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1、摘要螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为 船的前进提供的推力。螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要 方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶线型设计，并通过估算或用船模试验的方法 确定了船体有效功率之后进行的。影响螺旋桨推进性能的因素很多，在本设计过程中主 要对螺旋桨的直径、螺距比、盘面比、桨叶轮廓形状等因素进行研究，并通过在工作中 积累的经验，设计一艘内河 A 级拖船的螺旋桨。关键词螺旋桨 直径 螺距比 盘面比 桨叶轮廓形状AbstractPropeller is a necessary promoting compone
2、nts of shipbuilding industry, which be used to providing thrust for ship moving. Its design precision will directly affect the forward speed of the ship.The propeller design the whole ship design is a vital part of the ship, it is to guarantee an important aspect of the swiftness. General propeller
3、design is in preliminary finished ship lines design, and through the estimation or with model test method to determine the hull effective power after. Affect the propeller to advance performance in the many factors in the design process of the propeller diameter, mainly pitch than, than, disk blades
4、 factors such as profile, and through the experience in work, design an inland ship class A tug propellerKeywordsPropellers diameter pitch of screws ratio pie area ratio paddle outline目录摘要 I关键词 IAbstract IKeywords I0 引言 11 结构与计算要素 11.1 结构组成 11.2 理论基础 11.3 工作原理 21.4 计算要素 22 项目设计过程及结果与分析 32.1 船体估算数据 3
5、2.2 螺旋桨要素选取及结果与分析 42.3 推力曲线及自由航行计算及结果与分析 62.4 强度计算结果与分析 72.5 计算总结 92.6 螺旋桨模型的敞水实验 93 螺旋桨设计的发展 103.1 节能减排促使螺旋桨加快创新 114 结论 11致谢 12参考文献 12附录 130 引言 船在水面或水中的航行时遭受阻力，为了使船舶能保持一定的速度向前航行，必须 供给船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠专门的装臵或 机构通过吸收主机发出的能量并把它转换成推力而得，而这种专门吸收与转换能量的装 臵或转换能量的装臵或机构统称为推进器。推进器种类很多，例如风帆，民轮，直叶推 进
6、器，喷水推进器及螺旋桨等，螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是 目前应用最广的推进器。螺旋桨为船的前进提供的推力，但影响螺旋桨推进性能的因素很多，在处理这些因 素时，往往会出现得此失彼，互相矛盾又互相统一的复杂现象，所以都会从螺旋桨的效 率、空泡、强度、工艺和振动等方面作统盘考虑。但是一般螺旋桨装在船后，流体经过 船体是要受到影响，其速度和方向与船前面的流体比较都不相同：另一方面，螺旋桨的 工作对船体的阻力也有影响，如何考虑它们之间的相互影响是设计存在的问题。本设计 的指导思想是把最能满足船舶性能要求的那些因素作为主要矛盾加以解决。1 结构与计算1.1 结构组成 螺旋桨俗称车叶，通
7、常由桨叶和浆毂组成。螺旋桨与尾轴连接部分叫浆毂，浆毂是 一个锥形体。为了减小水的阻力，在浆毂后端加一整流罩，与浆毂形成一光顺流线形体， 称为毂帽。螺旋桨在水中产生推力的部分叫桨叶，桨叶固定在浆毂上。普通螺旋桨常为 3 叶或 4 叶，2 叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近年来有些船舶（如大吨位大功率的油船），为 避免震动而采用 5叶或 5 叶以上的螺旋桨。由船尾向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂连 接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时先入水的一边称为导边，另一 边称为随边。螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径，以 D 表示。梢圆
8、的面积称为螺旋桨的盘面积以 Ao 表示，可用下式表示它们之间的关系：Ao= n D2/4由船后向前看去，螺旋桨正车旋转为顺时针者称为右旋桨，反之，则成为左旋桨。装 于船尾两侧之螺旋桨，左桨左旋，右桨右旋称为外旋桨，左桨右旋，右桨左旋称为内旋 桨。1.2 理论基础 螺旋桨理论按其内容发展阶段可分为动量理论、叶元体理论和环流理论。在这里主要 介绍动量理论。推进器的动量理论早在 19 世纪末已确立，它认为螺旋桨的推力是因其使水产生动量 变化所致的，所以可通过水的动量变更率来计算推力。由于忽略的因素过多，所得到的 结果与实际情况有一定的距离，不能用作计算或设计的依据。但是，由于推进器的动量 理论还能简
