推進演示文稿

推進演示文稿第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六§8.1設計問題和設計方法一、螺旋槳的初步設計問題目標：設計一個效率最佳的螺旋槳，既能達到預定的航速，又使消耗的主機馬力最小。分為兩種：

1、已知船速V，有效馬力PE，根據(jù)選定的螺旋槳直徑D，確定螺旋槳的最佳轉速n，效率η0，螺距比P/D和主機馬力PS；

2、已知船速V，有效馬力PE，根據(jù)選定的轉速n，確定螺旋槳的最佳直徑D，效率η0，螺距比P/D和主機馬力PS。二、螺旋槳的終結設計問題

目標：主機已選定，要求設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。具體地講，就是已知主機馬力PS，轉速n和有效馬力曲線，確定最大船速V，螺旋槳的直徑D，螺距比P/D及效率η0

。在造船實踐中，一般采用標準機型，所以在實際設計中，極大多數(shù)是這類設計問題。第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

目前設計船用螺旋槳的方法有兩種，即圖譜設計法及環(huán)流理論設計法。

圖譜設計法就是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗繪制成專用的各類圖譜來進行設計。圖譜方法計算方便，易于為人們所掌握，是目前應用較廣的一種設計方法。應用圖譜設計螺旋槳雖然受到系列組型式的限制，但此類資料很豐富，已能包括一般常用螺旋槳的類型。

環(huán)流理論設計方法是根據(jù)環(huán)流理論及各種槳葉切面的試驗或理論數(shù)據(jù)進行螺旋槳設計。用此種方法可以分別選擇各半徑處最適宜的螺距和切面形狀，并能照顧到船后伴流不均勻的影響，因而對于螺旋槳的空泡和振動問題可進行比較正確的考慮。隨著計算機的普及和環(huán)流理論的成熟，現(xiàn)已得到廣泛的應用。第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

在進行螺旋槳設計時，必須針對船舶的特點和要求，根據(jù)實踐經(jīng)驗，選用合適的螺旋槳圖譜。這里主要討論商船螺旋槳的設計，兼顧高速軍艦螺旋槳設計。目前在商船螺旋槳設計中，以荷蘭的楚思德B型螺旋槳和日本Au型螺旋槳應用最為廣泛?！?.2Bp-型螺旋槳設計圖譜及其應用第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六一、AU型螺旋槳設計圖譜及其應用

如果將AU型5葉，盤面比＝0.50，螺距比分別為：P／D＝0.4，0.6，0.8，1.0，1.2的五個螺旋槳的敞水試驗結果繪制在同一圖上，則可以得到一個敞水性征曲線組。當知道進速系數(shù)J＝VA／(nD)以后，即可得到不同螺距比螺旋槳的性能。在螺旋槳的設計問題中，一般不可能同時給定直徑D和轉速N，而敞水性征曲線圖的橫坐標進速系數(shù)J卻同時包括了D和N兩個參數(shù)，這給設計螺旋槳帶來不便，為此需將這類性征曲線轉繪成專用圖譜，B—δ型圖譜就是目前應用最廣的一種圖譜形式。第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六1、Bp-型設計圖譜的建立針對終結設計問題(已知主機馬力和螺旋槳轉速)，導出不包含直徑D的系數(shù)。由定義收到馬力系數(shù)（功率系數(shù)）為各量單位取為：PD(hp)，VA(m/s)，n(rps)如取為：VA(kn)，N(rpm)，ρ=104.51kgfs2/m4則有第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六同時定義直徑系數(shù)由敞水曲線繪制-δ圖譜方法1）確定效率等值線范圍，一般η0=0.3-0.7，和間距，一般η=0.012）確定直徑系數(shù)等值線范圍，一般

=30–200，和間距，一般δ=23）做效率等值曲線。在敞水曲線上，用每個等值效率，做水平線與各個P/D的效率曲線相·交，并各個交點上讀取J和相應的KQ值。然后由下式計算BP：將各個相應的P/D，用光滑曲線相連，得效率等值曲線。第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六4）做等值直徑曲線。對每個給定的直徑系數(shù)δ值，計算其相應的J值：5）將各時效率最高點連成光順曲線，即為最佳效率曲線。在計算的J，從敞水曲線上讀取在各個P/D下的KQ值，并J和KQ計算BP:將各個相對應得P/D，用光滑曲線連接得等值直徑系數(shù)曲線。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2、AU（MAU）型螺旋槳形式

AU～該系列原型，為部分五葉槳和六葉槳采用。

MAU～減小部分切面的前緣高度，適當降低面空泡的裕度，增大葉背的抗空泡性能。

AUW～尾緣有一定翹度，六葉槳采用。MAU為等螺距螺旋槳第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六AU、AUW、MAUW有4、5、6葉槳，根據(jù)它們的伸張輪廓尺寸和葉切面尺寸就可以求出螺旋槳的伸張輪廓和各半徑處的葉切面形狀。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3、圖譜的應用設計時應先確定

