大连理工大学螺旋桨课程设计汇总.docx
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大连理工大学螺旋桨课程设计汇总
1.设计任务书-1-
1.1课程设计的性质、任务和基本要求-1-
1.2课程设计题目-1-
2.船舶阻力估算及有效马力预报-1-
2.1船体主要参数-1-
2.2有效马力预报-1-
2.3阻力估算-1-
3.螺旋桨图谱初步设计问题-1-
3.1螺旋桨设计图谱，初步确定主机功率及转速-1-
3.2选定主机额定功率及转速-1-
3.2.1最佳转速确定-1-
3.2.2主机功率确定-1-
4.螺旋桨图谱终结设计问题-1-
4.1推进因子的决定-1-
4.2可达到最大航速的计算-1-
4.3空泡校核-1-
4.4强度校核-1-
4.5螺距修正-1-
4.6重量及惯性矩计算-1-
4.6.1桨叶重量Gb（kgf）及惯性矩Ib（kgf·cm·s²）-1-
4.6.2桨榖重量Gh（kgf）及Ih（kgf·cm·s²）-1-
4.6.3螺旋桨总重G-1-
4.6.4螺旋桨总惯性矩-1-
4.7敞水性征曲线的确定-1-
4.8系柱特性计算-1-
4.9航行特性计算-1-
4.10螺旋桨计算总结-1-
5.螺旋桨总图的绘制-1-
6.设计小结-1-
1.设计任务书
1.1课程设计的性质、任务和基本要求
本课程设计的任务是：
使学生能够根据船型主要要素确定有效功率曲线，选定主机功率及转速，根据螺旋桨设计图谱来设计螺旋桨，完成螺旋桨设计计算说明书，绘制螺旋桨总图。
通过课程设计能够加深学生对螺旋桨图谱和结构的理解，培养理论联系实际的能力，为将来走上工作岗位打下一定的基础。
本课程设计的基本要求是：
1.掌握油船阻力估算方法。
2.掌握√BP-δ图谱的应用。
3.掌握螺旋桨基本要素的计算和规范校核的方法。
4.掌握航行特性的计算。
5.熟练绘制螺旋桨总图。
1.2课程设计题目
设计航速14.14kn排水量16009t
2.船舶阻力估算及有效马力预报
2.1船体主要参数
船型：
单桨、球首、球尾、流线型挂舵、中机型多用途远洋船。
表2.1.1母型船主要参数
母型船
排水量Δ
20800
T
设计水线长Lwl
144.20
M
垂线间长Lpp
140.00
M
形宽B
21.80
M
型深H
12.50
M
设计吃水T
8.90
M
方形系数Cb
0.743
M
桨轴中心距基线Zp
2.95
M
根据排水量之比，可得缩尺比：
α=
=0.92，根据缩尺比可得设计船的主要参数，如下：
表2.1.2设计船主要参数
设计船
排水量Δ
16009
t
设计水线长Lwl
132.66
m
垂线间长Lpp
128.80
m
形宽B
20.06
m
型深H
11.50
m
设计吃水T
8.19
m
方形系数Cb
0.743
m
桨轴中心距基线Zp
2.71
m
试航速度V
14.14
kn
2.2有效马力预报
用海军部系数法
=0.96
由海军部系数相同（
），参照母型船数据可得到设计船在各载况下的有效功率如下表：
表2.2.3模型试验提供的有效功率数据
母型船
航速
V/kn
12
13
14
15
16
17
有效功率Pe/hp
满载
2036
2655
3406
4368
5533
7017
压载
1779
2351
3007
3642
4369
5236
110%满载
2239
2921
3747
4805
6086
7719
设计船
航速
V/kn
11.52
12.48
13.44
14.4
15.36
16.32
有效功率Pe/hp
满载
1507
1965
2520
3232
4094
5193
压载
1316
1740
2225
2695
3233
3875
110%满载
1658
2162
2772
3555
4506
5712
根据上表可绘制有效功率曲线如图2.2.1：
图2.2.1有效功率曲线
从曲线上可读取，当V=14.14kn时，对应的有效功率
=3039hp。
2.3阻力估算
由满载有效功率，根据公式
可估算船舶阻力
如下表，并绘制阻力如下：
表2.3.1阻力估算
设计船
航速
V/kn
11.52
12.48
13.44
14.4
15.36
16.32
有效功率Pe/hp
满载
1507
1965
2520
3232
4094
5193
阻力R/KN
满载
187
225
268
321
381
455
图2.3.1船舶阻力曲线
从曲线上读数，当V=14.14kn时，对应的阻力约为306.6KN.