9、略地说明推进器产生推力的原因，而且某些结论也有一定的实际意义。先简要的分析螺旋桨在水中的运转的情况。我们通常把由于螺旋桨运转使水流产生的 运动速度称为诱导速度。为了便于分析研究问题，把诱导速度分解为两个分量：一个是 平行于桨轴方向，另一个是垂直于轴平面内的圆周方向。沿圆周方向的诱导速度分量称 为周向诱导速度，其方向与螺旋桨轴向运动方向相反。沿圆周方向的诱导速度分量称为 周向诱导速度，其方向与螺旋桨旋转方向相同。对于负荷（指螺旋桨承担的推力）较重 的螺旋桨常可以发现螺旋桨尾流有较严重的收缩现象，这时水质点还存在径向诱导速度。往往由于对诱导速度的处理不同，产生了不同的螺旋桨理论，例如忽略了周向诱导
10、速 度的影响，应用动量定理可得到理想推进器理论，若同时考虑周向诱导速度应用动量矩 定理便可得到理想螺旋桨理论。1.3 工作原理螺旋桨的工作是靠桨叶向后拨水来实现的。它在工作时，一面随主机驱动而旋转， 一面随船舶前进而前进，这两种运动的组合即为螺旋运动。螺旋桨工作时，发出的推力用以克服船的阻力，推船前进。遭受的阻力矩由主机发 出的旋转力矩克服之。可见，当螺旋桨以转速n进行旋转时，必须吸收主机所供给的转 矩Q,才能克服力矩。螺旋桨吸收的功率为2nnQ。螺旋桨在运动中产生推力T,且以进 速V推船前进，其所发挥作用的功率为TV .故螺旋桨的效率为AAno =推功率/吸收功率=TV 2 n nQA/为了
11、提高螺旋桨的效率，总是力求使螺旋桨所产生的推力增大，而使运动中所遭受 的阻力矩减少，从而使主机供给的转矩减小。1.4 结构计算要素1）螺旋桨直径：首先考虑与尾型和吃水的关系，在绘制船体线型时，已基本决定了螺 旋桨的轴线位臵和可能的最大直径。从尾型和吃水条件看，普通船舶的螺旋桨直径大约 在下列范围：单桨D=（0.70.8）Tw;双桨D=（0.60.7）T w.式中Tw为船舶满载时的船尾 吃水。只要螺旋桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水效 率最佳的螺旋桨直径。但是由于船后伴流不均匀性的影响，敞水最佳直径与船后最佳直 径略有差别。随着伴流不均匀的程度，最佳直径应有不同程度的
12、减小：单桨所处的位臵 的伴流不均匀性较大，最佳直径要减 35%；双桨所处的位臵伴流比较均匀，最佳直径约 减少 24%。2）螺距比HD:在进速系数相同时，螺距比越大，推力系数和转矩系数也越大，这是因 为螺距比大时具有较大的攻角的缘故。当进速系数较小时，螺距比小者效率较高，而在 进速系数较大时，则螺距比大者效率较高。在螺距比小于1.5的范围内，HD越大，螺 旋桨的最高效率越大。而在螺距比大于1.5时，螺旋桨的最高效率大致不变。通常，螺距比是指也梢处或 0.7R 处的螺距与直径之比。实践证明，采用等螺距桨 叶并不很好，单桨尤其如此。桨叶沿径向处于不同的伴流区，每一切面在不同的伴流中 工作，若采用等螺
13、距分布，叶根切面可能遇到很大的攻角，负荷较大，影响螺旋效率。 因此，为了使桨叶不同半径处的切角不致相差过大，以保持各切面的效率大致相等，减 小尾流中的能量损失，从而提高效率，最好采用径向变螺距的螺距分布形式。3）盘面比： 若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和转距均随盘面比的 增加而增大。但盘面比大时，翼栅作用较甚，桨叶的摩擦阻力也较大，螺旋桨的效率就 较低。盘面比太小时，因强度需要，势必增加桨叶厚度，这时桨叶单位面积所发出的推 力较大，容易发生空泡，且会增加涡旋阻力，致使效率反而降低。所以在设计螺旋桨时， 均选择不发生空泡的最小盘面比。4）桨叶轮廓形状：桨叶的外形轮廓多螺旋桨的效率
14、和空泡性都能有影响。但是通过我 们现场反馈的意见表明，对一般接近椭圆形的桨叶，叶形的变化对螺旋桨效率影响不大。5）叶数：螺旋桨叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和空泡多方面加以考 虑。一般认为若螺旋桨的直径及展开面积相同，则叶数少者效率略高，叶数多者因叶片 与叶片间产生的相互干扰作用较大，效率常略低。叶数多者对减小振动有利，叶数少者 对避免空泡有利。6）螺旋桨转速：螺旋桨转速低一些，则直径可以较大，效率也会较高，但对主机来说， 转速高，则机器效率高，主机的重量和尺寸也可以减小，从这里可以看出螺旋桨转速和 主机转速要求之间是相互对立而又互相联结。因此就需要螺旋桨的转速和主机的转速之 间要
15、匹配好。但在进行一般民用船舶的螺旋桨设计时，主机往往是从现已生产的一定功 率的几种船用主机中加以比较选取，更多的情况是先有主机再进行船舶设计。因此在设 计螺旋桨时，螺旋桨的转速常是给定的。7）螺旋桨的数目：一艘船是选用一个螺旋桨好还是选用两个螺旋桨好，必须综合考虑 推进性能、操作性能及主机性能或数目等各方面的因素，需要根据各类船舶的不同特点 来选取。通常习惯是按同航线同类型的船来选取螺旋桨数目，且螺旋桨数目与船尾线型 直接有关，故在船舶初步设计时已决定了螺旋桨的数目。在功率相同的情况下，则但螺旋桨船的推进效率高于双螺旋桨，这时因为单螺旋桨 位于船尾纵中剖面上，伴流较大，而且单桨的直径较双桨大，故其效率较高。2 项目设计过程及结果与分析船体主尺度及船型系数 这个螺旋桨设计来自于一艘内河 A 级拖船，以下是与该设计有关的船体的主尺度及船型系数：总长23.7 米水线长23 米型宽5.30 米型深2.0 米设计吃水1.25 米设计排水量88.7 吨艏舷高2.55 米艉舷高2.25 米方形系数0.578水线面系数0.809中剖面系数0.917纵向菱形系数0.630浮心纵向位臵-0.6512.1 船体估算数据该船体有效效率估算（兹万科夫法），见表1垂线间长L22.0 m型宽B
