54000t 散貨船螺旋槳設(shè)計計算及船機槳匹配性分析.docxVIP

1、第二章船舶靜水阻力的計算2.1估算排水量由于未給出排水量，而估算船舶阻力必須用到排水量,因此，首先要將給定船的排水量算出來。在這里，我們采用水線面面積曲線來估算排水體積,根據(jù)在吃水d的水線面面積曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，等于吃水d的排水體積因此，需要知道設(shè)計吃水以下的各個水線面的面積，再通過繪制水線面面積曲線,最終求得排水體積各個吃水水線面面積如下:BASELINE3495.9m2500WL4324.6m21000WL4594.9m22000WL4892.9m23000WL5048.9nr4000WL5160.2nr5000WL5256.4m26000WL5347.4m27000WL5434.7

2、m28000WL5520.6m29000WL5604.9nr1()()(X)WL5702.1nr11000WL5796.3m212000WL5828.2m2水線面面積曲線水線面面積曲線通過水線面面積曲線所得的排水體積為60361.9m3,因此，排水量為62173代接下來就可以進行靜水阻力的估計了。2.2靜水阻力估算的一般方法船體在航行時會受到空氣阻力和水的反向作用力，這些力都是船舶的阻力。而當(dāng)整個船剛剛完成船體的初步初設(shè)計時還不能很好的使用該船的船體模型試驗來得到阻力，這時候就能采用近似法來估算出航行的阻力。此外，在船舶的設(shè)計之初，主尺度以及一些基本參數(shù)初步確定后，要確定主機的功率，以及滿足船

3、舶設(shè)計速度要求，這樣有利于權(quán)衡各種方案。在對有些不做船型模擬實驗的小船會在設(shè)計過程中只能通過相近的方法來確定其阻力大小。所以這種估算船舶所受阻力的方法很具有使用性意義，能夠為螺旋槳的初步設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)。上面提到了近似計算阻力在船舶設(shè)計中具有非常重要的地位，目前所整理和歸納的近似法也有很多種，大體上可以分為經(jīng)驗公式、系列船模的各項資料還有母型船的船型數(shù)據(jù)這三種近似法。本設(shè)計中的54000t散貨船使用的是泰勒法估算阻力，通過參考“日本肥大型船系列”試驗資料，這一系列具有低速、橫剖面呈U型等特點，裸船體有效功率數(shù)值比60系列略高。結(jié)果表明了，該方案適用于本設(shè)計中的散貨船。2.3泰勒法估算船舶阻力

4、的步驟泰勒法是一種常用的阻力估算的方法，其理論依據(jù)是大量的船體模型試驗資料，雖然采用軍艦作為母型船，但由于其具有較為廣泛的適用性，所以同樣適用于普通商船及民用船舶。其具體方法如下：這里我們通過給定設(shè)計船的主尺度，采用的設(shè)計航速為14節(jié)，54000噸散貨船的各項數(shù)據(jù)及尺度如下：型寬B'=32.26(m)設(shè)計吃水T*=11.5()(m)型深D=16.60(m)排水量A*=62172.8(t)總長L*oa=199.98(m)設(shè)計水線長Uw=195.25(m)垂線間長L'bp=192.00(m)槳軸中心高Zp=3.3(m)一、按照公式計算出所需的參數(shù)：CP=0.85B/T=2.8IV*

5、103/L3=8.5二、確定船的Cs：通過給定的B/T選取最相近的兩Cs圖。通過給定的菱形系數(shù)Cp和/!?值查到G值,之后對B/T內(nèi)插，求得標(biāo)準(zhǔn)船型的Cs。最終算得了Cs=2.064三、運用所給公式計算G：通常情況下采用桑海公式先算出雷諾數(shù)，R*Vu=l.16*109之后算得C戶0.463l/(lgRe)26=1.5*103這里我們?nèi)f為0.4*10-3四、計算剩余阻力系數(shù)G值：根據(jù)B/T、Cp、/!?和Fr值，按照相應(yīng)的G圖譜，通過內(nèi)插法得到03.133*1()-3濕表面積S=8864.9(nr)五、計算總阻力Rv和有效功率Pe及有效馬力的值:總阻力系數(shù)Gs=G+CrbZC戶2.581*1

6、0；總阻力Rts=Gs*0.5*p*V2*S=608422.99(N)有效功率Pe=(Rts*V)/1000=4380.65(kW)有效馬力EHP=Pe/0.735=5874.47(hp)上面的計算都是取設(shè)計航速為14kn時算得的數(shù)據(jù)。我們需要求得航速12、13、14、15kn的有效功率，計算結(jié)果于下表2-1所Zpso海水密度取p=1025.91kg/m3海水運動粘性系數(shù)u=1.1883l*10-6m2/s表2-1泰勒法計算有效馬力序號項目假定航速1航速V(節(jié))121314152航速V(nVs)6.176.687.207.713傅汝德數(shù)Fi-V/畫0.1420.1540.1660.1784B/

7、T=2.25查表時0.202*10-30.310*10-30.620*10-31.020*10-35所得B/T=3.00時0.431*10-30.546W0.743*10-31.130W6實際B/T=2.63時剩余阻力系數(shù)Cr0.317*10。0.428*10-30.681*10-31.075*10;7雷諾數(shù)乙Vu1.00*1091.08*1091.16*1。91.25*1098摩擦阻力系數(shù)Cf1.53*10-31.52*10；1.50*10-31.49*10-39粗糙度附加值ct0.4*10-30.4*1030.4*10：0.4*10-310濕面積系數(shù)Cs2.6042.6042.6042.6

