第8章螺旋桨图谱设计.ppt

1、8-1螺旋桨的设计问题和设计方法8-2B-型图谱的设计及其应用8-3设计螺旋桨时应考虑的若干问题8-4船体-螺旋桨-主机的匹配问题8-5螺旋桨图谱设计举例8-6螺旋桨图谱设计-补充问题,本章主要内容,给定主机马力，使船舶能达到最高航速,船体的有效马力曲线,船舶线型初步设计完成,8-设计问题和设计方法,达到预定航速，消耗的主机马力小,设计一个螺旋桨？,初步设计,终结设计,船体的有效马力曲线,海军系数,一、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的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力，并据此订购主机。,船速V有效马力PE,选定桨的直径D,选定桨的转

2、速n,确定桨的最佳转速n、效率0、螺距比P/D、主机马力PS,确定桨的最佳直径D、效率0、螺距比P/D、主机马力PS,二、终结设计,主机马力和转速决定后，求所能达到的最高航速及螺旋桨的尺度。,主机马力PS，转速n有效马力曲线PE,确定所能达到的最高航速V，螺旋桨的直径D、螺距比P/D及效率o,（1）新船采用现成的标准型号主机（2）旧船调换螺旋桨等,船用螺旋桨的设计方法,图谱设计法-根据螺旋桨模型敞水性征系列试验绘制成专用的各类图谱进行设计。如：优点：方便可靠；缺点：受图谱规定桨型的限制。,型图谱、,型图谱,环流理论设计法-根据环流理论及叶切面试验资料,对桨叶各半径处叶元体分别进行设计，得出各叶

3、元体最佳的组合（桨叶最高效率）。优点：每个叶元体都是适合流场情况（伴流不均匀、空泡现象）叶元体的螺距不一定相同的，剖面形状也不对称.缺点：方法繁杂，加工工艺也较复杂。,8-B-型图谱的设计方法与应用,在进行螺旋桨设计时，必需针对船舶的特点和要求，根据实践经验，选用合适的螺旋桨图谱。目前在商船螺旋桨设计中，应用较广泛的有：荷兰的楚思德B型螺旋桨日本AU型螺旋桨,一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用,1.B-型设计图谱的建立,AU5-50螺旋桨敞水性征曲线组,PD-螺旋桨收到马力,(hp)VA-螺旋桨进速,(m/s)n-为螺旋桨转速,(rs),B-推导过程,注意：,BP-功率系数,直径系数,N螺旋桨转

4、速(rpm,即rmin)，PD螺旋桨敞水收到马力(hp)，VA螺旋桨进速(kn)，D螺旋桨直径(m).-为海水密度，取104.51kgfs2m4,图谱,图谱,图谱制作过程（是敞水性征曲线的另一个表达形式）,给定螺距比P/D，变化J值KQ、0计算和绘图：横坐标为，纵坐标为螺距比P/D，通过上述计算的P/D值作一平行横坐标的水平线，并在该线对应于每一值的点上标明相应的0和值，此线即能代表螺距比为P/D的螺旋桨水动力特性。,对不同P/D的螺旋桨性征曲线都作上述处理，并绘在同一图上，然后将0和值相同者分别连成光顺曲线，即得0和的等值线。将各=常数时(在图谱上表现为垂直线)效率最高的点连成光滑的曲线，即

5、得最佳效率线。,2AU型螺旋桨型式,1、AU型螺旋桨的原型2、MAU型-改进AU型（见下页）3、AUw型-AU型桨叶切面的后缘具有一定翘度(这对于改善桨叶根部叶间干扰有一定效果)，在六叶上采用这种型式。4、MAUw型,AU型螺旋桨和MAU型螺旋桨的叶梢附近切面区别,AU型螺旋桨是等螺距螺旋桨,四叶螺旋桨系列：属于本组的模型螺旋桨要素列于表8-1中。桨叶轮廓的尺寸见表8-4，切面形状见表8-6.轮廓形状如图8-4(a)及(b)所示。根据表8-1，8-4，8-6可以绘制螺旋桨的伸张轮廓和各半径处的叶切面形状。,？表8-1和图8-4螺旋桨尺寸不一致,桨模的几何特征:,表8四叶模型螺旋桨要素表,图8-