3.螺旋桨图谱初步设计问题
3.1螺旋桨设计图谱，初步确定主机功率及转速
选用B-δ型设计图谱，初步确定主机功率8000hp,转速150r/min。
3.2选定主机额定功率及转速
3.2.1最佳转速确定
4.1推进因子的决定
根据泰洛公式ω=0.5CB-0.05计算伴流分数……………ω=0.322
根据商赫公式t=kω，取k=0.6计算推力减额分数………t=0.193
取相对旋转效率………………………………………………ηR=1.0
船身效率ηH=（1-t）/（1-ω）……………………………ηH=1.1895
轴系效率
=0.97
旋转效率
初步选定螺旋桨直径D由缩尺比关系确定，设计船螺旋桨直径D=4.78*0.92=4.40m。
取不同转速，根据MAU4-55的
图谱列表计算。
计算过程如表3.2.1所示
表3.2.1初步设计确定最佳转速计算表
初步设计确定最佳转速
名称
单位
数据
1
螺旋桨直径D（初步估计）
m
4.40
2
ηH=（1-t）/（1-ω）
1.1895
3
VA=（1-ω）V
kn
9.59
4
PE（初步估计）
hp
3039
3039
3039
3039
5
假定一组转速N
r/min
140
145
150
155
6
直径系数δ=ND/VA
64.24
66.53
68.82
71.12
7
查MAU4-55图谱，由δ等值线与最佳效率曲线的交点得到
P/D
0.7344
0.7178
0.7059
0.6992
η0
0.5858
0.5748
0.5650
0.5539
√BP
5.5254
5.7673
5.9732
6.2091
8
PD=BP2VA5/N2
3857
4268
4589
5018
9
主机马力PS=PD/（ηS·ηR）
hp
3977
4400
4731
5173
1
螺旋桨能克服的有效马力PTE=PD·η0·ηH
hp
2688
2919
3084
3306
图3.2.1最佳转速曲线
由曲线可得，最佳转速为148.67r/min,取整为149r/min。
3.2.2主机功率确定
由图3.2.1插值，取得在主机最佳转速下，Ps=4640hp取10%裕度，得到最大持续功率M.C.R=
=5156hp=3790KW，得主机参数如下所示：
表3.2.2主机参数
型号
MANB&WS40ME-B
最大持续功率（hp）
5034
最大持续功率（kw）
3700
转速（r/min）
142
旋向
右旋
4.螺旋桨图谱终结设计问题
4.1推进因子的决定
根据泰洛公式ω=0.5CB-0.05计算伴流分数……………ω=0.322
根据商赫公式t=kω，取k=0.6计算推力减额分数………t=0.193
取相对旋转效率………………………………………………ηR=1.0
船身效率ηH=（1-t）/（1-ω）……………………………ηH=1.1895
4.2可达到最大航速的计算
采用MAU4叶桨图谱进行计算。
取功率储备10%，轴系效率………………………………………
=0.97
旋转效率
螺旋桨敞水收到马力：
=5034×0.9×ηS×ηR=5034×0.9×0.97×1.0=4395hp
根据MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70的图谱列表计算。
如表4.2.1：
表4.2.1图谱设计的计算表
√BP-δ图谱设计的计算表
项目
单位
数值
假定航速V
kn
13
14
15
16
VA=（1-ω）V
kn
8.814
9.492
10.170
10.848
BP=NPD0.5/VA2.5
55.063
45.751
38.503
32.766
BP0.5
7.420
6.764
6.205
5.724
MAU4-40
δ
74.7724
68.9378
63.5872
59.8798
P/D
0.64156
0.66598
0.69331
0.72584
η0
0.56304
0.5887
0.61378
0.63063
PTE=PDηHη0
hp
2943
3078
3209
3297
MAU4-55
δ
72.7638
67.1785
62.4085
58.5649
P/D
0.69223
0.71303
0.7461
0.76372
η0
0.54638
0.57234
0.59507
0.61354
PTE=PDηHη0
hp
2856
2992
3111
3207
MAU4-70
δ
71.8995
66.1832
61.8732
57.4469
P/D
0.7105
0.73909
0.76056
0.79578
η0
0.52538
0.55008
0.56953
0.58775
PTE=PDηHη0
hp
2747
2876
2977
3072
根据上表计算结果，可绘制对V的曲线，如4.2.1图：
图4.2.1MAU4桨图谱设计计算图
从PTE-V曲线与船体满载有效马力曲线的交点，可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D、D及η0。
表4.2.2按图4.2.1设计计算的最佳要素
MAU
Vmax/kn
P/D
δ
η0
D/m
4-40
14.252
0.6787
68.11
0.5954
4.635
4-55
14.117
0.7166
66.57