8、0411總阻力系數(shù)Gs2.247*10-32.348*10°2.581*10-32.965*10-312總阻力Rts(N)388978.88476434.98608422.99801467.7913有效功率Pe(kW)2400.003182.594380.656179.3214有效馬力EHP(hp)3218.404267.855874.478286.46151.15EHP伽余裕后)3701.164908.036755.649529.43本章關(guān)于船體阻力的估算與有效馬力計算己通過表2-1完成，為下面章節(jié)將要進行的螺旋槳初步設(shè)計與終結(jié)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。2.4小結(jié)首先需知道設(shè)計船的有效馬力即

9、螺旋槳所需克服的阻力才能進行螺旋槳的初步設(shè)計。這里由于未給出阻力值，所以我們采用泰勒法估算船舶所受的靜水阻力，根據(jù)設(shè)計船的主尺度及船型資料，這里我們將設(shè)計船歸納于日本肥大型船系列，適用于低速肥大型船，橫剖面呈U型，船體有效功率數(shù)值比60系列略高，然而泰勒法也有其局限性，該方法不能全面地考慮到各項要素對船舶的影響，理論體系也不夠系統(tǒng)徹底，仍有許多解釋不了的地方，這些是該方法的不足的地方。第三章螺旋槳設(shè)計3.1螺旋槳設(shè)計時考慮的問題在螺旋槳的設(shè)計中，我們需要考慮諸多的要素，因為螺旋槳設(shè)計是一個需要考慮各種因素并從中找到一個最為折中的方案，有一點疏忽都會造成設(shè)計的失敗，其葉型、葉數(shù)、槳數(shù)、展開面積、

10、轉(zhuǎn)速和直徑等都是相互作用影響的。有很多的外界因素會影響到螺旋槳的效率和性能，這些影響因素之間又會有相互影響，相互作用。有時候光光從一個問題入手時往往會受到其他因素的影響與制約。所以，要想設(shè)計出合理的船用螺旋槳需要全面、完整地從各方面來考慮各個影響因素。下面我們就簡單地討論一下這些因素會帶來怎么樣的影響，同時也給接下來的設(shè)計提供了依據(jù)。3.1.1螺旋槳數(shù)目的選擇螺旋槳數(shù)目的多少會直接影響到螺旋槳的效率、船體的震動還會影響到船的操控性，因此在選擇數(shù)目時這些因素要一起考慮進去才能使得航行更加經(jīng)濟安全。然而，這些因素之間經(jīng)常會出現(xiàn)矛盾現(xiàn)象，因此，需要根據(jù)各類船舶特點的不同來選取合適的數(shù)目。在選擇螺旋槳

11、數(shù)FI時，我們可以參照母型船的螺旋槳數(shù)量來給設(shè)計船選出最為合適的螺旋槳數(shù)量。單槳船的推進效率通常會比雙槳及以上的船舶推進效率高出不少，就是在相同的主機功率情況下，在達到同一航速時，單槳船要比兩槳及以上船更為經(jīng)濟，因為單槳都是位于尾部的中央部位，具有較大的直徑，目前有許多的載貨型大型船舶都采用單個螺旋槳這一設(shè)計。所以，以上船舶往往都是適用單個螺旋槳來進行推進。由于現(xiàn)在人們對航速的要求越來越高，單個螺旋槳已經(jīng)不能滿足航速的要求，所以許多快速型船都采用雙槳設(shè)計。因為多槳船的效率較差，所以現(xiàn)在主要致力于研究船的尾部線性和螺旋槳安裝的位置來提高效率。采用雙槳設(shè)計的船舶通常是客船，因為客船在航行時需要震動

12、小速度快等特點，又因為雙槳具有快速、小震動等優(yōu)勢，所以客船大都用雙螺旋槳，而江船對操縱有一定的要求，而且受到吃水深度的影響，所以，大多數(shù)江船也采用雙槳型，從而避免吃水限制和提高操縱（如申漢線大班客輪）。三槳及三槳以上有軍艦，因為軍用艦艇對速度要求很高通常需要裝有四個螺旋槳，這種設(shè)計有利于提高軍艦的航行速度和操控性，這些特性能使能軍艦在作戰(zhàn)環(huán)境中更具有優(yōu)勢，這樣的設(shè)計方案能保證動力系統(tǒng)壽命又能提高各種航行工況下的經(jīng)濟性。這里我們要對本課題中的54000t載重量的散貨船進行螺旋槳設(shè)計，該船屬于海船，不要求過高的操控，屬于中低速船，再加上尾部的形狀特征，我們選用單螺旋槳設(shè)計。3.1.2螺旋槳葉數(shù)目的

13、選擇按照槳葉數(shù)目螺旋槳可分為以下幾類：單葉螺旋槳：這種槳型比較少見通常會用在競速機上。雙葉螺旋槳：相比單葉槳較為常見并且效率高。三葉以上螺旋槳：只有在長度受限時采用，缺的是效率低。從上面可知，螺旋槳葉數(shù)多少也對效率有著重要的影響，因此，在綜合考慮各種因素后需要確定一個合理的槳葉數(shù)目，這樣才能保證航行的安全與效率。通常情況下在具有同面積和直徑時，葉數(shù)少的推進效率高，相反，葉數(shù)多的效率低。并且，通過選擇合理的葉數(shù)還能夠有效的避免共振，減少震動帶來的隱患。通常情況下雙槳船一般選用用3葉槳或4葉槳，而高速軍艦則選3葉槳為宜。本課題所設(shè)計的54000t散貨船屬于較高載重的中低速船，考慮到對航速沒太多要求

