螺旋槳設(shè)計與繪制

本文格式為Word版，下載可任意編輯——螺旋槳設(shè)計與繪制第1章螺旋槳設(shè)計與繪制

1.1螺旋槳設(shè)計

螺旋槳設(shè)計是船舶快速性設(shè)計的重要組成分。在船舶型線初步設(shè)計完成后，通過有效馬力的估算獲船模阻力試驗，得出該船的有效馬力曲線。在此基礎(chǔ)上，要求我們設(shè)計一個效率最正確的螺旋槳，既能達到預(yù)定的航速，又能使消耗的主機馬力最??；或者當主機已經(jīng)選定，要求設(shè)計一個在給定主機條件下使船舶能達到最高航速的螺旋槳。螺旋槳的設(shè)計問題可分為兩類，即初步設(shè)計和終結(jié)設(shè)計。

螺旋槳的初步設(shè)計：對于新設(shè)計的船舶，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書對船速要求設(shè)計出最適合的螺旋槳，然后由螺旋槳的轉(zhuǎn)速計效率決定主機的轉(zhuǎn)速及馬力。

終結(jié)設(shè)計：主機馬力和轉(zhuǎn)速決定后，求所能達到的航速及螺旋槳的尺度。在本文中，根據(jù)設(shè)計航速17.5kn，設(shè)計螺旋槳直徑6.6m，進行初步設(shè)計，獲得所需主機的馬力和主機轉(zhuǎn)速，然后選定主機；根據(jù)選定的主機，計算最正確的螺旋槳要素及所能達到的最大航速等。

1.1.1螺旋槳參數(shù)的選定

（1）螺旋槳的數(shù)目

選擇螺旋槳的數(shù)目必需綜合考慮推進性能、震動、操縱性能及主機能力等各方面因素。若主機馬力一致，則當螺旋槳船的推進效率高于雙螺旋漿船，由于單螺旋槳位于船尾中央，且單槳的直徑較雙槳為大，故效率較高。本文設(shè)計船的設(shè)計航速約為17.5kn的中速船舶，為獲得較高的效率，選用單槳螺旋槳。

（2）螺旋槳葉數(shù)的選擇

根據(jù)過去大量造成資料的統(tǒng)計獲得的槳葉數(shù)統(tǒng)計資料，取設(shè)計船螺旋槳的葉數(shù)為4葉?？紤]到螺旋槳誘導(dǎo)的表面力是導(dǎo)致猛烈尾振的主要原因，在圖譜設(shè)計中，單槳商船的槳葉數(shù)也選為4葉。

（3）槳葉形狀和葉切面形狀

螺旋槳最常用的葉切面形狀有弓形和機翼型兩種。弓形切面的壓力分布較均勻，不易產(chǎn)生空泡，但在低載時效率較機翼型約低3%~4%。若適選中擇機翼型切面的中線形狀使其壓力分均勻，則無論對空泡或效率均有得益，故商用螺旋槳

采用機翼型切面。

根據(jù)以上分析，選擇MAU4葉槳系列進行螺旋槳設(shè)計。

1.1.2螺旋槳推進因子

螺旋槳的伴流分數(shù)取螺旋槳以等推力法進行敞水試驗獲得的實效伴流：

??0.404

推力減額依照漢克歇爾關(guān)于單槳螺旋槳標準商船公式進行計算：

t?0.50CP?0.12?0.22

主機的軸系傳遞效率：?s?0.97相對旋轉(zhuǎn)效率：?R?1.00船身效率：?H?1?t?1.311??

