第8章-螺旋槳圖譜設(shè)計

第8章螺旋槳圖譜設(shè)計

(Chapter8PropellerDesignwithSeriesCharts)

吳利紅(LihongWu)2010.5.26§8-1螺旋槳的設(shè)計問題和設(shè)計方法§8-2B-δ型圖譜的設(shè)計及其應(yīng)用§8-3設(shè)計螺旋槳時應(yīng)考慮的若干問題§8-4船體-螺旋槳-主機的匹配問題§8-5螺旋槳圖譜設(shè)計舉例§8-6螺旋槳圖譜設(shè)計-補充問題本章主要內(nèi)容給定主機馬力，使船舶能達(dá)到最高航速船體的有效馬力曲線船舶線型初步設(shè)計完成§8-１設(shè)計問題和設(shè)計方法達(dá)到預(yù)定航速，消耗的主機馬力小設(shè)計一個螺旋槳？初步設(shè)計終結(jié)設(shè)計船體的有效馬力曲線海軍系數(shù)一、螺旋槳的初步設(shè)計對于新設(shè)計的船舶，依據(jù)設(shè)計任務(wù)書對船速的要求設(shè)計出最合適的螺旋槳，然后由螺旋槳的轉(zhuǎn)速及效率確定主機的轉(zhuǎn)速及馬力，并據(jù)此訂購主機。船速V有效馬力PE選定槳的直徑D選定槳的轉(zhuǎn)速n確定槳的最佳轉(zhuǎn)速n、效率η0、螺距比P/D、主機馬力PS

確定槳的最佳直徑D、效率η0、螺距比P/D、主機馬力PS二、終結(jié)設(shè)計

主機馬力和轉(zhuǎn)速確定后，求所能達(dá)到的最高航速及螺旋槳的尺度。主機馬力PS，轉(zhuǎn)速n有效馬力曲線PE確定所能達(dá)到的最高航速V，螺旋槳的直徑D、螺距比P/D及效率ηo（1）新船接受現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)型號主機（2）舊船調(diào)換螺旋槳等船用螺旋槳的設(shè)計方法圖譜設(shè)計法---依據(jù)螺旋槳模型敞水性征系列試驗繪制成專用的各類圖譜進(jìn)行設(shè)計。如：優(yōu)點：便利牢靠；缺點：受圖譜規(guī)定槳型的限制。型圖譜、型圖譜環(huán)流理論設(shè)計法---依據(jù)環(huán)流理論及葉切面試驗資料,對槳葉各半徑處葉元體分別進(jìn)行設(shè)計，得出各葉元體最佳的組合（槳葉最高效率）。優(yōu)點：每個葉元體都是適合流場狀況（伴流不勻整、空泡現(xiàn)象）葉元體的螺距不確定相同的，剖面形態(tài)也不對稱.缺點：方法繁雜，加工工藝也較困難?！?-２

B-δ型圖譜的設(shè)計方法與應(yīng)用

在進(jìn)行螺旋槳設(shè)計時，必需針對船舶的特點和要求，依據(jù)實踐閱歷，選用合適的螺旋槳圖譜。目前在商船螺旋槳設(shè)計中，應(yīng)用較廣泛的有：荷蘭的楚思德B型螺旋槳日本AU型螺旋槳一、AU型螺旋槳設(shè)計圖譜及其應(yīng)用

1.B-δ型設(shè)計圖譜的建立

AU5-50螺旋槳敞水性征曲線組PD---螺旋槳收到馬力,(hp)VA

---螺旋槳進(jìn)速,(m/s)

n---為螺旋槳轉(zhuǎn)速,(r／s))B-δ推導(dǎo)過程留意：BP---功率系數(shù)直徑系數(shù)δN——螺旋槳轉(zhuǎn)速(rpm,即r／min)，PD

——螺旋槳敞水收到馬力(hp)，VA

——螺旋槳進(jìn)速(kn)，D——螺旋槳直徑(m).