0.5752
4.487
4-70
13.935
0.7376
66.51
0.5549
4．425
4.3空泡校核
按柏利尔空泡界限线中的商船上限线，计算不发生空泡的最小展开面积比。
桨轴埋深hs=T-ZP=8.19-2.71=5.48m。
p0-pV=pa+γhS-pV=10330+1025×5.48-174=15773（kgf/m2）
计算温度t=15ºC，PV=174kgf/㎡，PD=4395hp，ρ=104.63kgf·s2/m4,列表计算，如表4.3.1所示：
4.3.1空泡校核计算结果
空泡校核计算结果
项目
单位
数值
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
Vmax
kn
14.252
14.117
13.935
VA=0.5144Vmax（1-ω）
m/s
5
4.923
4.86
（0.7πND/60）2
（m/s）2
582
545.4
530.4
V0.7R2=VA2+（0.7πND/60）2
（m/s）2
607
569.6
554
σ=（po-pv）/0.5ρV0.7R²
0.5
0.529
0.544
Τc（查柏利尔限界线）
0.2
0.21
0.22
T=PD•ηo•75/VA
kgf
39484
38509
37635
AP=T/0.5ρV0.7R²•τc
m2
6.221
6.154
5.902
AE=AP/（1.067-0.229P/D）
m2
6.890
6.816
6.572
AE/Ao=AE/（πD²/4）
0.408
0.431
0.427
图4.3.1空泡校核图
根据上表中的计算结果，可作出空泡校核结果图4.3.1，从图中可得不发生空泡的最小盘面比，以及其所对应的最佳螺旋桨要素，如表4.3.2所示：
表4.3.2最佳螺旋桨要素
AE/A0
P/D
D/m
η0
V/kn
0.4294
0.7120
4.503
0.5780
14.099
4.4强度校核
按2001年《规范》校核t0.25R及t0.6R,（见下表），应不小于按下式计算之值：
计算功率
Ne=5034×0.97=4882.98（hp）=3589KW。
Ad=AE/AO=0.4294，P/D=0.7120，ε=8°，G=7.6g/cm3，N=ne=142r/min
b0.66R=0.226DAd/（0.1Z）=0.226×4.503×0.4294/0.4=1.0925（m）
b0.25R=0.7212b0.66R=0.7879mb0.6R=0.9911b0.66R=1.0828m。
列表进行强度校核，如表4.4.1所示：
表4.4.1强度校核计算表
强度校核计算表
项目
单位
数值
0.25R
0.60R
弦长b
m
0.7879
1.0828
K1
查书表7-2
634
207
K2
250
151
K3
1410
635
K4
4
34
A1=D/P（K1-K2D/P0.7）+K3D/P0.7-K4
1951
851
Y=1.36A1Ne/（Zbne）
21279
6754
K5
查书表7-2
82
23
K6
34
12
K7
41
65
K8
380
330
A2=D/P（K5+K6ε）+K7ε+K8
1205
1017
材料系数K（铝镍青铜）
1.179
1.179
X=A2GAdne²D³/（1010Zb）
0.2298
0.1411
t=（Y/（K-X））½
mm
149.7227
80.6667
MAU标准桨叶厚度t′
mm
183
104.2
校核结果
满足要求
满足要求
实取桨叶厚度
mm
150
87.355
实际桨叶厚度按
=0.0035D=15.76mm与
=150mm连直线决定，根据最小二乘法该直线拟合公式为t=-178.987（r/R）+194.747
图4.3.2拟合的直线
表4.4.2实际桨叶各半径处厚度表
厚度
数值
单位
厚度
数值
单位
t0.2
158.949
Mm
t0.6
87.355
mm
t0.3
141.051
Mm
t0.7
69.456
mm
t0.4
123.152
Mm
t0.8
51.557
mm
t0.5
105.254
Mm
t0.9
33.659
mm
4.5螺距修正
由（PD/N）1/3=（4395/142）1/3=3.140，根据《船舶原理（下）》中图8-40查得桨轴直径dt=385mm，毂径dh=（1.8~2.1）dt=（1.8~2.1）×385=693~808.5（mm），取dh=808mm,则毂径比dh/D=808÷4503=0.18，故无需对此进行修正。
由于实桨厚度小于MAU标准桨厚度，故需对厚度差异进行螺距修正。
设计桨
取MAU4-55为标准桨，
（取MAU4-55为基准桨）
因此，修正后的螺距比为
4.6重量及惯性矩计算
4.6.1桨叶重量Gb（kgf）及惯性矩Ib（kgf·cm·s²）
已知：
材料重量密度γ=7800kgf/m³；桨叶最大宽度bmax=1.0925m。
表4.6.1辛普生计算数据表
1）
2）
3）
4）
5）
6）
7）
8）
9）
10）
11）
12）
r/R
Ka
b/m
t/mm
b*t/m^2
S/m^2
辛氏系数
6）*7）
r
r^2
8）*9）
8）*10）
0.2
0.674
0.7125
158.949
0.1133
0.0763