1)螺旋槳的初步設計問題（a)已知船速V，PE，選定

D，確定最佳轉速N，0，P/D，PS

選定槳型，葉數(shù)，盤面比，假設一組轉速N，列表計算。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

根據(jù)計算結果作PS，PTE，P/D，η0～N曲線圖。根據(jù)已知船速V時的有效馬力PE作水平線與PTE曲線相交，由此交點可讀出螺旋槳的轉速N、要求的主機馬力Ps及螺旋槳的螺距比P／D、效率η0。第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

（b)已知船速V，PE，選定

N，確定最佳直徑D，0，P/D，PS

同樣選定槳型，葉數(shù)，盤面比，假設一組直徑D，列表計算。第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

根據(jù)計算結果作PS，PTE，P/D，η0～

D曲線圖。PTE與PE交點即為設計槳的各項參數(shù)。第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2)螺旋槳的終結設計問題已知有效馬力曲線PE，主機功率PS，轉速N，確定最高船速V，0，P/D，D。選定槳型，葉數(shù)，盤面比，假設一組船速V，列表計算。25000t散貨船。ω=0.34，t=0.26，ηR=0.982。PS=12000hp，N=118.5r/min，ηS=0.98。PD=ηSηRPS=0.98×0.982×12000=11550(hp)第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)計算結果作P/D，η0，PE，PTE，D

～V曲線圖。PTE與PE交點即為設計槳的各項參數(shù)。螺旋槳要素及船速如下：

P/D=0.731ηO=0.569D=5.897mVmax=16.11kn第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、B型螺旋槳設計圖譜的新形式1969年重新整理發(fā)表。1、B型槳圖譜與AU圖譜的差別：

AU型：1）參數(shù)均為公制單位；

2）圖譜已換算至海水情況；

3）圖譜查出的最佳直徑就是船后的最佳直徑。

B型：1）參數(shù)均采用英制單位；

PD～（UKhp），VA～（kn），N～（rpm），D～（ft）2）圖譜未換算至海水情況，設計海船時，需用3)1969年前的圖譜最佳直徑用于船后時需減小2～4％，

1969年以后，直接應用。γ=1.025，為海水密度。第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2、B型系列槳的新圖譜

1972年，荷蘭船模水池根據(jù)以前的資料，應用多元回歸的方法，繪制了一套新圖譜，包括（1）KT，KQ～J圖譜；（2）BP1～1/J圖譜；（3）BP2～1/J圖譜。BP1

和BP2

的定義為：PD～(kgf·m/s)，VA～(m/s)，n～(rps)，Q～(kgf·m）上述三組圖譜都己修正至雷諾數(shù)Re＝2×108的情況。第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

近期荷蘭船模試驗池有時采用一種稱為BB型的螺旋槳。此類螺旋槳與B型螺旋槳基本一樣，只是在近梢部略為加寬。就水動力性能而言，可以認為兩者是相同的，也就是說可以用B型槳的圖譜來設計BB型螺旋槳。

當主機功率、螺旋槳轉速和進速給定時可以用BP1～1/J圖譜確定螺旋槳的最佳直徑。當主機功率、螺旋槳直徑和進速給定時可以用BP2～1/J圖譜確定螺旋槳的最佳轉速。第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3、B型系列槳型式根部切面為機翼型，梢部切面為弓形，后傾角為15o，四葉槳0.6R～1.0R為等螺距，0.6R至葉根逐漸減少，至葉根減少20％，其它葉數(shù)槳為等螺距槳。第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六§8.3設計螺旋槳時應考慮的若干問題一、螺旋槳的數(shù)目通常習慣按母型船來選取螺旋槳數(shù)目，且螺旋槳數(shù)目與船舶尾部線型直接有關，故在船舶初步設計時已決定其螺旋槳數(shù)目。若馬力相同，則單螺旋槳船之推進效率常高于雙螺旋槳船，這是因為單螺旋槳位于船尾中央，伴流較大，且單槳的直徑較雙槳為大，故其效率較高。

隨著集裝箱船的大型化、高速化，由于主機能力所限，船速超過25kn者一般采用多槳。從推進性能講，以單槳最好，三槳次之，雙槳最差。目前由于雙槳船尾部形狀的改進，雙槳效率已有所提高?？痛笏俣瓤?、振動小、操縱靈活，故多采用雙槳。江船常受吃水限制，而且要求操縱靈敏，故也大多采用雙螺旋槳。第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

