功率、螺旋桨直径和进速给定时可以用BP2～1/J图谱确定螺旋桨的最佳转速。第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3、B型系列桨型式根部切面为机翼型，梢部切面为弓形，后倾角为15o，四叶桨0.6R～1.0R为等螺距，0.6R至叶根逐渐减少，至叶根减少20％，其它叶数桨为等螺距桨。第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§8.3设计螺旋桨时应考虑的若干问题一、螺旋桨的数目通常习惯按母型船来选取螺旋桨数目，且螺旋桨数目与船舶尾部线型直接有关，故在船舶初步设计时已决定其螺旋桨数目。若马力相同，则单螺旋桨船之推进效率常高于双螺旋桨船，这是因为单螺旋桨位于船尾中央，伴流较大，且单桨的直径较双桨为大，故其效率较高。

随着集装箱船的大型化、高速化，由于主机能力所限，船速超过25kn者一般采用多桨。从推进性能讲，以单桨最好，三桨次之，双桨最差。目前由于双桨船尾部形状的改进，双桨效率已有所提高。客船要求速度快、振动小、操纵灵活，故多采用双桨。江船常受吃水限制，而且要求操纵灵敏，故也大多采用双螺旋桨。第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

军用舰艇则有装四个螺旋桨的，因为对于军用舰艇来说，作战时的快速性、机动性和生命力都是十分重要的，而且这样也可兼顾动力装置的使用寿命及各种使用工况下的经济性。二、螺旋桨的叶数叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和空泡等多方面加以考虑。一般认为，若螺旋桨的直径及展开面积相同，则叶数少者效率常略高，叶数多者因叶栅干扰作用增大，故效率下降。但叶数多者对减小振动有利，叶数少者对避免空泡有利。通常双桨船多采用3或4叶，高速军舰以3叶为宜。1.根据造船统计资料选择螺旋桨叶数根据过去大量造船资料的统计，一般说来，在3叶至6叶之间选择。2.螺旋桨叶数对推进性能的影响叶数多少对螺旋桨的推进性能和敞水效率几乎没有影响。第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3.综合考虑螺旋桨效率与空泡性能一般来说，每增加一叶，盘面比约增加5％一10％，因此避免了空泡发生的可能。但叶数增加，效率并不下降。4.螺旋桨叶数与振动的关系近期对螺旋桨激振力的研究表明，螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，因此在图谱设计中，一般单桨商船多用4叶。但随着船舶的大型化，振动问题显得突出，有采用5叶甚至6叶的趋势。此外，在选择叶数时应避免和船体或轴系发生共振，亦即避免叶频nZ(转数与叶数的乘积)与轴系或船体的自然频率相等或相近。同时还应尽量避免主机气缸数、冲程数与叶数相等或恰为其整数倍。第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三三、螺旋桨的直径对于经常在压载情况下航行的船舶，宜采用直径较小的螺旋桨，以照顾压载时的效率和避免叶梢露出水面。从振动方面考虑，螺旋桨与船体间的间隙不宜过小，否则可能引起严重振动。实际上螺旋桨的直径多数是根据设计图谱来决定的。四、螺旋桨的转速二节点垂向振动频率是船上所有自然频率的最低者，它比目前经常遇到的螺旋桨转速范围低不了多少(一般单螺旋桨的每分钟转数大致在80至150之间)。在船舶设计时，应相当确切地决定船体振动的自然频率，特别是二节点垂向振动频率N2V，螺旋桨转速N的选择应避开0.9N2V～1.1N2V，螺旋桨转速的选择一般均大于1.1N2V。这样，在机器启动与加速时，共振情况只出现在一段很短的时间内，不会引起严重的后果。第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三五、桨叶外形和叶切面形状螺旋桨最常用的叶切面形状有弓型(或称圆背形)和机翼型两种。弓型切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载荷时其效率较机翼型约低3％一4％。若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分布较均匀，则无论对空泡或效率均有益，故商船螺旋桨采用机翼型切面。军舰螺旋桨及其他高载荷螺旋桨都用宽而薄的弓型切面。第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§8.4船体—螺旋桨—主机的匹配问题

上面所讨论的螺旋桨设计问题，系对船舶在一定情况下选择效率最佳的螺旋桨，对于普通船舶即指满载时以全速或用正常马力航行的情况。显然，船舶在设计状态下航行时，不仅螺旋桨效率最佳，而且船体—螺旋桨—主机间的配合十分完善。但船舶的实际航行状态比较复杂，外界情况的改变(例如风浪、污底、航道深度、装载情况等)直接引起船体阻力的变化，因而航速、螺旋桨的工作情况、主机的功率及转速等都将发生变化。第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