14、且盡量避免震動，因此槳葉數(shù)目選為5葉。3.1.3螺旋槳直徑的選取直徑的大小也是在諸多因素的權(quán)衡下而確定的，在展開面積與螺旋槳葉數(shù)一定的情況下，直徑越大，效率越高。由于船體本身的形狀特性與螺旋槳的位置，直徑不能選取太大，當(dāng)直徑過大時還會影響到船舶的船身效率。那么該如何選定最為合適的直徑大小？這時，我們可以通過圖譜設(shè)計和母型船作為參照來選定大小最佳的螺旋槳直徑。另外還需要注意的是槳與船身間的間隙不能太小，否則易產(chǎn)生共振，對安全造成隱患。在540001散貨船螺旋槳設(shè)計的課題中，我們根據(jù)所給的相關(guān)資料與圖紙，參照母型船的特點，由漿軸中心高、機艙上部與螺旋槳的距離，從而確定了D應(yīng)該小于6.6m,所以本課

15、題中54000t散貨船的螺旋槳直徑初步取定為5.8m。3.1.4螺旋槳轉(zhuǎn)速的確定螺旋槳轉(zhuǎn)速的確定和前面一樣，也是通過綜合考慮諸多影響之后而確定的，在面積、直徑、槳葉數(shù)目相同的情況下，轉(zhuǎn)速低的效率高，反之亦然。在轉(zhuǎn)速的確定中要根據(jù)所給主機的功率、轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)進行一個綜合的考究。一般來說,上面所提及的兩者要素是相互矛盾的，因為機器在以高轉(zhuǎn)速運行時效率較高的，而螺旋槳轉(zhuǎn)速越快效率越低。由于船體自身的震動，所以，選擇螺旋槳轉(zhuǎn)速需控制在一個合理的范圍內(nèi)。螺旋槳的震動頻率通常和主機的轉(zhuǎn)速n息息相關(guān)，如果螺旋槳的設(shè)計不合理或者不理想會產(chǎn)生較大地震動，且震動頻率與n一樣。有些時候船體航行時，尾部的流動會產(chǎn)生

16、干擾力，這是候的干擾力頻率大小為Zn,Zn表示葉數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積。通常會有兩種類型的共振作用在船體上：當(dāng)?shù)谝环N是主機和某輔機轉(zhuǎn)速相同時產(chǎn)生共振；而第二種是局部震動，這樣的震動一般只要在震源處增設(shè)一些加強構(gòu)件來避免，如加強筋、扶強材、支柱等。在根據(jù)螺旋槳的初步設(shè)計結(jié)束后，通過曲線所得到的最佳馬力和轉(zhuǎn)速后，選取轉(zhuǎn)速為N=l()().3r/min的主機，并且由于螺旋槳設(shè)計轉(zhuǎn)速與主機持續(xù)的額定轉(zhuǎn)速較為接近，因此不需要選配減速齒輪箱。3.1.5槳葉輪廓和葉切面形狀在進行槳葉形狀設(shè)計時通?？梢院雎月菪龢獦~外形形狀對推進性能的影響，大量實驗表明了單槳葉外形接近橢圓形時是最佳的。因為目前橢圓形的槳葉形狀十分適

17、合于用在槳葉會側(cè)傾的螺旋槳上。從葉切面形狀來看，目前的螺旋槳有機翼和弓形這兩種形狀。其各自都有著各自的特點，當(dāng)葉切面為弓形時，螺旋槳不易發(fā)生空泡現(xiàn)象，因為，這種也切面形狀能夠使得分布在槳上了力很均勻，但是其缺點是效率較低。商船通常會采用機翼型的葉形。而弓形葉面通常會在軍用艦艇上，比一般的葉面寬且薄。這里我們采用圖譜法來設(shè)計螺旋槳，我們會通過圖譜中所需設(shè)計的螺旋槳的資料，再參照母型船的槳型，最終確定外形輪廓與切面形狀。從螺旋槳的兒何形狀來看，會發(fā)現(xiàn)槳葉等都會有一定程度的后傾，不同的槳后傾的角度不一樣，另外后傾角的存在并不會影響到螺旋槳的性能，反而適度的后傾的度可以增加船舶與槳之間的間隔，從震動們

18、度上來說可以減小震動，然而后傾角的確定需要以母型船作為參考，還需要根據(jù)設(shè)計船的尾部形狀來確定。根據(jù)所給設(shè)計船的船型的資料，在這里我們采用AU/MAU螺旋槳的規(guī)范來設(shè)計。3.2螺旋槳設(shè)計的關(guān)鍵步驟及方法本課題主要討論散貨船的螺旋槳設(shè)計，這也是整個船體設(shè)計中最為關(guān)鍵的一步，設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到船舶安全性和經(jīng)濟性。上一章節(jié)我們通過泰勒法已經(jīng)估算得到了船舶在各個航速下的近似阻力，也通過阻力計算出了所對應(yīng)的有效馬力并成功地繪制出了馬力曲線，從而可以繪制船舶的有效馬力曲線。通過繪制的有效馬力曲線便可以確定螺旋槳最佳的轉(zhuǎn)速和主機的馬力從而既能達到預(yù)定的航速又能保證航行的經(jīng)濟性；在那之后我們以上面的結(jié)果作為參

19、考而選定主機，在按照主機給的額定馬力和轉(zhuǎn)速選擇最為經(jīng)濟且航速最高的螺旋槳。綜上所述，螺旋槳的設(shè)計實際上分兩部分：第一部分時初步設(shè)計，第二部分是終結(jié)設(shè)計。3.2.1螺旋槳初步設(shè)計方法我們先根據(jù)母型船確定設(shè)計航速，再由航速選定較為合適的槳，之后再通過在該航速下槳的轉(zhuǎn)速和有效馬力，并以此為依據(jù)選擇主機。下面是具體的步驟及方法：通過已知的Pe、V,再依據(jù)上面選定的D,來確定11、】0、P/D和Ps；(2)再通過已知的Pe、V以及n,確定槳的D、睥、P/D和Ps。我們還需確定傳送效率平、推力減額分數(shù)t和伴流分數(shù)co方可進行設(shè)計，本船的rjs、t、cd如下：傳送效率qs=0.97推力減額分數(shù)t=0.22伴

