螺旋桨设计与绘制讲解.docx
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螺旋桨设计与绘制讲解
第1章螺旋桨设计与绘制
1.1螺旋桨设计
螺旋桨设计是船舶快速性设计的重要组成分。
在船舶型线初步设计完成后，通过有效马力的估算获船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。
在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又能使消耗的主机马力最小；或者当主机已经选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。
螺旋桨的设计问题可分为两类，即初步设计和终结设计。
螺旋桨的初步设计：
对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速计效率决定主机的转速及马力。
终结设计：
主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。
在本文中，根据设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.6m，进行初步设计，获得所需主机的马力和主机转速，然后选定主机；根据选定的主机，计算最佳的螺旋桨要素及所能达到的最大航速等。
1.1.1螺旋桨参数的选定
（1）螺旋桨的数目
选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、震动、操纵性能及主机能力等各方面因素。
若主机马力相同，则当螺旋桨船的推进效率高于双螺旋浆船，因为单螺旋桨位于船尾中央，且单桨的直径较双桨为大，故效率较高。
本文设计船的设计航速约为17.5kn的中速船舶，为获得较高的效率，选用单桨螺旋桨。
（2）螺旋桨叶数的选择根据过去大量造成资料的统计获得的桨叶数统计资料，取设计船螺旋桨的叶数为4叶。
考虑到螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，在图谱设计中，单桨商船的桨叶数也选为4叶。
（3）桨叶形状和叶切面形状螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼型两种。
弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载时效率较机翼型约低3%~4%。
若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商用螺旋桨
采用机翼型切面
根据以上分析，选择MAU4叶桨系列进行螺旋桨设计。
1.1.2螺旋桨推进因子螺旋桨的伴流分数取螺旋桨以等推力法进行敞水实验获得的实效伴流：
0.404
推力减额按照汉克歇尔关于单桨螺旋桨标准商船公式进行计算：
t0.50CP0.120.22
主机的轴系传递效率：
s0.97
相对旋转效率：
R1.00
船身效率：
H1t1.31
1
1.1.3有效马力曲线
有效马力曲线表征的是船体阻力特征。
通过近似估算获船模阻力计算实验来确定船体的有效马力曲线。
对应于不同装载情况下有不同的有效马力曲线，常用的为满载和压载。
考虑到由于风浪或污底等情况，尚需增加一定百分数的有效马力预度。
本文取满载和110%满载情况进行设计。
表4-1有效马力曲线
航速
V/kn
15
15.5
16
16.5
17
有效功率PE（hp）
满载
5044
5600
6211
6895
7675
110%满载
5548
6160
6832
7584
8442
航速
V/kn
17.5
18
18.5
19
19.5
有效功率PE（hp）
满载
8566
9522
10540
11663
13195
110%满载
9423
10474
11594
12829
14514
航速
V/kn
20
20.5
21
21.5
22
有效功率PE（hp）
满载
15410
18523
22669
27899
34192
110%满载
16951
20375
24935
30689
37611
根据上表可绘制设计船在满载情况下的有效马力曲线
图4-1有效马力曲线
1.1.4初步设计
根据有效马力曲线，设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.60m，以MAU4-55系列桨为基础，计算所需的主机马力和最佳转速。
具体的计算表格见表4-2
表4-2初步设计确定最佳转速的计算
序号
名称
单位
数据
1
螺旋桨直径
m
6.6
2
1t
H
H1
1.31
3
VA
（1）V
kn
10.43
4
PE
hp
8566
5
假定一组转速N
r/min
95
100
105
110
115
6
直径系数ND/VA
60.12
63.28
66.44
69.61
72.77
7
查MAU4-55图谱，由等值线和最佳效率曲线的交点得到
P/D
0.762
0.742
0.724
0.704
0.686
0
0.606
0.593
0.576
0.564
0.548
Bp
5.09
5.41
5.72
6.02
6.34
8
PBP2VA5
PDN2
9180
10573
11985
13397
15079
9
主机马力PsPD/sR
9464
10900
12355
13812
15546
10
计算螺旋桨能克服的有
效马力PTEPD0H
7288
8214
9043
9899
10825
有上表可绘制确定最佳转速的图，如图4-2.