螺旋桨及主机装在船上成为一个复杂的联动机构。主机为机械能的发生器，螺旋桨为能量的转换器(将主机的旋转能转换为推力能)，而船体则为能量的需求者(即螺旋桨的推力能消耗于船体阻力的作功)。因此，船体—螺旋桨—主机之间能量转换及工作状态是相互牵制和相互关联的。当船舶在等速直线航行时，主机与螺旋桨之间有下列关系：①运动的：螺旋桨的转数等于主机的转数；②动力的：螺旋桨所需的转力矩等于主机所能供给的转力矩。若螺旋桨与主机之间装有减速齿轮，则上述关系中尚需引入传动比作为乘数。同样，在船体与螺旋桨之间也存在下列关系：①运动的：螺旋桨的进速等于伴流修正后的船速，即VA＝V(1-ω);②动力的：螺旋桨的有效推力等于船体所受的阻力，即T(1—t)＝R。第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

现讨论船速变化(即主机的部分马力航行)时螺旋桨的工作情况。当船在刚开航时，船速及船体阻力为零，主机以某一转速带动螺旋桨，此时螺旋桨的进速系数J＝0，其发出之推力启动船舶作加速运动。其后，船速渐增，阻力加大，螺旋桨的进速系数也随之渐增。若转速保持不变，则推力因进速系数增加而略减，如转速继续增加，则推力可能续增。当船速与转速达到适当的关系后，螺旋桨发出的推力恰能克服船体阻力，螺旋桨所遭受的转力矩亦恰为主机所能供给者，则供求互相平衡，船即以等速度前进，螺旋桨也在一定的进速系数下工作。

我们可将螺旋桨视为主机的制动器。在某一定船速时增加转速，则螺旋桨的进速系数减小，因而发出较大之推力和吸收较大之转矩。如因增加转速所需之转矩已达到主机所能供给之数值，则转速不能再增。第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三三者关系的平衡表示图校核曲线(航行特性曲线)：（要求）会看会画校核曲线（p136-137）不同载况下（压载、满载、超载）船体有效功率不同载况下（压载、满载、超载）螺旋桨的有效推进功率不同载况下（压载、满载、超载）主机的功率需求不同航速下不同转速下不同航速下不同航速下不同转速下相等对应船体螺旋桨主机有效马力曲线有效推进功率曲线主机特性曲线第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§8.5螺旋桨图谱设计举例一、船舶的主要参数

船型：单桨，球首，球尾，流线型挂舵，中机型多用途远洋货船

设计水线长：LWL=144.20米垂线间长：LPP=140.00米型宽：B=21.80米型深：H=12.50米设计吃水：T=8.90米方形系数：CB=0.743排水量：Δ=20800吨桨轴中心距基线：ZP=2.95米有效马力曲线数据:第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三二、主机参数型号苏尔士6RLB56柴油机最大持续功率8460hp转速155rpm转向右旋三、推进因子伴流分数w=0.35推力减额分数t=0.6w=0.21相对旋转效率ηR=1.0船身效率ηH=1.2154四、最大航速的计算选用MAU4叶桨，取10％功率储备，轴系效率为ηS=0.97，敞水收到马力为：第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三采用MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70图谱列表计算第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三根据表格计算结果绘制各变量与航速的关系曲线，由PTE与船体满载PE曲线的交点，可确定不同盘面比的设计桨的参数P/D、D、δ和η0及设计航速。第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三利用柏利尔空泡限界线进行校核，确定不发生空泡的最小盘面比。五、空泡校核第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三根据表格计算结果绘制各变量与盘面比的关系曲线，并绘出盘面比曲线，由需要的盘面比

与盘面比曲线的交点，可确定不发生空泡的最小盘面比，及相应设计桨的参数。第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三六、强度校核根据2001年《规范》，0.25R和0.6R处的切面厚度应不小于下式计算的值第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三可见MAU标准桨叶厚度不满足强度要求，实际取的连线，确定桨叶厚度分布第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三七、螺距修正取MAU的毂径比0.18，无需修正设计桨的叶厚度比标准桨大，需进行修正八、重量及惯性矩计算根据剖面形状，用近似积分计算：桨叶重量：桨毂重量：螺旋桨总重量：桨叶惯性矩：桨毂惯性矩：螺旋桨总惯性矩：第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三九、敞水性征曲线

由MAU4-40，MAU4-55，P/D=0.684的敞水性征曲线内插求得MAU4-54.4，P/D=0.684的敞水性征曲线。第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三十、系柱特性螺旋桨转矩系柱推力螺旋桨转速螺旋桨敞水功率第四十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三十一、螺旋桨设计总结螺旋桨直径D=4.78米螺距比P/D=0.6825桨型MAU叶数Z=4盘面比AE/A0=0.544纵倾角ε=8o螺旋桨效率η=0.545设计航速Vmax=15.48节毂径比dh/D=0.18旋向右旋材料铝镍青铜重量8406.75公斤惯性矩97893.4公斤厘米秒2

第四十五页，共四十九页