20、流分數(shù)(0=0.35具體方法如下：通過之前的計算我們得到了有效馬力與各個速度，再依照之前所確定的螺旋槳直徑D即可確定螺旋槳運轉(zhuǎn)時的最優(yōu)轉(zhuǎn)速N,效率以及螺距比，最后還能得到主機馬力PSo根據(jù)以上小節(jié)所涉及的螺旋槳的各種參數(shù)的選定與計算，在這里我們選用盤面比為0.55并且葉數(shù)為5的螺旋槳。要先假定一組轉(zhuǎn)速，通過假定的轉(zhuǎn)速來求得各個轉(zhuǎn)速下的有效馬力，具體方法可由表3-1來表示。根據(jù)所提供的柴油機資料先選取一組轉(zhuǎn)速N,再根據(jù)螺旋槳初步設(shè)計的要求列出下表3-1：表3-1通過初步設(shè)計確定主機功率及轉(zhuǎn)速序號項目單位計算結(jié)果1螺旋槳直徑Din5.82r)n=(1-t)/(1-(0)1.23Va=V(1-(d)

21、kn9.14Pehp6755.645假定一組轉(zhuǎn)速Nr/min901001101201306直徑系數(shù)陸ND/Va57.463.770.176.582.97P/D0.8210.7500.7100.6800.6408no0.6000.5780.5420.5180.4959廂5.2235.8506.5507.2017.81010Pdhp5733.36049.89492.611645.913378.011Hs*nr0.970.970.970.970.9712Ps=Pd/(r)s*r|r)hp4850.66236.99786.212006.113791.813Pte=Pd*r)s*Trhp4722.358

22、68.39207.911296.612976.7運用上表的計算結(jié)果，即所得到的馬力與有效馬力，建立坐標(biāo)軸，并通過以上數(shù)據(jù)畫出各個航速、各個轉(zhuǎn)速下的有效馬力曲線圖，其中橫坐標(biāo)為N縱坐標(biāo)為Pte和Ps,再用之前算得的有效馬力Pe大大小在坐標(biāo)上找出，并以該點做水平線，使得該線相較于Pte上，這時候的交點就是馬力的與轉(zhuǎn)速的大小，如果沒54000t散貨船螺旋槳設(shè)計計算及船機槳匹配性分析摘要螺旋槳(Propeller)是一種推進器，它具有效率高、成本低、使用方便及構(gòu)造簡單等優(yōu)點，這使它成為了當(dāng)今船舶推進的最主要最廣泛的推進器。螺旋槳的設(shè)計和其性能計算是現(xiàn)在船舶動力性能的重要計算內(nèi)容，同樣也是船舶設(shè)計學(xué)范疇

23、的一項非常重要的課題。本課題以54000t散貨船的螺旋槳設(shè)計為對象，按照AU/MAU螺旋槳圖譜設(shè)計的設(shè)計方法。首先根據(jù)己有設(shè)計船現(xiàn)有的主尺度及參數(shù)估算船舶靜水阻力，得到不同航速下的有效馬力，通過有效馬力初步設(shè)計螺旋槳。再根據(jù)螺旋槳的初步設(shè)計的結(jié)果選擇主機和齒輪箱，之后進行終結(jié)設(shè)計，對所設(shè)計的螺旋槳進行空泡校核并根據(jù)規(guī)范進行強度校核。最后對螺旋槳進行航行性能分析及船-機-槳的匹配性分析。通過以上設(shè)計成功地設(shè)計出了54000t散貨船的螺旋槳，并且與主機具有良好的匹配性。關(guān)鍵詞：螺旋槳；船舶靜水阻力計算；螺旋槳設(shè)計；船-機-槳匹配性分析圖3-1所確定轉(zhuǎn)速計算及馬力從圖中讀到N=102.4r/min,

24、Ps=7150.6hp,通過所得的轉(zhuǎn)速與馬力選取主機為MAN6S50MCCB,持續(xù)額定功率為5355kw(7181hp),轉(zhuǎn)速為l()0.3r/min,由于轉(zhuǎn)速與主機轉(zhuǎn)速較為接近，因此不需要選用減速箱。螺旋槳能夠滿足轉(zhuǎn)速的需求。綜上，可以確定主機馬力為7181hp,主機轉(zhuǎn)速及螺旋槳轉(zhuǎn)速為100.3r/min。當(dāng)以上設(shè)計完成后，螺旋槳的初步設(shè)計圓滿完成。3.2.2螺旋槳終結(jié)設(shè)計由螺旋槳的初步設(shè)計我們得到了轉(zhuǎn)速N及主機馬力Ps,并選購了主機，接下來我們將通過初步設(shè)計所得到的結(jié)果己經(jīng)主機己知的功率與轉(zhuǎn)速開始進行螺旋槳的終結(jié)設(shè)計，該設(shè)計通過己知Ps、V以及N,確定槳的D、n。、P/D和Ps。一下為設(shè)計

25、步驟：主機持續(xù)額定功率5355kW主機額定轉(zhuǎn)速100.3r/min螺旋槳設(shè)計結(jié)果:螺旋槳數(shù)目螺旋槳旋向右旋最大限制直徑6m船舶吃水T11.5m螺旋槳葉數(shù)Np5材料密度G=7.6g/cm3槳葉材料鋁鐐青銅槳軸距基線高度Zp3.3m伴流分數(shù)o)=0.35推力減額t=0.22軸系效率qs=0.97船身效率r|H=1.2相對旋轉(zhuǎn)效率tr=1計算最為合理的航速：螺旋槳敞水收到的馬力Pd=7181.6*0.9氣）.97*1=6269.54hp根據(jù)上述計算所得相關(guān)有效數(shù)據(jù)按下表計算自由航行工況：（圖表見下頁）表3-4自由航行工況設(shè)計計算序號項目單位航速1VsKn121314152VA=Vs(l-a)Kn7.

