36.8m雙甲板冷凍拖網漁船螺旋槳設計

劉彬 王凱

摘要：拖網漁船螺旋槳設計需考慮航行工況和拖網工況。常規螺旋槳設計只考慮航行工況，如何解決拖網工況下的燃油消耗，提高船舶節能環保能力，是拖網漁船一直考慮的問題。本文詳細描述了HC8159型36.8m雙甲板冷凍拖網漁船的船機槳的匹配，重點描述了該船雙速比齒輪箱的選取及螺旋槳計算，經過多年的實踐證明，該船選定的雙速比齒輪箱及設計的螺旋槳完全達到設計初期的期望。

關鍵詞：拖網漁船;雙速比;螺旋槳;導流管;船機槳匹配

中圖分類號：U661.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0203-02

1? 導管槳在拖網漁船上的應用

1.1 拖網漁船使用導管槳的優點

拖網漁船是進行拖網捕撈作業的專用漁船，是捕撈漁船的主要類型。拖網漁船除了常規的航行工況外，還有其特有的拖網工況。現階段拖網漁船類型基本為艉滑道拖網漁船，在尾部滑道處進行拖網和起、放網等捕撈作業，網具入水后靠分水板張開網口進行作業，適合浪大水深的海域作業，可進行底層拖網、中層拖網等。除了航行工況下航速的要求外，拖網工況下，既要求船舶具有較大的拖力，又得避免網具纏繞螺旋槳的現象，經研究及實船驗證，導管槳是目前最為適合拖網漁船的螺旋槳。導管槳是指在螺旋槳的外側加裝上一個環形套管，又稱套管螺旋槳，能改善重載螺旋槳的效率、可兼做舵使用，提高船舶的操縱性，可保護螺旋槳不與異物相碰。其在拖網漁船上的效率遠高于其他類型螺旋槳。

1.2 小型拖網漁船定距螺旋槳的選定

螺旋槳根據螺距是否可以變化為定距槳和可調槳。固定槳適用于工況變化不大的船舶，在設計條件下能充分利用主機的功率達到預期航速，螺旋槳本身效率也是最佳值。對于多工況的拖網漁船來說，可調槳更利于不同工況下螺旋槳充分吸收主機功率。然而小型拖網漁船受船舶主尺度和造船成本限制，不適合采用可調槳。通過研究證實，采用定距導管槳和雙速比齒輪箱組合形式，在航行工況和拖網工況下使用不同速比，有利于提高拖網漁船主機利用率，降低燃油消耗，提高船舶節能環保能力。本文以HC8159型36.8m雙甲板冷凍拖網漁船為例，詳細描述了該船型的船機槳的匹配，重點描述了該船雙速比齒輪箱的選取及螺旋槳計算。

2? 雙速比齒輪箱選取及螺旋槳設計過程

HC8159型36.8m雙甲板冷凍拖網漁船是黃海造船有限公司為山東省遠洋漁業開發公司設計建造的鋼質雙甲板、橋樓、尾機艙、尾滑道，深水拖網（水深1000m）為主、兼作桁拖網（水深400m）的漁船。由中速柴油機，經雙速比、順車減速齒輪箱驅動定距導管螺旋槳，裝流線型平衡舵。該船由國內建造，完工后經蘇伊士運河航行至西非海域進行拖網捕撈作業。

2.1 有效馬力計算

船舶阻力計算方法比較多，常用的有愛爾法和日本漁船阻力計算方法等。日本漁船阻力計算方法的優點是在參數較少的情況下就可進行初步的阻力估算。雖然阻力計算值稍微偏大，但經過適當修正依然是非常可靠的阻力計算方法。按照船東要求及海域情況，設計出符合要求的總布置圖并確定船舶主尺度。船體主要參數：總長LOA：36.8m;設計水線長LWL：34.24m;型寬B：8.6m;型深D：5.95m;設計吃水T：3.55m;設計排水體積：623m3;方形系數Cb：0.65;舯剖面系數Cm：0.927;棱形系數Cp：0.7;推算伴流分數：w=0.7（0.77Cp-0.28）=0.1813;推力減額t=0.6（0.77Cp-0.3）=0.143;得出船身效率ηh=（1-t）/（1-w）=1.046。根據船型參數，按照日本漁船阻力圖譜來進行本船的有效馬力計算，詳見表1。

2.2 按照航行工況匹配齒輪箱速比并確定螺旋槳參數

根據線型參數和有效馬力計算結果選取合適主機、齒輪箱，完善該船的船機槳匹配。經與船東商定，選取淄博柴油機廠的6250型主機，主機參數為900hp/750rpm。根據線型及主機安裝要求，暫定軸線為1.1m。受限于船舶尾框尺寸和船舶吃水，本船的螺旋槳直徑不應大于2.1m。初步預計航行工況的速比采用2.5：1，按照導管槳計算方法得出螺旋槳直徑約為1.7m。螺旋槳直徑過小，需配備較大的螺距，雖然對航行工況影響不大，但完全不利于拖網。拖網狀態下，主機會產生極大的浪費，拖力還達不到設計基本要求。因此，我們重新調整速比的選取，經過不斷的試算，航行工況下的螺旋槳速比應該在2.95：1到3.0：1，經估算螺旋槳直徑約1.95m，螺距比約為1.09，考慮到拖網工況影響及拖網漁船的螺旋槳經驗設計，決定螺旋槳直徑取2.0m，螺距比為1.1，螺距取2.2m。經多方溝通，航行工況下采用2.9175：1的速比。按照確定的船舶參數和主推進系統參數，以航行工況為設計基本，計算得出螺旋槳參數。