6、4MAU4叶桨的轮廓形状,3.图谱的应用,在进行设计时，应先确定伴流分数、推力减额分数t、相对旋转效率R及传送效率s。然后可应用图谱来解决螺旋桨设计中不同类型的问题。,(1)螺旋桨的初步设计问题,已知船速V，有效马力曲线，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速N，螺旋桨效率0，螺距比P/D和主机马力Ps。首先需选定螺旋桨的型式，叶数和盘面比。例如选用MAU型，4叶，盘面比为0.55的螺旋桨，则可决定所用的图谱为MAU4-55的图谱。在此类问题中，欲求的是转速N和主机马力Ps(或螺旋桨收到马力PD)，无法确定其中任一个参数，因此需要假设一组转速N来进行计算，具体步骤可用表8-9的形式进行。

7、,已知n的初步设计图,已知D的初步设计图,(2)螺旋桨的终结设计问题,已知主机马力Ps、转速N和有效马力曲线，确定所能达到的最高航速V及螺旋桨的尺度与效率。对于这类设计问题，在选定螺旋桨型式、叶数和盘面比(例如MAU4-55)后，通常先假定若干个船速进行计算。终结设计是经常遇到的设计问题。,例：已知25000t装货船的主要数据为：船长LPP=l72m，船宽B=27.2m，吃水T=9.8m。实船的有效马力如表9-11所示。估计的伴流分数=0.340，推力减额分数t=0.260，相对旋转效率R=0.982。主机马力Ps=12000hp，主机转速N=118.5rpm。,实船的有效马力表,结论,可达航

8、速,螺旋桨直径D=5.897m螺旋桨螺距比P/D=0.731螺旋桨效率0=0.569,kn,8-3螺旋桨设计时应考虑的若干问题,推进效率，空泡、振动及强度,螺旋桨类型、叶数、直径、转速、展开面积比,一、螺旋桨的数目ZP推进性能：单桨三桨双桨振动、操纵性能：双桨单桨单桨：低速商用船舶双、多桨：大型商用船、客船、军舰,推进性能、振动、操纵性能及主机能力,船舶尾部线型,螺旋桨数目,二、螺旋桨叶数的选择,效率：叶数少者叶数多者(螺旋桨的直径及展开面积相同)振动：叶数多者好空泡：叶数少者好双桨船、低速船：三或四叶高速军舰：3叶大型商用船：4-6叶,船型、吃水、推进性能、振动和空泡,螺旋桨叶数,单桨商船螺

9、旋桨叶数的选择需要考虑因素,1.根据造船统计资料选择螺旋桨叶数2.螺旋桨叶数对推进性能的影响3综合考虑螺旋桨效率与空泡性能4螺旋桨叶数的选择与振动的关系,直径，转速效率船舶吃水、尾框间隙有限船舶直径设计图谱螺旋桨直径船后间隙等因素,三、螺旋桨的直径,修正,常处于压载航行的船舶，宜采用直径较小的螺旋桨，以照顾压载时的效率和避免叶梢露出水面。从振动方面考虑，螺旋桨与船体间的间隙不宜过小，否则可能引起严重振动。,如最佳直径受到限制时，则按右表步骤重新进行设计。,由和第6项的,四、螺旋桨的转速,效率：螺旋桨转速低、直径大者效率较高对机器来说，转速越大效率越高，且机器的重量，尺寸都可减小。,螺旋桨效率,

10、主机类型、重量、价格、机器效率,船体振动问题,螺旋桨转速,船体振动共振：当主机或某辅机在一定转速时，整个船体处于振动状态，从而使得整个船体结构振动，应避免。局部振动：船舶局部或某些装置处于振动状态，可增设扶强材、支柱等措施消除螺旋桨的转速：80-150rpm二节点垂向振动频率,五、桨叶外形和叶切面形状,桨叶外形轮廓：展开轮廓近于椭圆形者为良好的叶形。对于具有侧斜的桨叶，各半径处叶切面弦长也应大致按椭圆规律变化为佳。弓形切面：空泡性能好，低载荷效率略低：军舰机翼型切面：改善中线形状，效率和空泡性能都好：商船螺旋桨外形和切面：系列资料图谱设计绘制后倾角：增加螺旋桨与船体间隙，减小振动,8-4船体-