26、808.459.109.753Va25169.92207.56249.81296.834Bp=46.7338.2631.7926.75N*pDl/2/VA2.556.846.195.645.17P/D0.6900.7050.7460.760no0.5310.5620.5860.605573.867.863.059.06AU5-D=8Va/Nin5.745.715.725.7450Pte=Pd*kW4570.224842.325049.125215.82P/D0.7480.7700.810.841no0.5240.5530.5780.604871.966.060.856.27AU5-D=6Va/

27、Nin5.595.565.525.4665Pte=Pd*kW4515.794764.784980.195205.22r|HWP/D0.750.7800.8150.850no0.5230.5450.5690.5918MAU869.063.858.654.05-80D=8Va/Nm5.375.375.325.25Pte=Pd*kW4506.294690.854902.645092.20根據(jù)表3-4的結(jié)果，可繪制圖3-2,可從圖中得到能夠避免空泡的最小盤面比及對應(yīng)的最佳螺旋槳要素（見下頁）:表3-5照上圖所得的最佳要素按圖設(shè)計計算的最佳要素AU/MAUVsP/DDHo8AU5-5013.480.72

28、55.7H0.57565.33AU5-6513.420.7865.5450.56463.69MA15-8013.360.7925.3570.55461.87依照表3-5的結(jié)果來空泡校核:之后我們再通過查取限界限并計算最佳的展開面比例。漿軸沉深hs=T-ZP=11.5-3.3=8.2mp）-p=pa+yhs-pv=10330+1025*8.2-174=18561kgf/m2計算溫度t=15°Cpv=174kgf/m2Pd=6269.54hpp=104.63kgf*s2/m4可以通過下表3-6計算空泡校核的結(jié)果：表3-6空泡校核結(jié)果序號項目單位AU5-5OAU5-65MAU5-801Vs

29、kn13.4813.4213.362Dm5.7115.5455.3573P/D0.7250.7860.7924no0.5750.5640.5545Va=0.5144Vs*(1-(d)m/s4.514.494.476(0.7n*(N/60)*D)2(m/s)2440.78401.56387.837Vo.7R2=VA2+(0.7n*(N/60)(m/s)2461.12421.72407.818l/2*pVo.7R224123.4922062.2821334.5896o.7R=(po-Pv)/(l/2*pV0.7R2)0.7690.8410.87010Tc（查曲線圖）0.2450.2750.2901

30、1TKg68671.167657.466755.112Ap=T/(Tc，l/2*pVo.7R2)m211.8611.7911.5913Ae=AP/(1.067-0.229P/D)nr13.1613.2913.0914Ao=l/4*nD2m225.6223.3422.5415Ae/Ao0.5140.5690.581根據(jù)表格3-6計算結(jié)果做出下圖3-3（見下頁）:13.50.50.50.650.813.3P/D一/noAe/AoD0.6圖3-3盤面比有效曲線詳細參數(shù)為：D=5.68mno=O.5734P/D=0.738Vs=13.47knAe/Ao=0.525再進行了空泡校核后還需對強度進行校核：

31、根據(jù)規(guī)范我們需要校核IO.6R及035R，兩者大小不應(yīng)小于下列計算的大小:t=J(Y/(K-X)(mm)由之前的討論可知，本設(shè)計采用AU葉系列圖譜為宜，后傾角取8=10°,因此，對P/D=0.738的工況進行計算即可。計算按下表進行：計算功率Ne=PsnGis=6966.2hpAd=Ae/Ao=O.525P/D=0.722£=10。G=7.6g/cm3N=ne=100.3r/minZ=5bo.66R=O.226DAd/(O.1Z)=0.226x5.68x0.525/(0.1x5)=1.3479mb().25R=0.7212bo.66R=O.7212x1.6848=0.972

32、1mbo.6R=O.991lbo.66R=O.9911x1.6848=1.3359m我們將計算結(jié)果做出下列表格：表3-7強度校核表項目單位結(jié)果0.25R0.6R弦長bm0.97211.33590.7R處D/PD/Po.71.3551.355D/P1.3551.355Ki634207k2查表250151k31410635k4434Ai=D/P(Ki-K2D/Po.7)+K3D/P0.7-K42306.61829.67Y=1.36A1Ne/(Zbnc)44825.7132618.51k58223k6查表3412k74165Ks380330A2=D/P(K.5+K6£)+K7£+

33、Ks1361.811173.77材料系數(shù)K（鋁鐐青銅）1.1791.179X=A2GAdN2D3/(IOloZb)0.2060.129t=Y/(K-X)lt2mm214.6176.3MAU標(biāo)準(zhǔn)漿葉厚度rmm217.3123.8校核結(jié)果滿足要求不滿足要求實取漿葉厚度mm217115.7實際槳葉厚度按ti.oR=0.0035D=19.88mm與to.25R=217mm連直線如圖3-4決定:to.2=231.5mmto.3=2O2,5mmto.4=173.6mmto.4=173.6mmto.5=144.7mmto.6=l15.7mmto.6=l15.7mmto.7=86.8mmto.8=57.9mm

34、to.8=57.9mmto.9=28.9mm320280-240200-160r12080-40丁£xiiii0.20.40.60.81.0R圖34葉厚分布曲線進行螺距修正：通過設(shè)計船型的尾軸直徑，決定轂徑比dh/D=0.18,此值與MAU槳標(biāo)準(zhǔn)轂徑比相同，故對此項無需修正。由于實際槳葉厚度小于AU槳標(biāo)準(zhǔn)厚度，故需因厚度差異進行螺距修正。設(shè)計槳(t/b)o.7R=O.O868/(O.9964x1.3479)=0.0646標(biāo)準(zhǔn)槳(t/b)o.7R=O.0171D/(0.9964x0.31075D)=0.055231.s=Va/NP=(1-w)Vx30.866/(NP)=0.65x13.