軍用艦艇則有裝四個螺旋槳的，因為對于軍用艦艇來說，作戰(zhàn)時的快速性、機動性和生命力都是十分重要的，而且這樣也可兼顧動力裝置的使用壽命及各種使用工況下的經(jīng)濟性。二、螺旋槳的葉數(shù)葉數(shù)的選擇應根據(jù)船型、吃水、推進性能、振動和空泡等多方面加以考慮。一般認為，若螺旋槳的直徑及展開面積相同，則葉數(shù)少者效率常略高，葉數(shù)多者因葉柵干擾作用增大，故效率下降。但葉數(shù)多者對減小振動有利，葉數(shù)少者對避免空泡有利。通常雙槳船多采用3或4葉，高速軍艦以3葉為宜。1.根據(jù)造船統(tǒng)計資料選擇螺旋槳葉數(shù)根據(jù)過去大量造船資料的統(tǒng)計，一般說來，在3葉至6葉之間選擇。2.螺旋槳葉數(shù)對推進性能的影響葉數(shù)多少對螺旋槳的推進性能和敞水效率幾乎沒有影響。第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3.綜合考慮螺旋槳效率與空泡性能一般來說，每增加一葉，盤面比約增加5％一10％，因此避免了空泡發(fā)生的可能。但葉數(shù)增加，效率并不下降。4.螺旋槳葉數(shù)與振動的關系近期對螺旋槳激振力的研究表明，螺旋槳誘導的表面力是導致強烈尾振的主要原因，因此在圖譜設計中，一般單槳商船多用4葉。但隨著船舶的大型化，振動問題顯得突出，有采用5葉甚至6葉的趨勢。此外，在選擇葉數(shù)時應避免和船體或軸系發(fā)生共振，亦即避免葉頻nZ(轉數(shù)與葉數(shù)的乘積)與軸系或船體的自然頻率相等或相近。同時還應盡量避免主機氣缸數(shù)、沖程數(shù)與葉數(shù)相等或恰為其整數(shù)倍。第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六三、螺旋槳的直徑對于經(jīng)常在壓載情況下航行的船舶，宜采用直徑較小的螺旋槳，以照顧壓載時的效率和避免葉梢露出水面。從振動方面考慮，螺旋槳與船體間的間隙不宜過小，否則可能引起嚴重振動。實際上螺旋槳的直徑多數(shù)是根據(jù)設計圖譜來決定的。四、螺旋槳的轉速二節(jié)點垂向振動頻率是船上所有自然頻率的最低者，它比目前經(jīng)常遇到的螺旋槳轉速范圍低不了多少(一般單螺旋槳的每分鐘轉數(shù)大致在80至150之間)。在船舶設計時，應相當確切地決定船體振動的自然頻率，特別是二節(jié)點垂向振動頻率N2V，螺旋槳轉速N的選擇應避開0.9N2V～1.1N2V，螺旋槳轉速的選擇一般均大于1.1N2V。這樣，在機器啟動與加速時，共振情況只出現(xiàn)在一段很短的時間內(nèi)，不會引起嚴重的后果。第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六五、槳葉外形和葉切面形狀螺旋槳最常用的葉切面形狀有弓型(或稱圓背形)和機翼型兩種。弓型切面的壓力分布較均勻，不易產(chǎn)生空泡，但在低載荷時其效率較機翼型約低3％一4％。若適當選擇機翼型切面的中線形狀使其壓力分布較均勻，則無論對空泡或效率均有益，故商船螺旋槳采用機翼型切面。軍艦螺旋槳及其他高載荷螺旋槳都用寬而薄的弓型切面。第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六§8.4船體—螺旋槳—主機的匹配問題

上面所討論的螺旋槳設計問題，系對船舶在一定情況下選擇效率最佳的螺旋槳，對于普通船舶即指滿載時以全速或用正常馬力航行的情況。顯然，船舶在設計狀態(tài)下航行時，不僅螺旋槳效率最佳，而且船體—螺旋槳—主機間的配合十分完善。但船舶的實際航行狀態(tài)比較復雜，外界情況的改變(例如風浪、污底、航道深度、裝載情況等)直接引起船體阻力的變化，因而航速、螺旋槳的工作情況、主機的功率及轉速等都將發(fā)生變化。第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

螺旋槳及主機裝在船上成為一個復雜的聯(lián)動機構。主機為機械能的發(fā)生器，螺旋槳為能量的轉換器(將主機的旋轉能轉換為推力能)，而船體則為能量的需求者(即螺旋槳的推力能消耗于船體阻力的作功)。因此，船體—螺旋槳—主機之間能量轉換及工作狀態(tài)是相互牽制和相互關聯(lián)的。當船舶在等速直線航行時，主機與螺旋槳之間有下列關系：①運動的：螺旋槳的轉數(shù)等于主機的轉數(shù)；②動力的：螺旋槳所需的轉力矩等于主機所能供給的轉力矩。若螺旋槳與主機之間裝有減速齒輪，則上述關系中尚需引入傳動比作為乘數(shù)。同樣，在船體與螺旋槳之間也存在下列關系：①運動的：螺旋槳的進速等于伴流修正后的船速，即VA＝V(1-ω);②動力的：螺旋槳的有效推力等于船體所受的阻力，即T(1—t)＝R。第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

