某內河拖船螺旋槳設計

摘 要：螺旋槳設計是整個船舶設計的重要組成部分。影響螺旋槳推進性能的因素很多，在本設計過程中主要對螺旋槳的直徑、螺距比、盤面比、槳葉輪廓形狀等因素進行研究，并結合在工作中積累的經驗，設計一艘性能較好的內河A級拖船的螺旋槳。

關鍵詞：螺旋槳；直徑；螺距比；盤面比；槳葉輪廓形狀

中圖分類號：662.2 文獻標識碼：A

1 引言

船舶在水面航行時遭受阻力，為了使船舶能保持一定的速度向前航行，必須供給船舶一定的推力，螺旋槳即為船舶提供推力。影響螺旋槳推進性能的因素很多，在處理這些因素時，一般都從螺旋槳的效率、空泡、強度、工藝和振動等方面作統盤考慮。

2 設計過程及結果分析

2.1 船體主尺度及船型系數

2.2 有效馬力估算

有效馬力估算采用茲萬科夫法，見表1。

2.3 螺旋槳要素選取及結果分析

2.3.1 螺旋槳要素選取（表2）

2.3.2 空泡校核 （伯利爾限界線，表4）

經計算可知，滿足空泡要求的最小盤面比約為Ae/Ao=0.65。根據MAU4～40、MAU4～55、MAU4～70按內插法可知，在該盤面比下的螺距P/D=0.807，敞水效率ηo=0.461。

2.4 推力曲線及自由航速計算

拖船有兩種典型的航行狀態：自航狀態和拖航狀態。拖船在自由航行狀態時，螺旋槳發出的推力只用于克服自身船體阻力；在拖帶航行時，除了克服船體自身阻力外，還需要克服拖鉤上的拉力。兩種不同工況螺旋槳的工作狀態相差很大。

一般來說，可以根據拖船的使用情況來決定螺旋槳的設計工況。例如，專門用于拖帶駁船隊的拖船，其大部分工作時間用于拖帶，則以拖帶狀態設計螺旋槳。本設計項目就以拖帶狀態設計螺旋槳。

2.4.1 設計航速時的有效推力（表5）

表5 設計航速時的有效推力

拖船的螺旋槳通常是按設計航速Vs設計的。要計算設計航速時螺旋槳發出的推力，首先要根據設計航速確定螺旋槳的進速系數J，并按螺旋槳的葉數、盤面比、螺距比及進速系數查得螺旋槳的性征曲線圖，即可得螺旋槳在此工況下的KT，根據KT就可以求出螺旋槳敞水推力，考慮推力減額后即可得螺旋槳在船后發出的有效推力。

2.4.2 高于設計航速時的有效推力（表6）

表6 高于設計航速時的有效推力

2.4.3 低于設計航速時的有效推力（表7）

表7 低于設計航速時的有效推力

2.4.4 自由航速的確定

將表格計算結果畫成推力速度曲線（T～V）。

推力曲線與船體阻力曲線之交點對應的速度即為自由航行速度見，圖1。

V=10.14 kn=18.78 km/h

圖1 自由航速的確定

2.5 強度校核與分析

螺旋槳應該具有較高的效率，也應該有足夠的強度，以保證船舶安全航行。在設計螺旋槳時，必須進行強度校核，其目的是確定足以保證強度的葉片厚度，以及沿徑向的分布規律。

螺旋槳槳葉可看作固定于漿轂的懸臂梁。當螺旋槳在水中旋轉時，作用在槳葉上的流體動力有軸向的推力（T/Z）及與轉向相反的阻力（F/Z），兩者都使槳葉產生彎曲和扭轉。此外，由于螺旋槳槳葉在旋轉時產生離心力（C），使槳葉受到拉伸作用，若槳葉具有側斜或者縱斜，則離心力還會使槳葉產生彎曲。螺旋槳的強度校核就是核算在這些外力作用下，槳葉切面強度是否滿足需要。若不能滿足需要時，則需增加葉片的厚度。但隨著葉片厚度的增加螺旋槳效率下降，所以應當在滿足強度的前提下選取較薄的葉片。由于槳葉是扭曲的變截面懸臂梁，且其橫截面并不對稱，同時作用在槳葉上的外力也難精確算出，故在螺旋槳設計中，一般都用理論和實驗相結合的近似辦法來進行螺旋槳的強度計算。

邏姆遜強度校核法是內河船舶螺旋槳強度校核中常用的一種方法。此法是以切面所受的最大壓應力來校核槳葉的強度。并且認為只要半徑為0.25R和0.6R處的切面能滿足強度要求，則整個槳葉就能滿足強度要求，所以只需校核上述兩個切面的最大壓應力。

強度計算結果如下（滿足規范要求）：

2.6 螺旋槳模型的敞水實驗

螺旋槳模型單獨在靜水中的實驗稱為敞水實驗，實驗可以在船模實驗池或空泡水筒中進行。它是檢定和分析螺旋槳性能較為簡便的方法。

螺旋槳敞水實驗的目的：

（1）進行螺旋槳模型的系列實驗，將所得的結果繪制成圖譜，以供螺旋槳設計之用；

（2）根據系列選取的結果，可以全面系統地分析螺旋槳各種幾何要素對性能的影響，以供設計時正確選擇各種參數，并為改善螺旋槳性能提供方便；

（3）為配合自航實驗和進行同一螺旋槳的敞水實驗時，以分析推進效率成分，比較各種設計方案的優劣，便于選擇最佳的螺旋槳。

由設計和實驗證明，要使幾何相似的螺旋槳成為動力相似，主要具備的條件是進速系數J相等。就是說，不論實際螺旋槳與模型螺旋槳旋槳之間的絕對尺度和運動速度怎么不同，只要保持它們之間的幾何相似、進速系數J相等，則無因次系數KT、KQ和ηo均相等，因此可將螺旋槳的模型實驗結果應用于其幾何相似的實際螺旋槳中。當幾何形狀或進速J改變時，則無因次系數KT、KQ和ηo亦隨之改變；因此對于幾何形狀一定的螺旋槳來說，其水動力性能只與進速系數J有關，而KT、KQ和ηo為進速系數J的函數。

螺旋槳實驗的目的就是要測定螺旋槳的性能數據，即求出上述KT、KQ和ηo與J的變化規律，一般是采用保持模型的轉速n不變，而以不同的進速VA進行實驗來改變進速系數J的值。

3 結論

螺旋槳為船的前進提供推力，影響螺旋槳推進性能的因素很多。本設計結果表明，它與主機、船體和流體間的關系密切，如何正確處理螺旋槳各要素如直徑、螺距比、盤面比、槳葉輪廓形狀、葉數及轉速等的關系是設計的關鍵，通過這次的實踐，取得了一定的成果。

（1）只要螺旋槳直徑未超過尾型和吃水條件的限制，就可以通過設計圖譜求得敞水效率最佳的螺旋槳直徑；

（2）在進速系數相同時，螺距比越大，推力系數和轉矩系數也越大；

（3）在設計螺旋槳時，均選擇不發生空泡的最小盤面比；

（4）槳葉的外形輪廓對螺旋槳的效率和空泡性能都有影響，對一般接近橢圓形的槳葉，葉形的變化對螺旋槳效率影響不大；

（5）若直徑和盤面比相同，則葉數少時效率較高。

（6）螺旋槳的轉速和主機的轉速之間要匹配好。

參考文獻

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