35、47x30.866/(100.3x4.19)=0.643A(t/b)o.7=(t/b)o.7沒(t/b)o.7標(biāo)x0.55/0.544x0.75=0.00657A(P/D)t=-2(P/D)o(l-s)A(t/b)o.7R=2x0.738x0.643x0.00657=0.00624修正后的螺距比P/D=(P/D)O+A(P/D)t=0.738+0.00624=0.7442重量及慣性矩計算：根據(jù)MAU槳切面的面積數(shù)據(jù)用我國船舶及海洋工程設(shè)計院提出的的公式槳葉重量及慣性矩的計算如下：槳葉重量：Gbi=O.169yZbmax(O.5to.2+to.6)(l-dh/D)D=0.169x7600x4x1

36、.3479x(0.5x0.232+0.116)x(1-0.18)x5.68=7482.87kgfdt=dh/2=511.2mmLK=2.5xdt=2.5x511.2=1278(mm)=1.278mdo=O.O45+O.108(Pd/N)u3-KLk/2=0.045+0.108x(6269.54/1OO.3)U3_(1/15)x1.278/2=0.431m注：錐度K取1/15漿轂重量：Gn=(0.88-0.6do/dh)LKYdh2(kgf)=(0.88-0.6x0.431/1.02)x1.278x7600x1.022=6330.61kgf螺旋槳重量：G=Gbi+Gn=7482.87+6330.

37、61=13813.48kgf螺旋槳慣性矩：當(dāng)dh/D=0.18時：Imp=0.0948yZbmax(O.5to.2+to,6)D3=0.0948x7600x5x1.3479x(0.5x0.2315+0.1157)x5.683=205945.26kgf*cm*s2敞水性能性能曲線的確定：由AU5-50,AU5-65,P/D=0.738的敞水性能曲線內(nèi)插得到AU5-52.5,P/D=0.738的敞水性征曲線(見下頁)：KT,10KQ0.10.20.30.40.50.60.7j圖3-5敞水性能曲線表3-8設(shè)計漿的敞水?dāng)?shù)據(jù)表J00.10.20.30.40.50.60.7Kr0.340.320.290.

38、260.220.180.140.08Ku0.0390.0360.0330.0300.0270.0240.0200.015系柱特性計算：由上表得J=0時，Kt=0.34Kq=0.039計算功率PD=7181.6x0.97=6966.2系柱推力減額分數(shù)取to=O.O4,主機轉(zhuǎn)矩Q=(Pdx60x75)/(2ttxN)=6966.2x60x75/(2x3.14x100.3)=49767.735kgf.m系柱推力：T=(KtQ)/(KqD)=0.34x49767.735/(0.039x5.68)=70544.731kgf螺旋槳轉(zhuǎn)速：N=60xT/(pD4KT)J,/2=60x70544.731/(10

39、4.63x5.684x0.34)1/2=82.8r/min下面進行航行特性計算，航行特性計算由表3-9所示表3-9為航行特性計算表項目單位數(shù)值kn1213141516Va=0.5144(1-w)Vm/s4.014.354.685.025.35J=VA/nD0.4230.4590.4930.5290.564N=100.3r/Ki-0.210.20.180.170.16minKq0.0260.0250.0240.0230.022n=1.67r/sPTE=KTpn2D4(1-t)V/145.6hp410042304KX)41494165Ps=KQ27cnpn2D5/75is*nRhp64696221

40、597257235474J=VA/nD0.4680.5070.5460.5850.624N=90.3r/miKr0.190.180.160.150.13nKq0.0250.0240.0220.0210.019n=l.5Ir/sPTE=KTpn2D4(l-t)V/145.6hp30333113297929932767Ps=KQ2Tinpn2D5/75qR*r|Rhp45984415404738633495J=VA/nD0.5270.5720.6150.660.703N=80.3r/miKt0.170.150.130.110.08nKq0.0230.0210.0190.0170.015r=1.34

41、r/sPTE=KTpn2D4(l-t)V/145.6hp21372043190717291341PJ,=KQ27tnpn2D5/75r|R*TRhp29572699244221851928由上圖可知，110%超滿載航行時可達最大航速約為V=12.5kn,主機馬力為6453hp。滿載航行時可達最大航速成約為V=13kn,主機馬力為6254hp,與設(shè)計的要求基本一致。綜上個步驟計算可得螺旋槳設(shè)計總結(jié):螺旋槳型式螺旋槳直徑螺距比葉數(shù)盤面比AU系列D=5.68mP/D=0.7442Z=5Ac/A（）=0.525縱傾角8=10°螺旋槳效率r|o=0.0.5734設(shè)計航速Vmax=13.47Ki

42、i轂徑比dh/D=0.18旋向右旋材料鋁鐐青銅重量13813.48kgf慣性矩205945.26kgf*cm*s3.3小結(jié)通過本課題對于螺旋槳的設(shè)計，具體到每一個步驟可以反映出了螺旋槳設(shè)計是一個綜合考慮各種因素的過程，在設(shè)計時我們需要充分地考慮各種因素之間的影響，其中包括了螺旋槳轉(zhuǎn)速、直徑、葉數(shù)以及形狀等，我們在解決一種問題是常常也會牽連到其他的問題。這就需要我們要具有把多種問題聯(lián)系在一起來考慮的能力，而不是簡單的將某個問題拿出來單獨考慮。螺旋槳的設(shè)計也是整船設(shè)計至關(guān)重要的一項設(shè)計。首先通過所繪制的有效馬力曲線來確定出能夠具有最佳效率的螺旋槳，以既該槳所能達到的預(yù)定航速，再來就是要保證所需的馬