現(xiàn)討論船速變化(即主機的部分馬力航行)時螺旋槳的工作情況。當船在剛開航時，船速及船體阻力為零，主機以某一轉速帶動螺旋槳，此時螺旋槳的進速系數(shù)J＝0，其發(fā)出之推力啟動船舶作加速運動。其后，船速漸增，阻力加大，螺旋槳的進速系數(shù)也隨之漸增。若轉速保持不變，則推力因進速系數(shù)增加而略減，如轉速繼續(xù)增加，則推力可能續(xù)增。當船速與轉速達到適當?shù)年P系后，螺旋槳發(fā)出的推力恰能克服船體阻力，螺旋槳所遭受的轉力矩亦恰為主機所能供給者，則供求互相平衡，船即以等速度前進，螺旋槳也在一定的進速系數(shù)下工作。

我們可將螺旋槳視為主機的制動器。在某一定船速時增加轉速，則螺旋槳的進速系數(shù)減小，因而發(fā)出較大之推力和吸收較大之轉矩。如因增加轉速所需之轉矩已達到主機所能供給之數(shù)值，則轉速不能再增。第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六三者關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）螺旋槳的有效推進功率不同載況下（壓載、滿載、超載）主機的功率需求不同航速下不同轉速下不同航速下不同航速下不同轉速下相等對應船體螺旋槳主機有效馬力曲線有效推進功率曲線主機特性曲線第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六§8.5螺旋槳圖譜設計舉例一、船舶的主要參數(shù)

船型：單槳，球首，球尾，流線型掛舵，中機型多用途遠洋貨船

設計水線長：LWL=144.20米垂線間長：LPP=140.00米型寬：B=21.80米型深：H=12.50米設計吃水：T=8.90米方形系數(shù)：CB=0.743排水量：Δ=20800噸槳軸中心距基線：ZP=2.95米有效馬力曲線數(shù)據(jù):第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、主機參數(shù)型號蘇爾士6RLB56柴油機最大持續(xù)功率8460hp轉速155rpm轉向右旋三、推進因子伴流分數(shù)w=0.35推力減額分數(shù)t=0.6w=0.21相對旋轉效率ηR=1.0船身效率ηH=1.2154四、最大航速的計算選用MAU4葉槳，取10％功率儲備，軸系效率為ηS=0.97，敞水收到馬力為：第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六采用MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70圖譜列表計算第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)表格計算結果繪制各變量與航速的關系曲線，由PTE與船體滿載PE曲線的交點，可確定不同盤面比的設計槳的參數(shù)P/D、D、δ和η0及設計航速。第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六利用柏利爾空泡限界線進行校核，確定不發(fā)生空泡的最小盤面比。五、空泡校核第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)表格計算結果繪制各變量與盤面比的關系曲線，并繪出盤面比曲線，由需要的盤面比

與盤面比曲線的交點，可確定不發(fā)生空泡的最小盤面比，及相應設計槳的參數(shù)。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六六、強度校核根據(jù)2001年《規(guī)范》，0.25R和0.6R處的切面厚度應不小于下式計算的值第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六可見MAU標準槳葉厚度不滿足強度要求，實際取的連線，確定槳葉厚度分布第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六七、螺距修正取MAU的轂徑比0.18，無需修正設計槳的葉厚度比標準槳大，需進行修正八、重量及慣性矩計算根據(jù)剖面形狀，用近似積分計算：槳葉重量：槳轂重量：螺旋槳總重量：槳葉慣性矩：槳轂慣性矩：螺旋槳總慣性矩：第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六九、敞水性征曲線

由MAU4-40，MAU4-55，P/D=0.684的敞水性征曲線內(nèi)插求得MAU4-54.4，P/D=0.684的敞水性征曲線。第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六十、系柱特性螺旋槳轉矩系柱推力螺旋槳轉速螺旋槳敞水功率第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六十一、螺旋槳設計總結螺旋槳直徑D=4.78米螺距比P/D=0.6825槳型MAU葉數(shù)Z=4盤面比AE/A0=0.544縱傾角ε=8o螺旋槳效率η=0.545設計航速Vmax=15.48節(jié)轂徑比dh/D=0.18旋向右旋材料鋁鎳青銅重量8406.75公斤慣性矩97893.4公斤厘米秒2

第45頁，共49頁，