根据PE和PTE的交点可获得：
最佳转速为N=102r/min，所需主机马力为11500hp，
P/D=0.732，0=0.582。
图4-2确定转速的计算结果
1.1.5终结设计
根据初步设计的结果，选定主机型号为苏尔寿5RTA68柴油机一台，最大持续功率为13250hp，转速为102r/min，旋向为右旋。
采用MAU4叶桨图谱进行计算
取功率储备10%，轴系效率s0.97
螺旋桨敞水收到马力：
PD=132500.9sR11567.25（hp）
根据MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70的Bp-图谱列表计算
表4-3按Bp-图谱设计的计算表
项目
单位
数值
假定航速
kn
16
17
18
19
VA
（1）V
kn
9.536
10.132
10.728
11.324
续表4-4按Bp-图谱设计的计算表
BpNPD0.5/VA2.5
39.066
33.572
29.102
25.422
Bp
6.250
5.794
5.395
5.042
MAU4-40
73.4
68.6
64.5
61.1
P/D
0.651
0.674
0.696
0.718
0
0.567
0.588
0.607
0.625
hp
8592
8910
9198
9471
PTEPDH0
MAU4-55
72.1
67
63.1
59.6
P/D
0.697
0.72
0.743
0.768
0
0.552
0.573
0.593
0.61
PTEPDH0
hp
8365
8683
8986
9243
MAU4-70
70.8
66.5
62.6
58.9
P/D
0.707
0.73
0.759
0.783
0
0.532
0.551
0.567
0.582
PTEPDH0
hp
8061
8349
8592
8819
根据上表的计算结果可绘制PTE、、P/D及0对V的曲线，如图4-3.从PTE-f（V）曲线与满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D，D及0，如表4-4.
表4-5按图4-3设计计算的最佳要素
MAU
Vmax/kn
P/D
D/m
0
4-40
17.81
0.691
65.2
6.79
0.604
4-55
17.66
0.736
64.2
6.62
0.587
4-70
17.43
0.741
64.8
6.60
0.559
图4-3MAU4叶桨图谱设计计算结果
1.1.6空泡校核
螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，成为空泡。
一旦桨叶上出现空泡，或导致桨叶表面材料的剥蚀，或时螺旋桨性能恶化。
因此，在设计螺旋桨时，应考虑其是否发生空泡或空泡发展的程度，故需进行空泡现象的预测，以便确定所设计的螺旋桨是否符合要求。
目前常使用螺旋桨模型空泡实验或大量实船资料整理所得的图谱，或由统计数据归纳而成的近似公式进行空泡校核。
本文按波利尔空泡界限中商船上界限，计算不发生空泡的最小展面比：
ZP3.68m
图4-4波利尔空泡接线图
浆轴中心距基线
表4-6空泡校核计算结果
序号
项目
单位
数据
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
1
AE/A0
0.4
0.55
0.7
2
V
kn
17.81
17.66
17.43
3
p0pahs
2kgf.m
17648.5
17648.5
17648.5
4
VA0.515
（1）V
1
m.s
5.47
5.42
5.35
续表4-7空泡校核计算结果
5
VA2
12
（m.s1）2
29.88
29.38
28.62
6
D
m
6.79
6.62
6.60
7
N
0.7D
60
m.s1
25.38
24.75
24.67
8
2
0.7ND
60
12
（m.s1）2
644.37
612.51
608.81
9
V0.7R2VA20.76N0D
12
（m.s1）2
674.25
641.89
637.43
10
35273.42
33580.34
33347.24
2
0.5V0.7R
kgf.m2
11
0.7Rp0/（0.5V0.7R2）
0.500
0.526
0.529
12
查商船螺旋桨空泡
0.177
0.1832
0.184
13
推力
145.6PE
T=E（1t）V
kgf
96042.63
94050.14
90727.95
14
需要投射面积
ApT/c0.5V0.7R2
m2
15.38
15.29
14.79
15
需要投射面积
AE=Ap/（1.0670.229P/D）
m2
16.93
17.02
16.48
16
A04D2
m2
36.21
34.32
34.21
17
需要盘面比AE/A0
0.467
0.496
0.482
根据表4-5计算结果作图4-5，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的的最佳螺旋桨要素。
AE/A0
0.487P/D0.72D6.68m
图4-5空泡校核计算结果
1.1.7强度校核
为了保证船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。
为此，在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定桨叶的厚度分布。
螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力油轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。
螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸。
若桨叶具有测斜或纵斜，则离心力还要使桨弯曲。
按2001年
《规范》校核t0.25R及t0.6R，如表4，应不小于按下式计算之值：
t
YY1.36A1NA2GAdN2D3
YX10
KXZbn1010Zb
计算功率Ne
132500.90.979453kw
AdAE/A0
0.487P/D=0.7210oG7.6g/cm3Nn102r/min
b0.66R0.226DAd/0.1Z0.2266.680.487/0.41.8380m
b0.25R0.7212b0.66R=1.3256m
b0.6R0.9911b0.66R1.8217m
表4-8强度校核计算表
项目
数值
单位
0.25R0.6R
34
续表4-6强度校核计算表
XA2GAdN2D3/1010Zb
0.29789
0.185657
tY/（KX）
mm
227.3323
110.57
MAU标准桨叶厚度t`
mm
255.51
145.624
校核结果
满足要求
满足要求
实际桨叶厚度按t1.0R0.0035D23.38mm与t0.25R=255.51mm连直线决定
t0.2R
270.985mm,t0.3R
240.035mm
t0.4R
209.084mm,t0.5R
178.133mm
t0.6R
147.183mm,t0.7R
116.232mm
t0.8R
85.2813mm,t0.9R
54.331mm
1.1.8螺距修正
螺旋桨设计中，有些参数旺旺与所用系列螺旋桨不同，例如按上述强度计算所得到的桨叶厚度小于所选用的系列桨的厚度时，尚可直接采用系列桨的厚度及厚度分布，其缺点是浪费材料。
有的设计螺旋桨的毂径比不同于系列螺旋桨。
在这种情况下，不许对螺旋桨的螺距进行修正，使两者的性能相同。
根据尾轴直径大小，确定觳径比dh/D0.18，此值比与MAU标准觳径比相同，故对此项不需要进行螺距修正
0.7R处标准桨厚度：
t0.70.0171D112.86mm
由于实际桨叶厚度大于MAU桨标准厚度，故需因厚度差异进行螺距修正
0.11620.06345
0.99641.8380
修正后的螺距比：
DD
1.1.9重量及惯性矩计算
在螺旋桨设计中，必须进行重量和惯性矩的估算，以提供轴系计算、工厂备料以及离心力计算等需要。
根据中国船舶及海洋工程设计研究院提出的公式：
桨叶重：
Gb10.169Zbmax（0.5t0.2t0.6）（1d/D）D（kgf）（4-1）
桨毂重：
Gn（0.880.6d0/d）Lkd2（kgf）（4-2）
螺旋桨重：
GGb1Gn（4-3）
螺旋桨惯性矩：
Imp0.0948Zbmax（o.5t0.2t0.6）D3（kgf.cm.s2）（d/D0.18）（4-4）式中：
最大宽度bmax1.8380m
主机最大持续功率情况下螺旋桨的收到马力PD11567.25hp螺旋桨在相应收到马力下的转速：
N102r/min
0.2R和0.6R处切面的最大厚度t0.20.27098m,t0.60.14718m轴毂配合的锥度：
K1/13
毂长：
Lkd0.11.3m
材料重量密度：
7.6g/cm37600kg/m3
桨毂直径：
d=1.2m
桨叶数：
z=4
螺旋桨直径：
D=6.68m桨毂长度中央处轴径：
1/3
d00.0450.108（PD/N）1/3KLk/20.51776m
代入4-1、4-2、4-3、4-4计算得到：
桨叶重量Gb114620.95789kgf
桨毂重量Gn8836.79846kgf
螺旋桨惯性矩Imp446309.9143kgfcms2
1.1.10敞水特征曲线之确定
由MAU4-40、MAU4-55，P/D=0.712的敞水特征曲线内插得到MAU4-48.7，
P/D=0.712的敞水性特征曲线，见图4-6，其数据见表4-7
图4-6设计桨的敞水特征曲线
表4-9设计桨敞水特征数据表
J
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
KT
0.3222
0.2928
0.2614
0.2274
0.1896
0.1475
0.0985
0.0514
10KQ
0.3500
0.3254
0.2968
0.2669
0.2340
0.1976
0.1552
0.1067
0
0.0000
0.1611
0.3022
0.4343
0.5529
0.6532
0.7236
0.6593
1.1.11
系柱特性计算
系柱推力减额分数取t00.04
主机转矩QPD6075
2N
12852.56075
2102
90244.36kgfm
系柱推力
KTQ0.32290244.36
TT124288.64kgf
KQD0.0356.68
螺旋桨转速
N60T/D4KT87.67r/min
1.1.12航行特征计算
取转速为102r/min，94r/min，86r/min进行计算，结果如下表所示：
表4-10航行特性计算表
项目
单位
数值
V
kn
15
16
17
18
19
V
A0.5144
（1）V
m/s
4.599
4.905
5.212
5.518
5.825
N=102r/
JVA/nD
0.405
0.432
0.459
0.486
0.513
min
KT
0.188
0.176
0.165
0.154
0.142
续表4-11航行特性计算表
KQ
0.0232
0.0223
0.0212
0.0202
0.0192
PTEKTn2D4（1t）V/145.6
hp
9096
9083
9047
8941
8702
hp
13700
13169
12519
11928
11338
PSKQ2nn2D5/75s?
