船用螺旋桨的设计原理

船用螺旋桨的设计原理摘要：螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为船的前进提供的推力。螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶线型设计，并通过估算或用船模试验的方法确定了船体有效功率之后进行的。船在水面或水中的航行时遭受阻力，为了使船舶能保持一定的速度向前航行，必须供给船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠专门的装置或机构通过吸收主机发出的能量并把它转换成推力而得，而这种专门吸收与转换能量的装置或转换能量的装置或机构统称为推进器。推进器种类很多，例如风帆，民轮，直叶推进器，喷水推进器及龙叶螺旋桨等，螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是目前应用最广的推进器。结构组成螺旋桨俗称车叶，通常由桨叶和浆毂组成。螺旋桨与尾轴连接部分叫浆毂，浆毂是一个锥形体。为了减小水的阻力，在浆毂后端加一整流罩，与浆毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。螺旋桨在水中产生推力的部分叫桨叶，桨叶固定在浆毂上。普通螺旋桨常为3叶或4叶，2叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近年来有些船舶（如大吨位大功率的油船），为避免震动而采用5叶或5叶以上的螺旋桨。由船尾向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂连接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时先入水的一边称为导边，另一边称为随边。螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径，以D表示。梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积以Ao表示，可用下式表示它们之间的关系：Ao=πD2/4。结构计算要素1）螺旋桨直径：首先考虑与尾型和吃水的关系，在绘制船体线型时，已基本决定了螺旋桨的轴线位置和可能的最大直径。从尾型和吃水条件看，普通船舶的螺旋桨直径大约在下列范围：单桨D=(0.7~0.8)Tw;双桨D=(0.6~0.7)Tw.式中Tw为船舶满载时的船尾吃水。只要螺旋桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水效率最佳的螺旋桨直径。但是由于船后伴流不均匀性的影响，敞水最佳直径与船后最佳直径略有差别。随着伴流不均匀的程度，最佳直径应有不同程度的减小：单桨所处的位置的伴流不均匀性较大，最佳直径要减3~5%；双桨所处的位置伴流比较均匀，最佳直径约减少2~4%。2）盘面比：若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和转距均随盘面比的增加而增大。但盘面比大时，翼栅作用较甚，桨叶的摩擦阻力也较大，螺旋桨的效率就较低。盘面比太小时，因强度需要，势必增加桨叶厚度，这时桨叶单位面积所发出的推力较大，容易发生空泡，且会增加涡旋阻力，致使效率反而降低。所以在设计螺旋桨时，均选择不发生空泡的最小盘面比。3）桨叶轮廓形状：桨叶的外形轮廓多螺旋桨的效率和空泡性都能有影响。但是通过我们现场反馈的意见表明，对一般接近椭圆形的桨叶，叶形的变化对螺旋桨效率影响不大。4）叶数：螺旋桨叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和空泡多方面加以考虑。一般认为若螺旋桨的直径及展开面积相同，则叶数少者效率略高，叶数多者因叶片与叶片间产生的相互干扰作用较大，效率常略低。叶数多者对减小振动有利，叶数少者对避免空泡有利。5）螺旋桨转速：螺旋桨转速低一些，则直径可以较大，效率也会较高，但对主机来说，转速高，则机器效率高，主机的重量和尺寸也可以减小，从这里可以看出螺旋桨转速和主机转速要求之间是相互对立而又互相联结。因此就需要螺旋桨的转速和主机的转速之间要匹配好。但在进行一般民用船舶的螺旋桨设计时，主机往往是从现已生产的一定功率的几种船用主机中加以比较选取，更多的情况是先有主机再进行船舶设计。因此在设计螺旋桨时，螺旋桨的转速常是给定的。在功率相同的情况下，则但螺旋桨船的推进效率高于双螺旋桨，这时因为单螺旋桨位于船尾纵中剖面上，伴流较大，而且单桨的直径较双桨大，故其效率较高。