43、力最??；再來確定主機，并在主機的轉(zhuǎn)速與馬力給定的情況下設(shè)計出一個效率最佳的螺旋槳。本章節(jié)通過用圖譜法設(shè)計的540001散貨船的螺旋槳，并且我們通過初步設(shè)計與終結(jié)設(shè)計最終確定了螺旋槳的各項性能參數(shù)，最后通過航行特性的計算得到航行特性曲線，這使得下一章節(jié)的匹配性分析有了有力的數(shù)據(jù)資料依據(jù)。第四章機槳匹配性分析4.1總體探究上面的章節(jié)是船舶在特定情況下設(shè)計的具有最佳效率的螺旋槳，是對一般的船舶滿載時以主機持續(xù)工作轉(zhuǎn)速及航行速度即正常航行的情況。從中可以看出，船舶在以設(shè)計航速進行航行時，其主機與螺旋槳具有較好的匹配性，旦螺旋槳具有最佳的效率。然而實際航行中船舶的航行狀態(tài)常常水外界環(huán)境的變化而發(fā)生改變比

44、如風(fēng)浪等惡劣天氣等，從而會使得船舶航行時所受到的阻力發(fā)生變化，最終會使得航行速度、主機的工作功率、轉(zhuǎn)速以及螺旋槳的工作情況發(fā)生改變。船舶上的螺旋槳和主機是以一種復(fù)雜的聯(lián)動狀態(tài)相連。船舶機械能的發(fā)生通過主機來完成，而螺旋槳將主機發(fā)出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槭沟么扒斑M的推力，螺旋槳所做的推力用來抵消船舶的阻力。那么，三者之間能量轉(zhuǎn)換及工作關(guān)系我們便一目了然。它們之間相互牽制和協(xié)調(diào)，整個船舶的以和諧地運動。當(dāng)船舶的速度一定并且處于直線運動狀態(tài)時，機槳之間有下列關(guān)系：(1) 運動學(xué)：N槳=N機；(2) 動力學(xué)：Q槳二Q機。如果設(shè)計時存在減速齒輪，上述關(guān)系加入傳動比即可。同樣，船槳關(guān)系如下：(1) 運動學(xué)：槳的進

45、速和船舶的速度關(guān)系為：VA=V(l-w)；(2) 動力學(xué)：T槳(1-t)=R船。我們來看看主機隨船舶航行速度的變化而帶來的變化。當(dāng)船舶在啟航時，V=0,R=(),主機在一定速度驅(qū)動螺旋槳，螺旋槳推進系數(shù)J=0,加速運動的狀態(tài)開始運動。隨后，當(dāng)航行速度漸漸增加時，阻力也將漸漸變大，螺桿速度系數(shù)增加。當(dāng)速度保持不變，推力系數(shù)略有增加，如推力速度可能會繼續(xù)增加。V船與N槳關(guān)系一定時，當(dāng)阻力被螺旋槳的推力所克服時,Q槳能夠被主機提供的力矩所中和，達到一種平衡狀態(tài)，此時船舶會勻速前進，螺旋槳也在恒定的進速系數(shù)下轉(zhuǎn)動。螺旋槳可以說是主機制動機制，當(dāng)一個特定的速度增加的速度螺旋槳,螺旋槳的推進系數(shù)會降低，所

46、以推力和轉(zhuǎn)矩也相對增加。因此,增加主機上的轉(zhuǎn)矩的提供,其轉(zhuǎn)動速度將不會增加。航海過程中，機身馬力下降，螺旋槳轉(zhuǎn)速，推以及船舶速度將會下降,這是將達到另外一種平衡，也就是船速和轉(zhuǎn)速的達到了平衡。排水量為不變的情況下,一般低速船的R和船舶的v近似是R=&V*V,即有效馬力與V3的比例關(guān)系。此時若V船發(fā)生變化，而w,t,相對旋轉(zhuǎn)效率不變時，固定Va=&T2o當(dāng)保持排水量為一個恒定值得時候，大致有以下關(guān)系：P機二&V船。上述的若干關(guān)系能用下面的圖像清晰地表述，在此就不贅述了。通常情況下，一般的低速船在排水量不變的情況下阻力和船速V近似成平方關(guān)系，有效馬力Pc與速度的三次方V3成

47、比例。假若推力減額t、伴流系數(shù)(0和相對旋轉(zhuǎn)效率耶不隨船速的變化而變化的話，進速Va與螺旋槳推力T成二次方關(guān)系。根據(jù)螺旋槳的比較定律可以知道，若進速系數(shù)J值相同則會符合這種關(guān)系，因此，普通低速船在保持排水量不變的情況下以不同馬力航行時主機的轉(zhuǎn)速近似與船速V成比例，主機馬力則近似與轉(zhuǎn)速的三次方V3成比例。換而言之,不同轉(zhuǎn)速下的螺旋槳在工作時所需要的主機功率近似與轉(zhuǎn)速的三次方"成正比,而通常這種Ps-n3曲線被稱為“推進特性曲線”。但有些其他類型的船舶，其所受到的阻力不一定與V?成比例，所以具體情況應(yīng)具體分析。我們在看看外部阻力受外界環(huán)境影響時螺旋槳的工作狀況。假設(shè)螺旋槳如下圖所示在給定

