螺旋桨设计与绘制汇总

第1章螺旋桨设计与绘制1.1螺旋桨设计螺旋桨设计是船舶快速性设计的重要组成分。在船舶型线初步设计完成后，通过有效马力的估算获船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又能使消耗的主机马力最小；或者当主机已经选定，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。螺旋桨的设计问题可分为两类，即初步设计和终结设计。螺旋桨的初步设计：对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速计效率决定主机的转速及马力。终结设计：主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。在本文中，根据设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.6m，进行初步设计，获得所需主机的马力和主机转速，然后选定主机；根据选定的主机，计算最佳的螺旋桨要素及所能达到的最大航速等。1.1.1螺旋桨参数的选定（1）螺旋桨的数目选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、震动、操纵性能及主机能力等各方面因素。若主机马力相同，则当螺旋桨船的推进效率高于双螺旋浆船，因为单螺旋桨位于船尾中央，且单桨的直径较双桨为大，故效率较高。本文设计船的设计航速约为17.5kn的中速船舶，为获得较高的效率，选用单桨螺旋桨。（2）螺旋桨叶数的选择根据过去大量造成资料的统计获得的桨叶数统计资料，取设计船螺旋桨的叶数为4叶。考虑到螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，在图谱设计中，单桨商船的桨叶数也选为4叶。（3）桨叶形状和叶切面形状螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼型两种。弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载时效率较机翼型约低3%~4%。若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商用螺旋桨采用机翼型切面。根据以上分析，选择MAU4叶桨系列进行螺旋桨设计。1.1.2螺旋桨推进因子螺旋桨的伴流分数取螺旋桨以等推力法进行敞水实验获得的实效伴流：0.404推力减额按照汉克歇尔关于单桨螺旋桨标准商船公式进行计算：0.500.120.22PtC主机的轴系传递效率：0.97s相对旋转效率：1.00R船身效率：11.311Ht1.1.3有效马力曲线有效马力曲线表征的是船体阻力特征。通过近似估算获船模阻力计算实验来确定船体的有效马力曲线。对应于不同装载情况下有不同的有效马力曲线，常用的为满载和压载。考虑到由于风浪或污底等情况，尚需增加一定百分数的有效马力预度。本文取满载和110%满载情况进行设计。表4-1有效马力曲线航速V/kn1515.51616.517有效功率()EPhp满载50445600621168957675110%满载55486160683275848442航速V/kn17.51818.51919.5有效功率()EPhp满载85669522105401166313195110%满载942310474115941282914514航速V/kn2020.52121.522有效功率()EPhp满载1541018523226692789934192110%满载1695120375249353068937611根据上表可绘制设计船在满载情况下的有效马力曲线图4-1有效马力曲线1.1.4初步设计根据有效马力曲线，设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.60m，以MAU4-55系列桨为基础，计算所需的主机马力和最佳转速。具体的计算表格见表4-2表4-2初步设计确定最佳转速的计算序号名称单位数据1螺旋桨直径m6.6211Ht1.313(1)AVVkn10.434EPhp85665假定一组转速Nr/min951001051101156直径系数/ANDV60.1263.2866.4469.6172.777查MAU4-55图谱，由等值线和最佳效率曲线的交点得到P/D0.7620.7420.7240.7040.68600.6060.5930.5760.5640.548pB5.095.415.726.026.348252PADBVPN9180105731198513397150799主机马力/sDsRPP94641090012355138121554610计算螺旋桨能克服的有效马力0TEDHPP728882149043989910825有上表可绘制确定最佳转速的图，如图4-2.根据EP和TEP的交点可获得：最佳转速为N=102r/min，所需主机马力为11500hp，P/D=0.732，0=0.582。图4-2确定转速的计算结果1.1.5终结设计根据初步设计的结果，选定主机型号为苏尔寿5RTA68柴油机一台，最大持续功率为13250hp，转速为102r/min，旋向为右旋。采用MAU4叶桨图谱进行计算取功率储备10%，轴系效率0.97s螺旋桨敞水收到马力：s=132500.911567.25()DRPhp根据MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70的-pB图谱列表计算表4-3按-pB图谱设计的计算表项目单位数值假定航速kn16171819(1)AVVkn9.53610.13210.72811.324续表4-4按-pB图谱设计的计算表0.52.5/pDABNPV39.06633.57229.10225.422pB6.2505.7945.3955.042MAU4-4073.468.664.561.1P/D0.6510.6740.6960.71800.5670.5880.6070.6250TEDHPPhp8592891091989471MAU4-5572.16763.159.6P/D0.6970.720.7430.76800.5520.5730.5930.610TEDHPPhp8365868389869243MAU4-7070.866.562.658.9P/D0.7070.730.7590.78300.5320.5510.5670.5820TEDHPPhp8061834985928819根据上表的计算结果可绘制PTE、、P/D及0对V的曲线，如图4-3.