周 煜

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通226010)

0 引 言

艦船由于其特殊的使命要求，其快速性是諸多性能中的主要性能之一。為了提高航速，通常采用多槳推進(jìn)。雖然越來(lái)越多的艦船采用多槳推進(jìn)，但是目前為止，多槳船螺旋槳的設(shè)計(jì)仍然是依據(jù)單槳船螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，還沒(méi)有直接用于多槳船螺旋槳設(shè)計(jì)的系列圖譜。其實(shí)，多槳船的螺旋槳設(shè)計(jì)過(guò)程和單槳船相通，只不過(guò)是單槳船螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)只考慮船體和螺旋槳的設(shè)計(jì)而已，而多槳船螺旋槳設(shè)計(jì)除了考慮上述因素外，還要考慮槳和槳之間的干擾，所以還不完全一樣。因此，有必要提出多槳船螺旋槳的設(shè)計(jì)方法。

Labberton［1］針對(duì)四槳艦船中采用相同尺度的螺旋槳會(huì)導(dǎo)致不同軸系所需要的功率不等而提出了一種更改螺距比的設(shè)計(jì)方法。高秋新等［2］探索了船尾流動(dòng)與多個(gè)螺旋槳之間的相互作用，并給出了一艘四槳船模的實(shí)例分析。覃新川、單鐵兵等［3－5］從理論方向研究了四槳兩舵推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力干擾，并對(duì)某大型艦船的四槳兩舵推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力進(jìn)行分析研究。王展智等［6］以四槳水面艦船為研究對(duì)象，研究了螺旋槳的相對(duì)縱向分布位置和橫向分布位置的變化對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響。本文在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用圖譜設(shè)計(jì)法對(duì)更換主機(jī)艦船的螺旋槳進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)定的航速要求，表明螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)法對(duì)預(yù)報(bào)艦船快速性的適用性。

1 設(shè)計(jì)工況

原艦船的主尺度和船型系數(shù)如表1所示，螺旋槳和主機(jī)參數(shù)如表2所示，取原艦船最大功率95%和相應(yīng)主機(jī)最大轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)工況，然后校核在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的功率貯備，確保滿足規(guī)范中額定功率留有5%～10%貯備的要求。

表1 艦船主尺度和船型系數(shù)Tab.1 Principle dimensions and coefficients of ship form

表2 艦船螺旋槳及主機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of propellers and main engines

由艦船主機(jī)和螺旋槳參數(shù)可知，計(jì)算轉(zhuǎn)速N =1 500 r/min/2.064 5 = 726.6 r/min = 12.109 r/s，槳的收到功率PD=1 000 ×95% ×0.98 ×0.975 =907.7 kW，由于本艦船允許設(shè)計(jì)2 套螺旋槳(共4組)，其螺旋槳的基本要素如表3所示，主機(jī)限制曲線負(fù)荷數(shù)據(jù)如表4所示，主機(jī)使用負(fù)荷限制曲線如圖1所示。

表3 艦船螺旋槳基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of propellers

表4 主機(jī)限制曲線負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.4 Limit curves of main engines' electric load

圖1 主機(jī)使用負(fù)荷限制曲線Fig.1 Limit curve of electric load used by main engines

2 快速性指標(biāo)預(yù)報(bào)

使用TBD620V8型柴油機(jī)，根據(jù)給定的主機(jī)負(fù)荷限制曲線和負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)該艦船進(jìn)行快速性預(yù)報(bào)，得到進(jìn)行四槳同時(shí)工作時(shí)快速性指標(biāo)，如表5所示;側(cè)槳工作，中槳自由旋轉(zhuǎn)時(shí)快速性指標(biāo)，如表6所示，中槳工作，側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)時(shí)快速性指標(biāo)，如表7所示。

表5 四槳同時(shí)工作時(shí)快速性指標(biāo)Tab.5 Rapidity index of four propellers working together

表6 側(cè)槳工作，中槳自由旋轉(zhuǎn)時(shí)快速性指標(biāo)Tab.6 Rapidity index of side propellers working

表7 中槳工作，側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)時(shí)快速性指標(biāo)Tab.7 Rapidity index of middle propellers working

根據(jù)表5～表7的數(shù)據(jù)可繪制航行特性曲線，如圖2所示。根據(jù)圖2 螺旋槳航行特性曲線和主機(jī)負(fù)荷限制曲線得出如下結(jié)論:

1)采用第2 組槳作外側(cè)槳、第3 組槳作內(nèi)側(cè)槳，四槳同時(shí)工作，在主機(jī)最大允許轉(zhuǎn)速1 446 r/min，功率895 kW 時(shí)，最大航速可達(dá)27.5 kn，較原來(lái)降低0.9 kn;