1.1.3有效馬力曲線

有效馬力曲線表征的是船體阻力特征。通過近似估算獲船模阻力計算試驗來

確定船體的有效馬力曲線。對應(yīng)于不同裝載狀況下有不同的有效馬力曲線，常用的為滿載和壓載?？紤]到由于風浪或污底等狀況，尚需增加一定百分數(shù)的有效馬力預(yù)度。本文取滿載和110%滿載狀況進行設(shè)計。

表4-1有效馬力曲線

航速有效功率V/kn滿載110%滿載V/kn滿載110%滿載V/kn滿載110%滿載155044554817.58566942320154101695115.5560061601895221047420.51852320375166211683218.5105401159421226692493516.56895758419116631282921.52789930689177675844219.51319514514223419237611PE(hp)航速有效功率PE(hp)航速有效功率PE(hp)

根據(jù)上表可繪制設(shè)計船在滿載狀況下的有效馬力曲線

圖4-1有效馬力曲線

1.1.4初步設(shè)計

根據(jù)有效馬力曲線，設(shè)計航速17.5kn，設(shè)計螺旋槳直徑6.60m，以MAU4-55系列槳為基礎(chǔ)，計算所需的主機馬力和最正確轉(zhuǎn)速。具體的計算表格見表4-2

表4-2初步設(shè)計確定最正確轉(zhuǎn)速的計算

序號123456名稱螺旋槳直徑單位mknhpr/min9560.1210063.28數(shù)據(jù)6.61.3110.43856610566.4411069.6111572.77?H?1?t1??VA?(1??)VPE假定一組轉(zhuǎn)速N直徑系數(shù)??ND/VA查MAU4-55圖譜，由?等值線和最正確效率曲線的交點得到P/D70.7620.6065.090.7420.5935.410.7240.5765.720.7040.5646.020.6860.5486.34?0Bp8BP2VA5PD?2N9180105731198513397150799主機馬力Ps?PD/?s?R計算螺旋槳能戰(zhàn)勝的有94641090012355138121554610效馬力PTE?PD?0?H728882149043989910825

有上表可繪制確定最正確轉(zhuǎn)速的圖，如圖4-2.

根據(jù)PE和PTE的交點可獲得：最正確轉(zhuǎn)速為N=102r/min，所需主機馬力為11500hp，

P/D=0.732，?0=0.582。

圖4-2確定轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果

1.1.5終結(jié)設(shè)計

根據(jù)初步設(shè)計的結(jié)果，選定主機型號為蘇爾壽5RTA68柴油機一臺，最大持續(xù)功率為13250hp，轉(zhuǎn)速為102r/min，旋向為右旋。

采用MAU4葉槳圖譜進行計算取功率儲存10%，軸系效率?s?0.97

螺旋槳敞水收到馬力：PD=13250?0.9??s?R?11567.25(hp)根據(jù)MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70的Bp-?圖譜列表計算

表4-3按Bp-?圖譜設(shè)計的計算表

項目假定航速單位knkn169.5361710.132數(shù)值1810.7281911.324VA?(1??)V

續(xù)表4-4按Bp-?圖譜設(shè)計的計算表

Bp?NPD0.5/VA2.5Bphphphp39.0666.25073.40.6510.567859272.10.6970.552836570.80.7070.532806133.5725.79468.60.6740.5888910670.720.573868366.50.730.551834929.1025.39564.50.6960.607919863.10.7430.593898662.60.7590.567859225.4225.04261.10.7180.625947159.60.7680.61924358.90.7830.5828819?P/DMAU4-40?0PTE?PD?H?0?P/DMAU4-55?0PTE?PD?H?0?P/DMAU4-70?0PTE?PD?H?0

根據(jù)上表的計算結(jié)果可繪制PTE、?、P/D及?0對V的曲線，如圖4-3.

從PTE-f(V)曲線與滿載有效馬力曲線之交點，可獲得不同盤面比所對應(yīng)的的設(shè)計航速及螺旋槳最正確要素P/D，D及?0，如表4-4.

