摘 要：螺旋槳設(shè)計(jì)是整個(gè)船舶設(shè)計(jì)的重要組成部分。影響螺旋槳推進(jìn)性能的因素很多，在本設(shè)計(jì)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(jìn)行研究，并結(jié)合在工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一艘性能較好的內(nèi)河A級拖船的螺旋槳。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

船舶在水面航行時(shí)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(jìn)性能的因素很多，在處理這些因素時(shí)，一般都從螺旋槳的效率、空泡、強(qiáng)度、工藝和振動等方面作統(tǒng)盤考慮。

2 設(shè)計(jì)過程及結(jié)果分析

2.1 船體主尺度及船型系數(shù)

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(jié)果分析

2.3.1 螺旋槳要素選?。ū?）

2.3.2 空泡校核 （伯利爾限界線，表4）

經(jīng)計(jì)算可知，滿足空泡要求的最小盤面比約為Ae/Ao=0.65。根據(jù)MAU4～40、MAU4～55、MAU4～70按內(nèi)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(jì)算

拖船有兩種典型的航行狀態(tài)：自航狀態(tài)和拖航狀態(tài)。拖船在自由航行狀態(tài)時(shí)，螺旋槳發(fā)出的推力只用于克服自身船體阻力；在拖帶航行時(shí)，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(tài)相差很大。

一般來說，可以根據(jù)拖船的使用情況來決定螺旋槳的設(shè)計(jì)工況。例如，專門用于拖帶駁船隊(duì)的拖船，其大部分工作時(shí)間用于拖帶，則以拖帶狀態(tài)設(shè)計(jì)螺旋槳。本設(shè)計(jì)項(xiàng)目就以拖帶狀態(tài)設(shè)計(jì)螺旋槳。

2.4.1 設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力（表5）

表5 設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力

拖船的螺旋槳通常是按設(shè)計(jì)航速Vs設(shè)計(jì)的。要計(jì)算設(shè)計(jì)航速時(shí)螺旋槳發(fā)出的推力，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)航速確定螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J，并按螺旋槳的葉數(shù)、盤面比、螺距比及進(jìn)速系數(shù)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(jù)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(fā)出的有效推力。

2.4.2 高于設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力（表6）

表6 高于設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力

2.4.3 低于設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力（表7）

表7 低于設(shè)計(jì)航速時(shí)的有效推力

2.4.4 自由航速的確定

將表格計(jì)算結(jié)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(diǎn)對應(yīng)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(qiáng)度校核與分析

螺旋槳應(yīng)該具有較高的效率，也應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度，以保證船舶安全航行。在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核，其目的是確定足以保證強(qiáng)度的葉片厚度，以及沿徑向的分布規(guī)律。

螺旋槳槳葉可看作固定于漿轂的懸臂梁。當(dāng)螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用在槳葉上的流體動力有軸向的推力（T/Z）及與轉(zhuǎn)向相反的阻力（F/Z），兩者都使槳葉產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。此外，由于螺旋槳槳葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力（C），使槳葉受到拉伸作用，若槳葉具有側(cè)斜或者縱斜，則離心力還會使槳葉產(chǎn)生彎曲。螺旋槳的強(qiáng)度校核就是核算在這些外力作用下，槳葉切面強(qiáng)度是否滿足需要。若不能滿足需要時(shí)，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(yīng)當(dāng)在滿足強(qiáng)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(shí)作用在槳葉上的外力也難精確算出，故在螺旋槳設(shè)計(jì)中，一般都用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的近似辦法來進(jìn)行螺旋槳的強(qiáng)度計(jì)算。

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

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如下（滿足規(guī)范要求）：

2.6 螺旋槳模型的敞水實(shí)驗(yàn)

螺旋槳模型單獨(dú)在靜水中的實(shí)驗(yàn)稱為敞水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)可以在船模實(shí)驗(yàn)池或空泡水筒中進(jìn)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(shí)驗(yàn)的目的：

（1）進(jìn)行螺旋槳模型的系列實(shí)驗(yàn)，將所得的結(jié)果繪制成圖譜，以供螺旋槳設(shè)計(jì)之用；

（2）根據(jù)系列選取的結(jié)果，可以全面系統(tǒng)地分析螺旋槳各種幾何要素對性能的影響，以供設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇各種參數(shù)，并為改善螺旋槳性能提供方便；

（3）為配合自航實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行同一螺旋槳的敞水實(shí)驗(yàn)時(shí)，以分析推進(jìn)效率成分，比較各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，便于選擇最佳的螺旋槳。

由設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)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(jìn)速系數(shù)J相等。就是說，不論實(shí)際螺旋槳與模型螺旋槳旋槳之間的絕對尺度和運(yùn)動速度怎么不同，只要保持它們之間的幾何相似、進(jìn)速系數(shù)J相等，則無因次系數(shù)KT、KQ和ηo均相等，因此可將螺旋槳的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于其幾何相似的實(shí)際螺旋槳中。當(dāng)幾何形狀或進(jìn)速J改變時(shí)，則無因次系數(shù)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(jìn)速系數(shù)J有關(guān)，而KT、KQ和ηo為進(jìn)速系數(shù)J的函數(shù)。

螺旋槳實(shí)驗(yàn)的目的就是要測定螺旋槳的性能數(shù)據(jù)，即求出上述KT、KQ和ηo與J的變化規(guī)律，一般是采用保持模型的轉(zhuǎn)速n不變，而以不同的進(jìn)速VA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來改變進(jìn)速系數(shù)J的值。

3 結(jié)論

螺旋槳為船的前進(jìn)提供推力，影響螺旋槳推進(jìn)性能的因素很多。本設(shè)計(jì)結(jié)果表明，它與主機(jī)、船體和流體間的關(guān)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(shù)及轉(zhuǎn)速等的關(guān)系是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過這次的實(shí)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(shè)計(jì)圖譜求得敞水效率最佳的螺旋槳直徑；

（2）在進(jìn)速系數(shù)相同時(shí)，螺距比越大，推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)也越大；

（3）在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，均選擇不發(fā)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(shù)少時(shí)效率較高。

（6）螺旋槳的轉(zhuǎn)速和主機(jī)的轉(zhuǎn)速之間要匹配好。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范（2001）及修改通報(bào)[S]. （2004），

北京： 人民交通出版.

[2] 廣東工業(yè)學(xué)院造船系編寫組編. 船用螺旋槳設(shè)計(jì)[M]. 1976.

[3] 上海： 上海交通大學(xué)出版社， 船舶動力裝置設(shè)計(jì). 1991.

[4] 潘曉明主編. 船舶原理[M]. 北京： 人民交通出版， 2007.

[5] 長江船舶設(shè)計(jì)院編. 內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)手冊[M]. 武漢： 1972.

[6] 中國船舶工業(yè)總公司編. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M]. 北京： 國防工業(yè)出版

社.2000.

[7] 彭公武主編. 船體結(jié)構(gòu)與制圖[M].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社.

2007.

[8] 王杰德主編. 船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社. 1995