1
0.0763
0.2R
0.04R^2
0.0153
0.0031
0.3
0.674
0.8549
141.051
0.1206
0.0813
4
0.3251
0.3R
0.09R^2
0.0975
0.0293
0.4
0.674
0.9641
123.152
0.1187
0.0800
2
0.1600
0.4R
0.16R^2
0.0640
0.0256
0.5
0.6745
1.0400
105.254
0.1095
0.0738
4
0.2953
0.5R
0.25R^2
0.1477
0.0738
0.6
0.6745
1.0828
87.355
0.0946
0.0638
2
0.1276
0.6R
0.36R^2
0.0766
0.0459
0.7
0.677
1.0923
69.456
0.0759
0.0514
4
0.2054
0.7R
0.49R^2
0.1438
0.1007
0.8
0.683
1.0686
51.557
0.0551
0.0376
2
0.0753
0.8R
0.64R^2
0.0602
0.0482
0.9
0.695
1.0117
33.659
0.0341
0.0234
4
0.0947
0.9R
0.81R^2
0.0852
0.0767
1.0
0.7
0
1
1
1
0
0
求和
0.3598
0.6903
0.4032
采用辛普生积分法计算得
1）每片桨叶重量
kgf
2）4个叶片的重量=854.308×4=3417.273kgf
3）每片桨叶体积惯性矩=
0.290
4）每片桨叶质量惯性矩=
×每片叶体积惯性矩=
×0.290=23091.779
5）四片叶的质量惯性矩
92367.117
4.6.2桨榖重量Gh（kgf）及Ih（kgf·cm·s²）
（由螺旋桨图绘制完成后进行）
螺旋桨桨轴直径dt=385mm
螺旋桨毂径dh=（1.8~2.1）dt取dh=808mm
毂前径d2=（0.75~0.90）dh=666.6mm
毂后径d1=（1.05~1.15）dh=888.8mm
轴毂配合锥度K=1/13=0.0769；毂长L0=100+dh=0.908m；
根据辛普生积分法，可得桨毂重量
=8673.028kgf·cm·s²。
4.6.3螺旋桨总重G
G=Gb+Gb=6251.55kgf。
4.6.4螺旋桨总惯性矩
I=101040.1kgf·cm·s²。
4.7敞水性征曲线的确定
由MAU4-55、MAU4-70、P/D=0.662的敞水性征曲线内插得到MAU4-42.9、P/D=0.7064的敞水性征曲线图4.7.1，其数据，即推力系数，转矩系数和敞水效率见表4.7.1。
图4.7.1设计桨的敞水性征曲线
表4.7.1设计桨的敞水性征数据表
MAU4-42.9，P/D=0.7064
J
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
KT
0.298
0.274
0.240
0.219
0.179
0.144
0.099
0.060
10KQ
0.313
0.297
0.269
0.247
0.219
0.181
0.139
0.101
η0
0.000
0.157
0.297
0.421
0.527
0.623
0.671
0.671
4.8系柱特性计算
由敞水性征曲线得：
当J=0时，KT=0.296，KQ=0.0313。
计算功率PD=5034×0.97=4882.98（hp）
系柱推力减额分数t0=0.193
主机转矩
系柱推力
螺旋桨转速
4.9航行特性计算
转速为142r/min,132r/min,122r/min进行计算，结果如表4.9.1所示：
表4.9.1航行特性计算表
将上述数据绘制成设计桨航行曲线如下：
图4.9.1航行特性曲线
压载航行时：
最大航速Vmax=14.88kn,
主机马力PS=2426hp；
满载航行N=142r/min时：
最大航速Vmax=14.10kn,
主机马力PS=2580hp；
110％超载航行时：
最大航速Vmax=13.67kn,
主机马力PS=2650hp；
与设计要求基本一致。
4.10螺旋桨计算总结
表4.10.1螺旋桨计算总结表
项目
数值
单位
螺旋桨直径D
4.503
M
螺距比P/D
0.7064
型式
MAU
叶数Z
4
盘面比AE/A0
0.4294
纵倾角ε
8
°
螺旋桨效率η0
0.5780
设计航速Vmax
14.099
Kn
毂径比dh/D
0.18
旋向
右旋
材料
铝镍青铜
重量G
6251.55
Kgf
惯性矩I
101040.1
kgf·cm·s²
5.螺旋桨总图的绘制
用1号（或2号）图纸完成螺旋桨总图的绘制
6.设计小结
本计算过程参考《船舶原理（下册）》及有关资料的设计方法和流程，根据所给的船舶排水量和设计航速等要素，参考母型船，计算出所需桨的相关要素及设计船的某些航行特性，通过与《船舶原理（下册）》P147-149的算例的对比，可以发现计算结果较为准确。
但是在设计和计算过程中，仍存在着一些不足之处有待改进和完善：
1在2.2有效马力预报部分，母型船和设计船有效功率换算，由于不知道设计船其他压载状
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