表4-5按圖4-3設(shè)計計算的最正確要素

MAU4-404-554-70Vmax/kn17.8117.6617.43P/D0.6910.7360.741?65.264.264.8D/m6.796.626.60?00.6040.5870.559

圖4-3MAU4葉槳圖譜設(shè)計計算結(jié)果

1.1.6空泡校核

螺旋槳在水中工作時，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，若某處的壓力降至臨界值以下時，導(dǎo)致爆發(fā)式的汽化，水汽通過界面，進入氣核并使之膨脹，形成氣泡，成為空泡。

一旦槳葉上出現(xiàn)空泡，或?qū)е聵~表面材料的剝蝕，或時螺旋槳性能惡化。因此，在設(shè)計螺旋槳時，應(yīng)考慮其是否發(fā)生空泡或空泡發(fā)展的程度，故需進行空泡現(xiàn)象的預(yù)計，以便確定所設(shè)計的螺旋槳是否符合要求。

目前常使用螺旋槳模型空泡試驗或大量實船資料整理所得的圖譜，或由統(tǒng)計數(shù)據(jù)歸納而成的近似公式進行空泡校核。

本文按波利爾空泡界限中商船上界限，計算不發(fā)生空泡的最小展面比：

0.200.190.180.7R)2?c=(T/AP)/(0.5?V0.170.160.150.140.130.350.400.450.5020.7R0.550.60?0.7R=p0/(0.5?V)

圖4-4波利爾空泡接線圖

漿軸中心距基線ZP?3.68m

漿軸沉深hs?T?ZP?10.82?3.68?7.14m

246kgs/m4海水密度??10.k0gf/m2標準大氣壓力Pa?1033螺旋槳敞水收到馬力PD?11567.25hp

表4-6空泡校核計算結(jié)果

數(shù)據(jù)序號項目單位MAU4-40MAU4-55MAU4-701234AE/A0knkgf.m?20.417.8117648.55.470.5517.6617648.55.420.717.4317648.55.35Vp0?pa??hsVA?0.515(1??)Vm.s?1

續(xù)表4-7空泡校核計算結(jié)果

567891011120.7?VA2(m.s?1)229.886.7929.386.6224.75612.51641.8933580.340.5260.183228.626.6024.67608.81637.4333347.240.5290.184DND60m2m.s?125.38644.37674.2535273.420.5000.177N??D??0.7?60??2(m.s?1)2(m.s?1)2N??V0.7R2?VA2??0.7?D?60??kgf.m?20.5?V0.7R2?0.7R?p0/(0.5?V0.7R2)查商船螺旋槳空泡推力145.6PET=(1?t)V13kgf96042.6394050.1490727.95需要投射面積14151617Ap?T/?c0.5?V0.7R2m2m215.3816.9336.210.46715.2917.0234.320.49614.7916.4834.210.482需要投射面積AE=Ap/(1.067?0.229P/D)A0??4D2m2需要盤面比AE/A0

根據(jù)表4-5計算結(jié)果作圖4-5，可求得不發(fā)生空泡的最小盤面比以及所對應(yīng)的的最正確螺旋槳要素。

AE/A0?0.487P/D?0.72D?6.68mVmax?17.73kn?0?0.592

圖4-5空泡校核計算結(jié)果

1.1.7強度校核

為了保證船舶的安全航行，必需保證螺旋槳具有足夠的強度，使其在正常航行狀態(tài)下不致破損或斷裂。為此，在設(shè)計螺旋槳時必需進行強度計算和確定槳葉的厚度分布。

螺旋槳工作時作用在槳葉上的流體動力油軸向的推力及與轉(zhuǎn)向相反的阻力，兩者都使槳葉產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時槳葉本身的質(zhì)量產(chǎn)生徑向的離心力，使槳葉受到拉伸。若槳葉具有測斜或縱斜，則離心力還要使槳彎曲。

按2023年《規(guī)范》校核t0.25R及t0.6R，如表4，應(yīng)不小于按下式計算之值：

1.36A1N?A2GAdN2D3YY?X?t?1010ZbZbnK?X?計算功率Ne?13250?0.9?0.97?9453kw

mAd?AE/A0?0.487P/D=0.72??10G?7.6g/c3N?n??102r/minb0.66R?0.226DAd/?0.1Z??0.226?6.68?0.487/0.4?1.8380m

b0.25R?0.7212b0.66R=1.3256mb0.6R?0.9911b0.66R?1.8217m

表4-8強度校核計算表

數(shù)值項目弦長b0.7R處D/PD/P0.7單位0.25Rm1.32561.38891.3889634250141042352.63655923.48234413801376.1111.380.6R1.82171.38891.388920715163534844.163614601.712312653301178.6111.38D/PK1?K2???查表K3?K4??A1?D/P(K1?K2D/P0.7)?K3D/P0.7?K4Y?1.36A1Ne/(Zbne)K5?K6???查表K7?K8??A2?(D/P)(K5?K6?)?K7??K8材料系數(shù)K(鋁鎳青銅）續(xù)表4-6強度校核計算表