R
N=94r/min
JVA/nD
0.439
0.469
0.498
0.527
0.557
KT
0.173
0.159
0.148
0.135
0.12
KQ
0.022
0.0209
0.0199
0.0187
0.0173
PTEKTn2D4（1t）V/145.6
hp
7109
6969
6892
6657
6246
25
PSKQ2nn2D5/75s?
R
hp
10168
9660
9197
8643
7996
N=86r/min
JVA/nD
0.480
0.512
0.544
0.576
0.608
KT
0.156
0.139
0.124
0.11
0.098
KQ
0.0203
0.0192
0.0178
0.0163
0.015
PTEKTn2D4（1t）V/145.6
5365
5099
4833
4540
4269
PSKQ2nn2D5/75s?
R
7185
6796
6300
5769
5309
由上述结果可绘制图4-7。
由图中可求超满载航行时可达最大航速约为V=15.31kn.，主机马力为12320hp。
满载航行时，可达到最大航速约为V=17.731，主机马力为12080hp，与设计要求基本一致。
图4-7航行特征曲线
1.2螺旋桨绘图
在螺旋桨的设计计算后，即需绘制螺旋桨的总图，以供制造需要。
在螺旋桨总图上需画出桨叶的伸张轮廓、投射轮廓、以及侧投影轮廓。
在伸张轮廓上画出若干半径处的切面形状（一般画8~9个切面），在侧投影轮廓图上画出桨叶的最大厚度线，桨叶的界限轮廓线，并需要注出桨毂的主要数据。
此外，在总图上尚需注明螺旋桨的主要尺度、各种比值以及必要的说明。
1.2.1投射原理
螺旋桨的投射原理是螺旋桨绘图的基础。
图4-8是一机翼型切面的螺旋桨水平放置且叶面向下的情形
图4-8机翼型切面螺旋桨投影原理图
由4-8可知，如果以半径r（与螺旋桨同轴）的圆柱面和桨叶相交，则得螺
P
旋线B0A0C0；在图4-8（b）的螺距三角形中，螺距角arctanP；式中：
P
2r
为螺距（m）；r为切面所在半径（m）。
对于图4-8所示的机翼形切面来说，从正投影方向所见到的是切面最外边的两点J0和H0，从侧投影方向所见到的则是切面最外边的两点S0和H0，即图4-8（b）上的J、H和S、H对应的点。
因此在制图时应该根据J点和H点求正投影轮廓（或称投射轮廓），而据S点和H点求侧投影轮廓。
1.2.2伸张轮廓的绘制螺旋桨的设计计算决定了螺旋桨各半径处切面形状和桨叶的伸张轮廓。
根据设计得到的螺旋桨直径、叶数、螺距，查MAU型螺旋桨桨叶轮廓表，计算出各半径处的叶片宽度、母线到叶片导边的距离以及母线到叶片随边的距离；根据设计决定的各半径处的桨叶厚度，查MAU型叶切面尺寸表，计算叶厚随叶宽的分布情况，决定设计桨的叶切面形状。
表4-12设计螺旋桨桨叶轮廓尺寸表
r/R
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.95
叶宽
1223.0
1428.1
1600.5
1734.0
1821.6
1831.4
1707.9
1353.1
1022.3
随边
513.9
614.8
712.4
800.3
881.5
943.4
962.9
891.2
773.2
导边
709.1
813.3
888.1
933.7
940.1
887.9
744.9
461.9
249.0
根据表4-9以及叶切面尺寸表可绘制伸张轮廓以及最大厚度线
图4-9螺旋桨伸张轮廓图
1.2.3投射轮廓的绘制根据投影原理，可以从伸张轮廓上的切面长度求出正投影图上相应半径的圆弧长度，从而作出投射轮廓。
参阅图4-10，以半径r=OA处的切面为例，其作图的具体步
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