螺旋桨设计与绘制讲解.docx

1、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

2、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

3、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

4、桨螺旋桨标准商船公式进行计算：t 0.50CP 0.12 0.22主机的轴系传递效率： s 0.97相对旋转效率： R 1.00船身效率： H 1 t 1.3111.1.3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/kn1515.51616.517有效功率 PE(hp)满载50445600621168957675110%满载5

5、5486160683275848442航速V/kn17.51818.51919.5有效功率 PE(hp)满载85669522105401166313195110%满载942310474115941282914514航速V/kn2020.52121.522有效功率 PE(hp)满载1541018523226692789934192110%满载1695120375249353068937611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

6、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m6.621tHH11.313VA (1 )Vkn10.434PEhp85665假定一组转速 Nr/min951001051101156直径系数 ND /VA60.1263.2866.4469.6172.777查 MAU4-55 图谱，由 等值线和最佳效率曲线的交点得到P/D0.7620.7420.7240.7040.68600.6060.5930.5760.5640.548Bp5.095.415.726.026.348P BP2VA5PD N 2918010573119851339

7、7150799主机马力 Ps PD / s R94641090012355138121554610计算螺旋桨能克服的有效马力 PTE PD 0 H728882149043989910825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

8、算取功率储备 10%，轴系效率 s 0.97螺旋桨敞水收到马力：PD =13250 0.9 s R 11567.25( 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kn16171819VA (1 )Vkn9.53610.13210.72811.324续表 4- 4 按 Bp- 图谱设计的计算表Bp NPD0.5 /VA2.539.06633.57229.10225.422Bp6.2505.7945.3955.042MAU4-4073.468.664.561.1P/D0.6510.6740

9、.6960.71800.5670.5880.6070.625hp8592891091989471PTE PD H 0MAU4-5572.16763.159.6P/D0.6970.720.7430.76800.5520.5730.5930.61PTE PD H 0hp8365868389869243MAU4-7070.866.562.658.9P/D0.7070.730.7590.78300.5320.5510.5670.582PTE PD H 0hp8061834985928819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

10、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MAUVmax/knP/DD/m04-4017.810.69165.26.790.6044-5517.660.73664.26.620.5874-7017.430.74164.86.600.559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

11、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：ZP 3. 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MAU4-40MAU4-55MAU4-701AE / A00.40.550.72Vkn17.8117.6617.433p0 pa hs2 kgf.m17648.

12、517648.517648.54VA 0.515(1 )V1m.s5.475.425.35续表 4- 7 空泡校核计算结果5VA212(m.s 1)229.8829.3828.626Dm6.796.626.607N0.7 D60m.s125.3824.7524.67820.7 N D6012(m.s 1)2644.37612.51608.819V0.7R 2 VA2 0.7 6N0D12(m.s 1)2674.25641.89637.431035273.4233580.3433347.2420.5 V0.7Rkgf.m 2110.7R p0 / (0.5 V0.7R2)0.5000.5260.

13、52912查商船螺旋桨空泡0.1770.18320.18413推力145.6 PET= E (1 t )Vkgf96042.6394050.1490727.9514需要投射面积Ap T / c0.5 V0.7 R2m215.3815.2914.7915需要投射面积AE =Ap / (1.067 0.229 P/D)m216.9317.0216.4816A0 4 D 2m236.2134.3234.2117需要盘面比 AE / A00.4670.4960.482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 / A00.487 P/ D 0

14、.72 D 6. 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：tY Y 1. 36A1N A2GAd N 2D3Y X 10K X Zb

15、n 1010 Zb计算功率 Ne13250 0.9 0.97 9453kwAd AE / A00.487 P/D=0.72 10o G 7.6g / cm3 N n 102r /minb0.66R 0.226DAd / 0.1Z 0.226 6.68 0.487/ 0.4 1.8380mb0.25 R 0.7212b0.66R =1.3256mb0.6R 0.9911b0.66R 1.8217 m表 4- 8 强度校核计算表项目数值单位0.25R 0.6R34续表 4-6 强度校核计算表X A2GAd N2 D3 /1010 Zb0.297890.185657t Y/(K X)mm227.33