ρ

---為海水密度，取104.51kgf·s2／m4圖譜

圖譜

圖譜制作過程

（是敞水性征曲線的另一個表達(dá)形式）①給定螺距比P/D，變更J值KQ、η0②計算δ和③繪圖：橫坐標(biāo)為，縱坐標(biāo)為螺距比P/D，，通過上述計算的P/D值作一平行橫坐標(biāo)的水平線，并在該線對應(yīng)于每一值的點上標(biāo)明相應(yīng)的η0和δ值，此線即能代表螺距比為P/D的螺旋槳水動力特性。④對不同P/D的螺旋槳性征曲線都作上述處理，并繪在同一圖上，然后將η0和δ值相同者分別連成光順曲線，即得η0和δ的等值線。⑤將各=常數(shù)時(在圖譜上表現(xiàn)為垂直線)效率最高的點連成光滑的曲線，即得最佳效率線。2．AU型螺旋槳型式

1、AU型螺旋槳的原型2、MAU型---改進(jìn)AU型（見下頁）3、AUw型---AU型槳葉切面的后緣具有確定翹度(這對于改善槳葉根部葉間干擾有確定效果)，在六葉上接受這種型式。4、MAUw型AU型螺旋槳和MAU型螺旋槳的葉梢旁邊切面區(qū)分

AU型螺旋槳是等螺距螺旋槳①四葉螺旋槳系列：屬于本組的模型螺旋槳要素列于表8-1中。槳葉輪廓的尺寸見表8-4，切面形態(tài)見表8-6.輪廓形態(tài)如圖8-4(a)及(b)所示。依據(jù)表8-1，8-4，8-6可以繪制螺旋槳的伸張輪廓和各半徑處的葉切面形態(tài)。？表8-1和圖8-4螺旋槳尺寸不一樣槳模的幾何特征:MAU4-40MAU4-55MAU4-70直徑／m0.2500.250.25轂徑比0.180.180.18盤面比0.400.550.70最大葉寬比0.2260.3110.398平均葉寬比0.1920.263葉厚比0.0500.0500.050后傾角/（°）101010表8－１四葉模型螺旋槳要素表圖8-4MAU4葉槳的輪廓形態(tài)3.圖譜的應(yīng)用

在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)先確定伴流分?jǐn)?shù)ω、推力減額分?jǐn)?shù)t、相對旋轉(zhuǎn)效率ηR及傳送效率ηs。然后可應(yīng)用圖譜來解決螺旋槳設(shè)計中不同類型的問題。

(1)螺旋槳的初步設(shè)計問題①已知船速V，有效馬力曲線，依據(jù)選定的螺旋槳直徑D，確定螺旋槳的最佳轉(zhuǎn)速N，螺旋槳效率η0，螺距比P/D和主機馬力Ps。首先需選定螺旋槳的型式，葉數(shù)和盤面比。例如選用MAU型，4葉，盤面比為0.55的螺旋槳，則可確定所用的圖譜為MAU4-55的圖譜。在此類問題中，欲求的是轉(zhuǎn)速N和主機馬力Ps(或螺旋槳收到馬力PD)，無法確定其中任一個參數(shù)，因此須要假設(shè)一組轉(zhuǎn)速N來進(jìn)行計算，具體步驟可用表8-9的形式進(jìn)行。序號名稱單位數(shù)據(jù)1螺旋槳直徑D(給定)2ηH3VA4(已知)PE5假定一組轉(zhuǎn)速NN1N2N3N46直徑系數(shù)δ7查圖譜，由δ等值線與最佳效率曲線的交點得

P/D;η08PD9主機馬力Ps10計算螺旋槳能克服的有效馬力PTE已知n的初步設(shè)計圖已知D的初步設(shè)計圖(2)螺旋槳的終結(jié)設(shè)計問題

已知主機馬力Ps、轉(zhuǎn)速N和有效馬力曲線，確定所能達(dá)到的最高航速V及螺旋槳的尺度與效率。對于這類設(shè)計問題，在選定螺旋槳型式、葉數(shù)和盤面比(例如MAU4-55)后，通常先假定若干個船速進(jìn)行計算。終結(jié)設(shè)計是常常遇到的設(shè)計問題。例：