48、轉(zhuǎn)速和主機馬力螺旋槳的工作情況。這時候螺旋槳的轉(zhuǎn)速為n=N/60,螺旋槳所吸收的轉(zhuǎn)矩為Q,并發(fā)出大小為T=R/(l-t)的推力，當(dāng)船舶達到的航速為V時螺旋槳的進度為VA=V(l-w),可以看到螺旋槳的工作的點在進速系數(shù)J=VA/nD處，見圖4-1(a)(b)(c)。4-圖q£d(l圖4-1(c)圖4-1(a)、(b)、(c)螺旋槳在阻力變化時的工作情況第一種：風(fēng)浪、污底等特殊外部航行環(huán)境使得船舶所受的阻力增大，由圖可以看出:R=T(1-t),故T(1-t)<R2,此時V船明顯變小。此時：(1) 當(dāng)主機的轉(zhuǎn)速保持常數(shù)不變的情況下，從圖中看出隨著螺旋槳的轉(zhuǎn)速VA漸漸變小時，其進速系

49、數(shù)J也是隨著變小的，根據(jù)相關(guān)公式得到KT、KT均變大。當(dāng)V=V2時，J=J2o根據(jù)推力公式T2=pn2DA4KT2=R2/(l-t)o由此我們得到：KQ2>KQ,故Q2=pn2DA5KQ2>Qo以上分析可以得出：當(dāng)R變小時，N主機不變，必須要Q2>Q才能滿足。(2) 若Q機達到了其本身的極限，我們換個思路改變n(主機)，使Q2,=K,Q2pn22DA5=Qo由于T2,<T2,故V2，<V2,繼續(xù)使V船變小。當(dāng)R船變大時，若Q己經(jīng)達到極限時，那么螺旋槳將不得不減小轉(zhuǎn)速，此時主機Q=Qmax,這時螺旋槳處于“重裁”狀態(tài)工作。船舶在不盡相同的工況下航行，船-機-槳三者之

50、間關(guān)系復(fù)雜。他們之間循環(huán)因果，相互影響。以下是對于三者之間的匹配若干總結(jié)：1.不同N槳時的V船和N機；2.當(dāng)外界條件影響船舶所受的阻力時，螺旋槳轉(zhuǎn)速和主機馬力以及船舶能夠達到的最大航速；3.在只有其中若干個(不是全部)螺旋槳工作的情況下，其螺旋槳轉(zhuǎn)速及主機馬力情況，此情況針對于多個螺旋槳的船舶；4.工況不同情況下的螺旋槳。第二種：壓載航行時船舶的航速無疑會吃水減少，R隨之降低，我們可以在如圖所示的阻力曲線中讀出相關(guān)信息。我們知道R=T(I-t)，那么可得T(1-t)>R1,顯然船舶此時有一個加速度。則：(1)當(dāng)主機的轉(zhuǎn)速保持常數(shù)不變的情況下，J會隨著VA的增大而增大，根據(jù)相關(guān)的公式又可以

51、知道KT和KQ均會變小。對應(yīng)的，當(dāng)V=Vl,J=Jlo根據(jù)公式,推力Tl=KTIpn2DA4=Rl/(l-t)o此時我們可以看出：KQlvKQ,故Ql=KQ1pn2DA5<Q（Q為主機在轉(zhuǎn)速n時所能提供的轉(zhuǎn)矩）。結(jié)論：R船變小時，主機若是維持現(xiàn)狀不變的話，那么只能利用部分主機的功率,這是稱作主機的輕載狀態(tài)。（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速不固定并且能夠增大時，J1將會維持一個穩(wěn)定的數(shù)值，當(dāng)轉(zhuǎn)速由n變成nl,我們近似得到一下關(guān)系：KQ1=K'Q1J1=J顯然nl>n,那么Q>Q1,又Q1，=Q'此時二者之間形成一種平衡。1T>T1,使vr>vi,這就可以分析出：當(dāng)R船降

52、低時，N機能夠變大的情況下，則V船變大。4.2船體和主機的匹配性分析在前面的螺旋槳終結(jié)設(shè)計中己得到船舶的航行特性曲線，如下圖4-2所示（見下頁）：該圖表示了不同的裝載情況在不同的轉(zhuǎn)速時可達到的航速。從圖4-2可得到:在滿載航行的條件下，N=100.3r/min,航速V=13kn,所需推進馬力馬力PTE=6254hp,空泡校核及強度校核證明與設(shè)計基本一致;N=100.3r/min,航速V=13kn,主機設(shè)計所需總的主機馬力為Ps=7150.6hp,由此可知，在相同的航行狀態(tài)下，由于主機轉(zhuǎn)速的改變而引起航速V和主機馬力Ps的變化。4.3主機和螺旋槳的匹配性分析通過所給的資料并得到主機的特性曲線：額

53、定功率為5408kw時主機額定轉(zhuǎn)速N=100.3r/min,由以上數(shù)據(jù)就可畫出主機額定功率外的特性曲線，之后可得到過載時的主機工作的特性曲線，又知道主機通常情況下的儲備功率一般10%,之后即可得到設(shè)計功率以外的特性曲線，最后再根據(jù)主機功率的30%的值可得到最小功率外的特性曲線。根據(jù)在螺旋槳設(shè)計最后所得到的船舶航行特性曲線，在原曲線上本來橫坐標(biāo)是航速V(kn)，但為了畫出主機的特性曲線，要將在某轉(zhuǎn)速下某-特定工況所需要的馬力求出來。主機的額定轉(zhuǎn)速為N=100.3r/min,最大轉(zhuǎn)速為Nmax=103%Ne=104.2r/min,最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速Nmin=40r/min,可分別畫出最高轉(zhuǎn)速限制線，最低轉(zhuǎn)速限制線和額定轉(zhuǎn)速限制線。過載額定功率特性一柴油機熱負荷很高，一般作為船用主機的最大功率或超額功率，持續(xù)使用時間不應(yīng)超過(也不小于)1小時。額定功率特性柴油機熱負荷和機械負荷好，一般作為船用主機的常用功率，可長期持續(xù)使用。設(shè)計功率特性一一指供油量固定在小于額定功率90%供油量的速度特性。船舶在