X?A2GAdN2D3/1010Zbt?Y/(K?X)mmmm0.29789227.3323255.51滿足要求0.185657110.57145.624滿足要求MAU標準槳葉厚度t`校核結(jié)果

實際槳葉厚度按t1.0R?0.0035D?23.38mm與t0.25R=255.51mm連直線決定

t0.2R?270.985mm,t0.3R?240.035mmt0.4R?209.084mm,t0.5R?178.133mmt0.6R?147.183mm,t0.7R?116.232mmt0.8R?85.2813mm,t0.9R?54.331mm

1.1.8螺距修正

螺旋槳設(shè)計中，有些參數(shù)旺旺與所用系列螺旋槳不同，例如按上述強度計算所得到的槳葉厚度小于所選用的系列槳的厚度時，尚可直接采用系列槳的厚度及厚度分布，其缺點是浪費材料。有的設(shè)計螺旋槳的轂徑比不同于系列螺旋槳。在這種狀況下，不許對螺旋槳的螺距進行修正，使兩者的性能一致。

根據(jù)尾軸直徑大小，確定觳徑比dh/D?0.18，此值比與MAU標準觳徑比一致，故對此項不需要進行螺距修正0.7R處標準槳厚度：

t0.7?0.0171D?112.86mm

由于實際槳葉厚度大于MAU槳標準厚度，故需因厚度差異進行螺距修正。

t設(shè)計槳：??0.1162???0.06345?0.9964?1.8380?b?0.7R0.0171?D?t???0.05523（取MAU4-55為基準槳）標準槳??b0.9964?0.31075?D??0.7R1?s?VA(1??)V?30.8660.596?17.73?30.866??=0.66485NPNP102?4.8096??t?0.55??t??t????=???-?????0.75=0.00081?b?0.7R??b?0.7設(shè)?b?0.7標0.487??P??P??t??????2??(1?s)?????2?0.72?0.66485?0.00081??0.00775DDb??t??0??0.7R

修正后的螺距比：

P?P??P?????????0.72?0.00775?0.71225D?D?0?D?t1.1.9重量及慣性矩計算

在螺旋槳設(shè)計中，必需進行重量和慣性矩的估算，以提供軸系計算、工廠備料以及離心力計算等需要。

根據(jù)中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院提出的公式：

槳葉重：Gb1?0.169?Zbmax(0.5t0.2?t0.6)(1?d/D)D(kgf)（4-1）槳轂重：Gn?(0.88?0.6d0/d)Lk?d2(kgf)螺旋槳重：G?Gb1?Gn螺旋槳慣性矩：

Imp?0.0948?Zbmax(o.5t0.2?t0.6)D3(kgf.cm.s2)(d/D?0.18)式中：最大寬度bmax?1.8380m

主機最大持續(xù)功率狀況下螺旋槳的收到馬力PD?11567.25hp螺旋槳在相應(yīng)收到馬力下的轉(zhuǎn)速：N?102r/min

0.2R和0.6R處切面的最大厚度t0.2?0.27098m,t0.6?0.14718m軸轂協(xié)同的錐度：K?1/13轂長：Lk?d?0.1?1.3m

材料重量密度：??7.6g/cm3?7600kg/m3槳轂直徑：d=1.2m槳葉數(shù)：z=4

螺旋槳直徑：D=6.68m槳轂長度中央處軸徑：

d1/30?0.045?0.108(PD/N)?KLk/2?0.51776m

代入4-1、4-2、4-3、4-4計算得到：

槳葉重量Gb1?14620.95789kgf槳轂重量Gn?8836.79846kgf螺旋槳總重G?23347.75645kgf

4-2）4-3）

4-4）

（（（螺旋槳慣性矩Imp?4463.09914kgf3?cm?s2

1.1.10敞水特征曲線之確定

由MAU4-40、MAU4-55，P/D=0.712的敞水特征曲線內(nèi)插得到MAU4-48.7，P/D=0.712的敞水性特征曲線，見圖4-6，其數(shù)據(jù)見表4-7