已知25000t裝貨船的主要數(shù)據(jù)為：船長LPP

=l72m，船寬B=27.2m，吃水T=9.8m。實船的有效馬力如表9-11所示。估計的伴流分?jǐn)?shù)ω=0.340，推力減額分?jǐn)?shù)t=0.260，相對旋轉(zhuǎn)效率ηR

=0.982。主機馬力Ps=12000hp，主機轉(zhuǎn)速N=118.5rpm。實船的有效馬力表船速V/kn14.014.515.015.516.016.5有效馬力PE/hp405045705200609071208330假定航速單位14151617VAkn9.239.9010.5611.22PD1/2107.4107.4107.4107.4VA2.5259308.5362422N118.5118.5118.5118.5BP49.241.335.230.27.026.4335.230.2查AU5-50圖譜，由與最佳效率線的交點得到δ76.571.066.262.0η00.5190.5440.5670.588P/D0.6720.7000.7280.752Dm5.955.935.905.87PTE6720704073407615結(jié)論可達(dá)航速螺旋槳直徑D=5.897m螺旋槳螺距比P/D=0.731螺旋槳效率η0

=0.569kn§8-3

螺旋槳設(shè)計時應(yīng)考慮的若干問題

推動效率，空泡、振動及強度螺旋槳類型、葉數(shù)、直徑、轉(zhuǎn)速、綻開面積比一、螺旋槳的數(shù)目ZP推動性能：單槳>三槳>雙槳振動、操縱性能：雙槳>單槳單槳：低速商用船舶雙、多槳：大型商用船、客船、軍艦推動性能、振動、操縱性能及主機實力船舶尾部線型螺旋槳數(shù)目二、螺旋槳葉數(shù)的選擇

效率：葉數(shù)少者>葉數(shù)多者(螺旋槳的直徑及綻開面積相同)振動：葉數(shù)多者好空泡：葉數(shù)少者好雙槳船、低速船：三或四葉高速軍艦：3葉大型商用船：4-6葉船型、吃水、推動性能、振動和空泡螺旋槳葉數(shù)單槳商船螺旋槳葉數(shù)的選擇須要考慮因素1.依據(jù)造船統(tǒng)計資料選擇螺旋槳葉數(shù)2.螺旋槳葉數(shù)對推動性能的影響3．綜合考慮螺旋槳效率與空泡性能4．螺旋槳葉數(shù)的選擇與振動的關(guān)系直徑，轉(zhuǎn)速效率船舶吃水、尾框間隙有限船舶直徑設(shè)計圖譜螺旋槳直徑船后間隙等因素三、螺旋槳的直徑

修正常處于壓載航行的船舶，宜接受直徑較小的螺旋槳，以照看壓載時的效率和避開葉梢露出水面。從振動方面考慮，螺旋槳與船體間的間隙不宜過小，否則可能引起嚴(yán)峻振動。如最佳直徑受到限制時，則按右表步驟重新進(jìn)行設(shè)計。由δ﹡和第6項的序號名稱單位數(shù)據(jù)1

VknV1V2V3V42VA=V（1-ω）knVA1VA2VA3VA434NNNNN5BP1BP2BP3BP467-δ圖譜（例AU5-50）δ（最佳值）δ1δ2δ3δ48D=VAδ/ND1D2D3D49D﹡D﹡D﹡D﹡D﹡10δ﹡=ND﹡/VAδ﹡1δ﹡2δ﹡3δ﹡411的交點在圖譜上讀出：η0P/Dη01(P/D)1η02(P/D)2η03(P/D)3η04(P/D)41213PTE=PD·η0·ηHhpPTE1PTE2PTE3PTE4四、螺旋槳的轉(zhuǎn)速