16、23110.57MAU 标准桨叶厚度 tmm255.51145.624校核结果满足要求满足要求实际桨叶厚度按 t1.0R 0.0035D 23.38mm 与t0.25R =255.51mm 连直线决定t0.2R270.985 mm, t0.3R240.035mmt0.4R209.084mm,t0.5R178.133mmt0.6R147.183mm,t0.7R116.232mmt0.8R85.2813mm,t0.9R54.331mm1.1.8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

17、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 / D 0.18 ，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：t0.7 0.0171D 112.86 mm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0.1162 0.063450.9964 1.8380修正后的螺距比：DD1.1.9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

18、海洋工程设计研究院提出的公式：桨叶重： Gb1 0.169 Zbmax (0.5t0.2 t0.6)(1 d /D)D(kgf ) (4-1)桨毂重： Gn (0.88 0.6d0 /d)Lk d2(kgf ) (4-2)螺旋桨重： G Gb1 Gn ( 4-3)螺旋桨惯性矩：Imp 0.0948 Zbmax(o.5t0.2 t0.6)D3(kgf.cm.s2)(d /D 0.18) (4-4) 式中：最大宽度 bmax 1.8380m主机最大持续功率情况下螺旋桨的收到马力 PD 11567.25hp 螺旋桨在相应收到马力下的转速： N 102r / min0.2R和 0.6R处切面的最大厚度

19、 t0.2 0.27098m,t0.6 0.14718m 轴毂配合的锥度： K 1/13毂长： Lk d 0.1 1.3m材料重量密度： 7.6g /cm3 7600kg /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：1/3d0 0.045 0.108(PD / N)1/3 KLk /2 0.51776 m代入 4-1、4-2、4-3、4-4 计算得到：桨叶重量 Gb1 14620. 95789kgf桨毂重量 Gn 8836. 79846kgf螺旋桨惯性矩 I mp 446309. 9143kgf cm s21.1.10敞水特征曲线之确定由 M

20、AU4-40 、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J00.10.20.30.40.50.60.7KT0.32220.29280.26140.22740.18960.14750.09850.051410KQ0.35000.32540.29680.26690.23400.19760.15520.106700.00000.16110.30220.43430.55290.65320.72360.65931.1.11系

21、柱特性计算系柱推力减额分数取 t 0 0.04主机转矩 Q PD 60 752N12852. 5 60 752 10290244. 36kgfm系柱推力KTQ 0.322 90244.36T T 124288.64kgfKQD 0.035 6.68螺旋桨转速N 60 T / D4KT 87. 67r / min1.1.12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Vkn1516171819VA 0.5144(1 )Vm/s4.5994.9055.2125.5185.825N=102r/J VA

22、/ nD0.4050.4320.4590.4860.513minKT0.1880.1760.1650.1540.142续表 4- 11 航行特性计算表KQ0.02320.02230.02120.02020.0192PTE KT n2D4(1 t)V /145.6hp90969083904789418702hp1370013169125191192811338PS KQ2 n n2D5/ 75 s ? RN=94r/ minJ VA / nD0.4390.4690.4980.5270.557KT0.1730.1590.1480.1350.12KQ0.0220.02090.01990.01870.

23、0173PTE KT n2D4(1 t)V /145.6hp7109696968926657624625PS KQ2 n n2D5/75 s? Rhp101689660919786437996N=86r/ minJ VA / nD0.4800.5120.5440.5760.608KT0.1560.1390.1240.110.098KQ0.02030.01920.01780.01630.015PTE KT n2D4(1 t)V /145.653655099483345404269PS KQ2 n n2D5 / 75 s? R71856796630057695309由上述结果可绘制图 4-7。由图

24、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 89 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

25、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 arctan P ；式中： P2r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 H 0 ，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

26、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/R0.20.30.40.50.60.70.80.90.95叶宽1223.01428.11600.51734.01821.61831.41707.91353.11022.3随边513.9614.8712.4800.3881.5943.4962.9891.2773.2导边709.1813.3888.1933.7940.1887.9744.9461.9249.0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