2)在外側(cè)槳工作、內(nèi)側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)，在主機(jī)最大允許轉(zhuǎn)速1 230 r/min、功率750 kW 時(shí)，可達(dá)航速18.3 kn;

3)在內(nèi)側(cè)槳工作、外側(cè)槳自由旋轉(zhuǎn)，在主機(jī)最大允許轉(zhuǎn)速1 225 r/min、功率747 kW 時(shí)，可達(dá)17.7 kn;

4)建議2)和3)都可作為巡航狀態(tài);

5)根據(jù)以上結(jié)論，如不重新設(shè)計(jì)螺旋槳，建議選螺距較小的第3 組槳作外側(cè)槳、第4 組槳作內(nèi)側(cè)槳要好些;

6)選TBD620V8 柴油機(jī)，重新設(shè)計(jì)螺旋槳，對(duì)提高航速意義不大。

圖2 螺旋槳航行特性曲線Fig.2 Navigation characteristics curves of propellers

3 選新機(jī)進(jìn)行計(jì)算

由上述結(jié)論看出，選擇TBD620V8型柴油機(jī)達(dá)不到28 kn 以上的航速要求，因此再重新選機(jī)進(jìn)行計(jì)算。該型號(hào)主機(jī)功率1 016 kW，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，為保證螺旋槳的性能，因此齒輪箱的減速比必須為i =2.477，才能保證螺旋槳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速N=1 800/2.477=726.7 r/min。

該主機(jī)的使用負(fù)荷限制線如圖3所示，螺旋槳航行特性曲線如圖4所示。

表8 主機(jī)使用負(fù)荷限制曲線數(shù)據(jù)Tab.8 Limit curve of electric load used by main engines

圖3 主機(jī)使用負(fù)荷限制曲線Fig.3 Limit curve of electric load used by main engines

圖4 螺旋槳航行特性曲線Fig.4 Navigation characteristics curves of propellers

由以上計(jì)算可得出如下結(jié)論:建議選TBD620V8型柴油機(jī)，最大功率940 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。但該型號(hào)沒(méi)有這種機(jī)，因此選型TBD620V8 柴油機(jī)，最大功率1 016 kW，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，齒輪箱轉(zhuǎn)速比為2.477，這時(shí)最大航速可達(dá)28.4 kn，巡航速度為18 kn 左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了四槳艦船更換主機(jī)后快速性的預(yù)報(bào)，采用螺旋槳的圖譜設(shè)計(jì)法根據(jù)給定的設(shè)計(jì)工況和主機(jī)參數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)，達(dá)到了預(yù)定的航速，獲得了滿意的結(jié)果，表明螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)法在艦船快速性預(yù)報(bào)的優(yōu)越性。

［1］LABBERTON J M.A method for determining proper pitch for the inboard and outboard propellers on a four screw ship［J］.Journal of the American Society for Naval Engineers，1973，49(4):576－584.

［2］高秋新，周連第.船舶尾部流動(dòng)與多個(gè)螺旋槳相互干擾的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)造船，1998(1):16－24.GAO Qiu-xin，ZHOU Lian-di.Numerical simulation of interaction between ship stern flow and multi-propellers［J］.Shipbuilding of China，1998(1):16－24.

［3］覃新川.短翼水動(dòng)力計(jì)算模型與多槳多舵水動(dòng)力干擾研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2006.QIN Xin-chuan.Research on numerical hydrodynamic short-foil model and the inference between multipropeller and multirudder ［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2006.

［4］覃新川，黃勝，常欣.四槳兩舵推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力干擾研究［J］.中國(guó)造船，2008，49(1):112－116.QIN Xin-chuan，HUANG Sheng，CHANG Xin.Research on hydrodynamic interaction between four propellers and two rudders［J］.Shipbuilding of China，2008，49 (1):112－116.

［5］單鐵兵.四槳兩舵船舶螺旋槳不同工況下水動(dòng)力性能及船體操縱性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.SHAN Tie-bing.Research on hydrodynamic performance with four propellers and double rudders in different work condition and maneuverability of ship［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2008.

［6］王展智，熊鷹，齊萬(wàn)江，等.船后槳的布局對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(4):427－431.WANG Zhan-zhi，XIONG Ying，QI Wan-jiang，et al.The effect of propeller arrangement arrangement behind the hull on propeller hydrodynamic performance［J］.Journal of Harbin Engineering University，2012，33(4):427－431.