圖4-6設(shè)計槳的敞水特征曲線表4-9設(shè)計槳敞水特征數(shù)據(jù)表

J00.32220.10.29280.32540.16110.20.26140.29680.30220.30.22740.26690.43430.40.18960.23400.55290.50.14750.19760.65320.60.09850.15520.72360.70.05140.10670.6593KT10KQ0.3500?00.00001.1.11系柱特性計算

有圖4-6得J=0時，KT?0.322,KQ?0.035計算功率PD?13250?0.97?12852.5hp系柱推力減額分數(shù)取t0?0.04

主機轉(zhuǎn)矩Q?PD?60?7512852.5?60?75??90244.36kgfm

2?N2??102系柱推力T?KTQ0.32?290244.36??124288k.g6f4KQD0.03?56.68螺旋槳轉(zhuǎn)速N?60T/?D4KT?87.67r/min

??1.1.12航行特征計算

取轉(zhuǎn)速為102r/min，94r/min，86r/min進行計算，結(jié)果如下表所示：

表4-10航行特性計算表

項目VVA?0.5144(1??)VJ?VA/nD單位knm/s154.5990.4050.188164.9050.4320.176數(shù)值175.2120.4590.165185.5180.4860.154195.8250.5130.142N=102r/minKT續(xù)表4-11航行特性計算表

KQhphphphp0.02329096137000.4390.1730.0227109101680.4800.1560.02239083131690.4690.1590.0209696996600.5120.1390.02120.02020.01929047125190.4980.1488941119280.5270.1358702113380.5570.12PTE?KT?n2D4(1?t)V/145.6PS?KQ2?n?n2D5/75?s??RJ?VA/nDKTN=94r/minKQ0.01990.01870.0173689291970.5440.124665786430.5760.11624679960.6080.098PTE?KT?n2D4(1?t)V/145.6PS?KQ2?n?n2D5/75?s??RJ?VA/nDN=86r/minKTKQ0.0203536571850.0192509967960.01780.016348336300454057690.01542695309PTE?KT?n2D4(1?t)V/145.6PS?KQ2?n?n2D5/75?s??R

由上述結(jié)果可繪制圖4-7。

由圖中可求超滿載航行時可達最大航速約為V=15.31kn.，主機馬力為12320hp。滿載航行時，可達到最大航速約為V=17.731，主機馬力為12080hp，與設(shè)計要求基本一致。

圖4-7航行特征曲線

1.2螺旋槳繪圖

在螺旋槳的設(shè)計計算后，即需繪制螺旋槳的總圖，以供制造需要。在螺旋槳總圖上需畫出槳葉的伸張輪廓、投射輪廓、以及側(cè)投影輪廓。在伸張輪廓上畫出若干半徑處的切面形狀（一般畫8~9個切面），在側(cè)投影輪廓圖上畫出槳葉的最大厚度線，槳葉的界限輪廓線，并需要注出槳轂的主要數(shù)據(jù)。此外，在總圖上尚需注明螺旋槳的主要尺度、各種比值以及必要的說明。

對于組合式螺旋槳：dh??2.6?2.8?dt對于整體式螺旋槳：dh??1.8?2.1?dt本設(shè)計螺旋槳取dh?1200mm

（3）d1、d2——轂前后端的直徑。

d1/dh?(1.05~1.15)d2/dh?(1.05~1.15)

取d1=1320mm,d2?960mm

(4)r1、r2——葉面、