从P-()TEfV曲线与满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D，D及0，如表4-4.表4-5按图4-3设计计算的最佳要素MAUVmax/knP/DD/m04-4017.810.69165.26.790.6044-5517.660.73664.26.620.5874-7017.430.74164.86.600.559图4-3MAU4叶桨图谱设计计算结果1.1.6空泡校核螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，成为空泡。一旦桨叶上出现空泡，或导致桨叶表面材料的剥蚀，或时螺旋桨性能恶化。因此，在设计螺旋桨时，应考虑其是否发生空泡或空泡发展的程度，故需进行空泡现象的预测，以便确定所设计的螺旋桨是否符合要求。目前常使用螺旋桨模型空泡实验或大量实船资料整理所得的图谱，或由统计数据归纳而成的近似公式进行空泡校核。本文按波利尔空泡界限中商船上界限，计算不发生空泡的最小展面比：0.350.400.450.500.550.600.130.140.150.160.170.180.190.20c=(T/AP)/(0.5V20.7R)0.7R=p0/(0.5V20.7R)图4-4波利尔空泡接线图浆轴中心距基线mZP68.3浆轴沉深mZThPs14.768.382.10海水密度42/6.104mkgs标准大气压力2/10330mkgfPa螺旋桨敞水收到马力hpPD25.11567表4-6空泡校核计算结果序号项目单位数据MAU4-40MAU4-55MAU4-701E0/AA0.40.550.72Vkn17.8117.6617.4330aspph2.kgfm17648.517648.517648.540.515(1)AVV1.ms5.475.425.35续表4-7空泡校核计算结果52AV12(.)ms29.8829.3828.626Dm6.796.626.6070.760ND1.ms25.3824.7524.67820.760ND12(.)ms644.37612.51608.8192220.70.760RANVVD12(.)ms674.25641.89637.431020.70.5RV2.kgfm35273.4233580.3433347.241120.7R00.7/(0.5)RpV0.5000.5260.52912查商船螺旋桨空泡0.1770.18320.18413145.6T=(1)EPtV推力kgf96042.6394050.1490727.95142p0.7/0.5cRATV需要投射面积2m15.3815.2914.7915Ep=/(1.0670.229/)AAPD需要投射面积2m16.9317.0216.4816204AD2m36.2134.3234.2117E0/AA需要盘面比0.4670.4960.482根据表4-5计算结果作图4-5，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的的最佳螺旋桨要素。0/0.487EAA/0.72PDmD68.6knV73.17max00.592图4-5空泡校核计算结果1.1.7强度校核为了保证船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。为此，在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定桨叶的厚度分布。螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力油轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸。若桨叶具有测斜或纵斜，则离心力还要使桨弯曲。按2001年《规范》校核0.25Rt及0.6Rt，如表4，应不小于按下式计算之值：YtKXZbnNAY136.12321010dAGANDXZb计算功率132500.90.979453eNkwE0/0.487dAAAP/D=0.721037.6/Ggcm102/minNnr0.660.226/0.10.2266.680.487/0.41.8380RdbDAZm0.250.66R0.7212=1.3256mRbb0.60.660.99111.8217RRbbm表4-8强度校核计算表项目单位数值0.25R0.6R弦长bm1.32561.82170.70.7D/PD/PR处1.38891.3889D/P1.38891.38891234KKKK查表63420725015114106354341120.730.74A/(/)/DPKKDPKDPK2352.636844.163611.36/()eeYANZbn55923.414601.715678KKKK查表82233412416538033025678(/)()ADPKKKK1376.1111178.611材料系数K(铝镍青铜）1.381.38续表4-6强度校核计算表23102/10dXAGANDZb0.297890.185657/()tYKXmm227.3323110.57MAU标准桨叶厚度t`mm255.51145.624校核结果满足要求满足要求实际桨叶厚度按1.00.003523.38mmRtD与0.25R=255.51mmt连直线决定0.20.30.40.50.60.70.80.9270.985,240.035209.084,178.133147.183,116.23285.2813,54.331RRRRRRRRtmmtmmtmmtmmtmmtmmtmmtmm1.1.8螺距修正螺旋桨设计中，有些参数旺旺与