主推進系統參數：

主機型號：淄博柴油機6250型;主機功率：900hp：主機轉速：750rpm;齒輪箱減速比：2.917：1;齒輪箱效率0.95;軸系效率0.96;考慮5%洶濤儲備，螺旋槳收到功率DHP=900*（1-0.05）*0.95*0.96=780hp。根據航行工況，按照K4-55+19A導管槳圖譜進行推馬力計算，詳見表2。

根據有效馬力計算和推馬力計算，得出如圖1的螺旋槳EHP（THP）--V曲線圖。

經計算，得出本船螺旋槳主要參數：自航航速約為10.75Kn，槳型為K4-55+19A型螺旋槳，直徑D取2m，螺距P取2.2m，盤面比取0.55，材質為鎳鋁青銅，后傾角為0度，自艉向艏旋向為右旋。

2.3 根據拖網工況特性選取拖網工況下齒輪箱速比

按照2.9175：1的速比計算，在保持拖網航速在4.5Kn左右時，主機轉速約為620rpm，此時的拖力約為10噸。該情況下主機不能完全發揮自己的特性，拖力達不到使用要求。按照拖網航速要求，不斷調整齒輪箱速比，使主機接近或達到額定轉速下運行，符合主機的最佳使用效果。經計算，齒輪箱速比約為3.3：1的時候，拖網航速下主機轉速基本達到750rpm運行，此時拖網工況下主機可以發揮出最大效果，達到最大拖力。經與齒輪箱廠家共同努力，研發出了3.3215：1的齒比。拖網工況下采用3.3215：1的速比，拖力約14噸，完全滿足船東的捕撈需求，且主機可完全發揮作用。經過各種工況考慮，本船匹配主機900hp/750rpm，航行工況和拖網工況下齒輪箱速比分別選取2.9175：1及3.3215：1，配置了直徑為2m的定距導管槳，達到一個非常理想的船機槳匹配效果。

2.4 螺旋槳校核，空泡校核

螺旋槳根據以上方法得出螺旋槳基本參數后，還需要進行螺旋槳的空泡校核和強度校核。螺旋槳在水中作業時，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，若某處的壓力降至臨界點以下時，導致爆發式的汽化，水汽通過界面進入氣核并使之膨脹，形成氣泡，稱為空泡。空泡一般會對螺旋槳的葉表面產生剝蝕或者影響葉切面的水動力性能，空泡現象會使螺旋槳產生噪聲或諧音。盤面比的大小也作為螺旋槳空泡校核主要校核條件。根據拖網漁船盤面比校核公式計算，設計槳在兩個轉速下產生空泡的最大盤面比都小于螺旋槳設計盤面比0.55，因此該螺旋槳滿足空泡校核要求。

2.5 強度校核

為了保證船舶安全航行，必須保證螺旋槳有足夠的強度，使其在正常使用狀態下不致破損。計算螺旋槳強度的方法有很多，一般采用規范法來確定螺旋槳的強度和槳葉的厚度。規范法要求螺旋槳槳葉厚度t（0.25R處和0.6R處）不得小于下列計算值：

t≥。其中，Y是功率系數，K是材料系數，X是轉速系數。本船使用的是雙速比齒輪箱，所以強度校核需要在兩個轉速下都要進行。在速比2.9175：1的情況下計算，t0.25R處的計算值為64.7mm，t0.6R處的計算值為30.2mm。在速比3.3215：1的情況下計算，t0.25R處的計算值為68.6mm，t0.6R處的計算值為32.1mm。該船螺旋槳在t0.25R處的實際取值為75mm，t0.6R處的實際取值為40mm。完全滿足規范法對螺旋槳的槳葉厚度要求。確定校核處槳葉厚度，最終配合艉軸設計槳轂，完成整個螺旋槳設計。

3? 結束語

雙速比齒輪箱應用在小型拖網漁船上一直以來是設計單位的主要研究課題。多年來，船東方對雙速比齒輪箱的使用一直持有懷疑態度。HC8159型拖網漁船經過多年使用，其優良的船舶性能和主推進系統無論是航行工況還是拖網工況均得到了船東方的認可。依托于雙速比齒輪箱的設計的推進系統，主機的能效完全得到釋放，比常規拖網漁船主機的能效有了明顯提升。該船型雙速比齒輪箱的設計研發成功，為小型拖網漁船使用雙速比齒輪箱，匹配定距導管槳的合理性和實用性提供了有力證明，為各設計研發單位帶來寶貴經驗。

參考文獻：

[1]中華人民共和國農業部漁船檢驗局.鋼質海洋漁船建造規范（1998）[M].北京：國防工業出版社，1998.

[2]盛振邦，劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2004.

[3]馮明奎.拖網漁船導管螺旋槳設計方法分析[J].浙江海洋學院學報（自然科學版），1999（03）.

[4]馮振玉.拖網漁船雙速比齒輪箱的匹配設計[J].船舶工程，1995（5）.

[5]周瑞平，孫先華.雙速比齒輪箱匹配性能分析[J].武漢造船，1999（4）.

[6]李光霞，夏泰淳，蘭雅梅.拖網漁船的雙級速比齒輪箱速比計算實踐[J].造船技術，2008（1）.