11、螺旋桨-主机的匹配问题,船体、螺旋桨和主机的关系定义：主机为机械能的发生器；螺旋桨为能量的转换器(将主机的旋转能转换为推力能)；而船体则为能量的需求者(螺旋桨的推力能消耗于船体的做功)平衡关系当船速与转速达到适当的关系后，螺旋桨发出的推力能克服船体的阻力，螺旋桨所遭受的转力矩恰为主机所能供应，此时船以等速前进，螺旋桨在一定的进速系数下工作。,三者关系的平衡表示图,校核曲线(航行特性曲线)：（要求）会看会画校核曲线（p136-137）,不同载况下（压载、满载、超载）船体有效功率,不同载况下（压载、满载、超载）螺旋桨的有效推进功率,不同载况下（压载、满载、超载）主机的功率需求,不同航速下,不同转速

12、下,不同航速下,不同航速下,不同转速下,相等,对应,船体,螺旋桨,主机,有效马力曲线,有效推进功率曲线,主机特性曲线,系泊状态螺旋桨推力,主机,额定转速、额定功率,螺旋桨,J=0时螺旋桨的有效推力,船舶,螺旋桨的系柱推力,转矩相等,考虑推力减额,计算流程见P138.表8-25,8-5螺旋桨图谱设计举例,1.已知船体的主要参数2.主机参数3.推进因子的决定4.可以达到最大航速的计算5.空泡校核6.强度校核,7.螺距修正8.重量及惯性矩计算9.敞水性征曲线之确定10.系柱特性计算11.航行特性计算12螺旋桨计算总结,1.已知船体的主要参数,船型：单桨、球首、球尾、流线型挂舵、中机型多用途远洋货船。

13、设计水线长LWL=144.20m垂线间长LPP=140.00m型宽m型深m设计吃水m方形系数CB=0.743m排水量t桨轴中心距基线ZP=2.95m,由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下：,2.主机参数,型号苏尔寿6RLB56柴油机一台最大持续功率8,460hp转速155rpm旋向右旋,3.推进因子的决定,据型船资料选取伴流分数按经验公式决定推力减额分数取相对旋转效率船身效率,4.可以达到最大航速的计算,采用MAU4叶桨图谱进行计算。取功率储备10%，轴系效率s=0.97，螺旋桨敞水收到马力：PD=8,4600.9SR=8,4600.90.971.0=7,385.58hp根据MAU4-40

14、、MAU4-55、MAU4-70的图谱列表计算：,据上表中的计算结果可绘制PTE、P/D及0对V的曲线，如下图,从PTEf(V)曲线与船体满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D、D、0如下表所列。,5.空泡校核,按柏利尔空泡限界线中商船上限线，计算不发生空泡之最小展开面积比。桨轴沉深计算温度t=15，pv=174kgf/m，PD=7,385.58hp，=104.63kgfs/m,2,2,4,m,据上述计算结果作图8-27，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的最佳螺旋桨要素。,m,kn,6.强度校核,按规范校核t0.25R及t0.6R，应不小于按下式计

15、算之值：计算功率hp,gf/cm3,rpm,=1.4692m,实际桨叶厚度按线性分布取：,mm,t0.2=199.6mm，t0.3=176.8mm，t0.4=153.9mm，t0.5=131mm，t0.6=108.2mm，t0.7=85.3mm，t0.8=62.4mm，t0.9=39.6mm。,m,m,mm,7.螺距修正,根据尾轴直径大小，决定毂径比dh/D=0.18，此值与MAU桨标准毂径比相同，故对此项螺距无需修正。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。设计桨标准桨,(取MAU4-55为基准桨),修正后的螺距比：,8.重量及惯性矩计算,根据MAU桨切面的面积数据

16、用积分方法计算得：桨叶重量Gb=5,532.75kgf桨毂重量Gh=2,874kgf螺旋桨总重G=8,406.75kgf桨叶惯性矩Ib=89,453.4kgfcms桨毂惯性矩Ib=8,440kgfcms螺旋桨总惯性矩I=97,893.4kgfcms,2,2,2,9.敞水性征曲线之确定,由MAU4-40，MAU4-55，P/D=0.6825的敞水性征曲线内插得到MAU4-54.4，P/D=0.6825的敞水性征曲线(图9-26)其数据如下：,10.系柱特性计算,由图9-26得J=0时，。计算功率hp，系柱推力减额分数取，主机转矩kgfm敞水螺旋桨系柱推力kgf车叶转速rpm,船后螺旋桨系柱推力T（1-t0）=69,984kgf,11.航行特性计算,取转速为155rpm，145rpm，135rpm进行计算：将上述结果绘成图9-27。由图中可求得压载航行时可达最大航速约为V=16.6kn，主机马力为7,150hp。110%超载航行时可达最大航速约为V15.10kn，主机马力为7