效率：螺旋槳轉(zhuǎn)速低、直徑大者效率較高對機器來說，轉(zhuǎn)速越大效率越高，且機器的重量，尺寸都可減小。螺旋槳效率主機類型、重量、價格、機器效率船體振動問題螺旋槳轉(zhuǎn)速船體振動共振：當(dāng)主機或某輔機在確定轉(zhuǎn)速時，整個船體處于振動狀態(tài)，從而使得整個船體結(jié)構(gòu)振動，應(yīng)避開。局部振動：船舶局部或某些裝置處于振動狀態(tài)，可增設(shè)扶強材、支柱等措施消退螺旋槳的轉(zhuǎn)速：80-150rpm>二節(jié)點垂向振動頻率五、槳葉外形和葉切面形態(tài)槳葉外形輪廓：綻開輪廓近于橢圓形者為良好的葉形。對于具有側(cè)斜的槳葉，各半徑處葉切面弦長也應(yīng)大致按橢圓規(guī)律變更為佳。弓形切面：空泡性能好，低載荷效率略低：軍艦機翼型切面：改善中線形態(tài)，效率和空泡性能都好：商船螺旋槳外形和切面：系列資料圖譜設(shè)計繪制后傾角：增加螺旋槳與船體間隙，減小振動§8-4船體-螺旋槳-主機的匹配問題

船體、螺旋槳和主機的關(guān)系定義：主機為機械能的發(fā)生器；螺旋槳為能量的轉(zhuǎn)換器(將主機的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為推力能)；而船體則為能量的需求者(螺旋槳的推力能消耗于船體的做功)平衡關(guān)系當(dāng)船速與轉(zhuǎn)速達(dá)到適當(dāng)?shù)年P(guān)系后，螺旋槳發(fā)出的推力能克服船體的阻力，螺旋槳所遭遇的轉(zhuǎn)力矩恰為主機所能供應(yīng)，此時船以等速前進(jìn)，螺旋槳在確定的進(jìn)速系數(shù)下工作。三者關(guān)系的平衡表示圖校核曲線(航行特性曲線)：（要求）會看會畫校核曲線（p136-137）不同載況下（壓載、滿載、超載）船體有效功率不同載況下（壓載、滿載、超載）螺旋槳的有效推動功率不同載況下（壓載、滿載、超載）主機的功率需求不同航速下不同轉(zhuǎn)速下不同航速下不同航速下不同轉(zhuǎn)速下相等對應(yīng)船體螺旋槳主機有效馬力曲線有效推動功率曲線主機特性曲線系泊狀態(tài)螺旋槳推力主機額定轉(zhuǎn)速、額定功率螺旋槳J=0時螺旋槳的有效推力船舶螺旋槳的系柱推力轉(zhuǎn)矩相等考慮推力減額計算流程見P138.表8-25§8-5螺旋槳圖譜設(shè)計舉例

1.已知船體的主要參數(shù)2.主機參數(shù)3.推動因子的確定4.可以達(dá)到最大航速的計算5.空泡校核6.強度校核7.螺距修正8.重量及慣性矩計算9.敞水性征曲線之確定10.系柱特性計算11.航行特性計算12．螺旋槳計算總結(jié)1.已知船體的主要參數(shù)船型：單槳、球首、球尾、流線型掛舵、中機型多用途遠(yuǎn)洋貨船。設(shè)計水線長

LWL

=144.20m垂線間長LPP

=140.00m型寬

m型深m設(shè)計吃水m方形系數(shù)CB

=

0.743m排水量t槳軸中心距基線ZP=2.95

m由模型試驗供應(yīng)的船體有效馬力曲線數(shù)據(jù)如下：航速V（kn）121314151617有效馬力PE（hp）滿載壓載110%滿載2,0361,7792,2392,6552,3512,9213,4063,0073,7474,3683,6424,8055,5334,3696,0867,0175,2367,7192.主機參數(shù)型號蘇爾壽6RLB56柴油機一臺最大持續(xù)功率8,460hp轉(zhuǎn)速155rpm旋向右旋3.推動因子的確定據(jù)型船資料選取伴流分?jǐn)?shù)按閱歷公式確定推力減額分?jǐn)?shù)取相對旋轉(zhuǎn)效率船身效率4.可以達(dá)到最大航速的計算接受MAU4葉槳圖譜進(jìn)行計算。取功率儲備10%，軸系效率ηs=0.97，螺旋槳敞水收到馬力：PD=8,460×0.9×ηS×ηR=8,460×0.9×0.97×1.0=7,385.58hp依據(jù)MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的圖譜列表計算：項目單位數(shù)值假定航速Vkn13141516VA=V（1-ω）kn8.459.109.7510.4BP=N

64.17753.32444.87638.1898.0117.3026.6996.179MAU4-40δ90.083.577.872.7P/D0.6000.6180.6350.654η00.5030.5270.5500.572PTE=PDηH·η0hp4,5174,7304,9415,134MAU4-55δ88.981.876.271.2P/D0.6370.6590.6770.697η00.4850.5100.5330.556PTE=PDηH·η0hp4,3544,5784,7844,986MAU4-70δ87.781.175.370.3P/D0.6480.6700.6940.713η00.4700.4920.5140.534PTE=PDηH·η0hp4219442146144793據(jù)上表中的計算結(jié)果可繪制PTE、δ、P/D及η0對V的曲線，如下圖

從PTE

–f(V)曲線與船體滿載有效馬力曲線之交點，可獲得不同盤面比所對應(yīng)的設(shè)計航速及螺旋槳最佳要素P/D、D、η0如下表所列。MAUVmaxP/DδDη04-404-554-7015.6215.4815.280.6470.6860.69874.673.673.84.8864.7784.7920.5640.5440.5195.空泡校核按柏利爾空泡限界線中商船上限線，計算不發(fā)生空泡之最小綻開面積比。槳軸沉深

計算溫度t=15℃，pv=174kgf/m，PD=7,385.58hp，ρ=104.63kgf·s/m2

24m序號項目單位數(shù)值MAU4-40MAU4-55MAU4-701Vmaxkn15.6215.4815.282VA=0.5144Vmax(1-ω)m/s5.2235.1765.1093(0.7πND/60)2(m/s)

2770.64736.74721.764+(3)(m/s)

2797.9763.53747.875σ=(p0-

pv)/

0.3890.4070.4166

τc

(查圖7-20)

0.1620.1640.1697T=PD·η0·75/VAkgf5981858218563248AP=

m28.8558.8878.5189AE=AP/(1.067-0.229P/D)m29.6379.7679.39110AE/A0=AE/

0.5140.5450.535據(jù)上述計算結(jié)果作圖8-27，可求得不發(fā)生空泡的最小盤面比以及所對應(yīng)的最佳螺旋槳要素。m

kn

6.強度校核按《規(guī)范》校核t0.25R及t0.6R，應(yīng)不小于按下式計算之值：計算功率

hp

gf/cm3

rpm

=1.4692m

實際槳葉厚度按線性分布?。簃mt0.2

=199.6mm，t0.3=176.8mm，t0.4

=153.9mm，t0.5

=131mm，t0.6

=108.2mm，t0.7

=85.3mm，t0.8=62.4mm，t0.9

=39.6mm。mmmm7.螺距修正依據(jù)尾軸直徑大小，確定轂徑比dh/D=0.18，此值與MAU槳標(biāo)準(zhǔn)轂徑比相同，故對此項螺距無需修正。由于實際槳葉厚度大于MAU槳標(biāo)準(zhǔn)厚度,故需因厚度差異進(jìn)行螺距修正。設(shè)計槳標(biāo)準(zhǔn)槳(取MAU4-55為基準(zhǔn)槳)

修正后的螺距比：8.重量及慣性矩計算依據(jù)MAU槳切面的面積數(shù)據(jù)用積分方法計算得：槳葉重量Gb=5,532.75kgf槳轂重量Gh=2,874kgf螺旋槳總重G=8,406.75kgf槳葉慣性矩Ib=89,453.4kgf·cm·s槳轂慣性矩Ib=8,440kgf·cm·s螺旋槳總慣性矩I=97,893.4kgf·cm·s2

2

2

9.敞水性征曲線之確定由MAU4-40，MAU4-55，P/D=0.6825的敞水性征曲線內(nèi)插得到MAU4-54.4，P/D=0.6825的敞水性征曲線(圖9-26)其數(shù)據(jù)如下：J00.10.20.30.40.50.60.7KT0.2950.2670.23880.2040.16770.1270.08490.0398KQ0.03210.02980.02680.02380.02030.01640.01240.008310.系柱特性計算由圖9-26得J=0時，，。計算功率hp，系柱推力減額分?jǐn)?shù)取，主機轉(zhuǎn)矩kgf·m敞水螺旋槳系柱推力