雙機雙槳船舶螺旋槳設計實踐＊

宋秋紅，洪敦平，張 健，夏泰淳

（1.上海水產大學 工程學院，上海200090；2.福建泉州漁業船舶檢驗處，福建 泉州362000）

為充分利用主機功率提高推進效率，導管槳、調距槳及雙速比齒輪箱［1-4］等技術廣泛應用在各種工況下滿足船舶推進性能。然而，在很多情況下，例如航道淺船舶吃水受限制；某些漁港不是深水港而往往需要“坐灘”，使得船的尾框尺寸較小；或者由于船舶柴油機功率配置上的種種原因，螺旋槳直徑較小，但是這些船舶又往往需要具有足夠大的航速或較大的拖力。為此，這類船舶往往使用雙機雙槳或三機三槳［5-6］。有的船舶長期在較狹河道中航行，需要良好的操縱性，往往也采用雙機雙槳。

1 設計原理及方法

1.1 設計原理

圖1是某船體阻力曲線和槳有效推力曲線的示意圖，橫坐標為航速v，縱坐標為船體的阻力R及槳的有效推力T。

圖1 R～vs與T～Ts曲線

某船舶按自由航行工況設計，單槳的有效推力曲線與船體的阻力曲線相交點，就是單槳船能達到的最大航速vs，那么采用同樣功率的主機，按雙機雙槳來進行設計，航速則能達到v′s，在螺旋槳的實用設計中，圖1的兩條曲線往往表達成船體的有效功率曲線和槳的有效推功率曲線。在本螺旋槳設計軟件中，有相應的母型船的有效功率曲線，當輸入設計船的船型主要尺度，如船長、型寬、吃水、型深及排水量等，根據海軍系數法，可得到設計船在n個航速對應下的有效功率，即vsi～PEi（i＝1，2，…，n）。

然后計算機將這些數據擬合成PE＝f（vs）函數，軟件中選擇了常用的冪次函數，形式為：

式中：PE——船的有效功率；

k——考慮設計船船型系數和母型船的差異引入的修正系數，一般情況下，k＝1；

a、b——該冪次函數中的兩個相應的常數。

考慮單位換算，將船體阻力R表達成：

其中：R——船體阻力，kgf。

vs——船最大自由航速，單位m／s。

將船的最大自由航速vs代入上式，可求得船體在此時的阻力，即單槳的有效推力T。若采用相同主機的雙機雙槳，則雙槳的有效推力T′＝2 T＝R′ （R′是船在v′s時的阻力），然后求解雙機雙槳船能達到的最大航速v′s，顯然，這是一個求解該方程反函數的問題，是很容易求得的。

當采用雙機雙槳后，航速會提高，換言之這相當于該船阻力的“減少”，而導致航速的提高，因此，在設計雙機雙槳過程中，只要調整螺旋槳設計軟件中船型修正系數k，使得按單槳得到的自由航速同v′s相等，此時螺旋槳的螺距就可以計算出來。

對于多工況船舶來說，例如拖網漁船或者拖船，船舶還有一個拖力指標要求，一般來講這個拖力數值基本上是等于相同主機或槳的數量的倍數，以拖網漁船為例，由于拖網拖力是指船實際在3～4kn時拖速下的拖力指標，因此基本上是等于單槳拖力數值的倍數。

1.2 設計方法

在上述原理基礎上采用由筆者開發的漁船螺旋槳設計軟件系統［7］進行螺旋槳設計。

2 計算實例

以某114總噸拖網漁船為例，該漁船主尺度、船型系數及主機參數見表1。

表1 漁船船型及主機參數

2.1 按單機單槳計算

對于本船型若采用單機、其主機標定功率為272kW，標定轉速為750r／min，減速齒輪箱速比為3∶1，而且螺旋槳直徑不受限制以及考慮到設計船和母型船在船型系數的一些差別，這里船型修正系數取1.1，由設計軟件按普通槳AU4型計算結果如下。

1）自由航行工況槳徑2.24m，螺距比0.699，自由航速12.70kn，系泊拖力38.82kN。

2）拖網工況（vs＝4.00kn）槳徑2.0m，螺距比0.54，自由航速9.94kn，系泊拖力51.39kN。

但考慮到該船吃水的原因，螺旋槳的直徑限制在Dmax＝1.30m，由設計軟件按普通槳AU4計算，結果如下。

1）自由航行工況槳徑1.30m，螺距比1.88，自由航速10.62kn，系泊拖力27.08kN；

2）拖網工況（vs＝4.00kn），槳徑1.30m，螺距比1.74，自由航速10.41kn，系泊拖力29.02kN。

很明顯，由于螺旋槳直徑限制，螺距比P／D已經超過了常規的P／D≤1.6，因此，本船型如果采用單機單槳，在航行性能及拖網性能上，肯定效能很差。在考慮設計計算更可靠的前提下，根據本漁船要求的性能應該將單機槳改為雙機雙槳。

2.2 按雙機雙槳計算

本漁船采用的雙機為相同功率（標定功率為136kW）、相同轉速（標定轉速為750r／min），但旋向相反的主機，減速齒輪箱速比為3∶1，并采用AU4普通槳作為設計螺旋槳（螺旋槳直徑限制在1.30m以內）。

2.2.1 按自由航行工況設計（vs＝4.00kn）

1）每臺單機設計軟件計算結果。

槳徑1.30m，螺距比1.51，自由航速9.97kn，系泊拖力16.7kN，拖力16.21kN。

2）有效功率曲線。

將最大自由航速9.97kn，相當于vs＝5.13m／s代入船體阻力公式得R＝17.38kN。

則雙機雙槳的有效推力為T′＝2T＝2R＝34.76kN

此時船舶的最大自由航速為11.89kn。

3）確定螺距。

由于按單機槳設計，螺距比1.51，螺距1.96m，此時航速僅為9.97kn，而雙機雙槳船的實際航速可達11.89kn，若仍螺距1.96m之槳用在該船上，此時螺旋槳運轉顯然偏輕，為此必須加大螺旋槳的螺距。

如前所述，設計雙機雙槳時，另一個槳產生的推力對設計軟件來說相當于該設計船阻力的“減少”，故采用調整船型系數k，猶如“減小”船的阻力，使得該船按單機槳設計的航速恰巧能達到11.89kn；應用軟件設計時可逐一調整修正系數k，使得按單機槳計算出來的最大航速恰好是v′s，此時的螺距就是雙機雙槳應采用的值。實例表明，當船型修正系數k＝0.53時，此時航速為11.89kn，得到螺旋槳設計的結果為槳徑1.30m，螺距比1.57，系泊拖力15.99kN，拖網（4.00kn）時拖力為15.6kN。

4）雙機雙槳設計結果。

按自由航行工況設計，槳徑1.30m，螺距2.04m，4葉，盤面比0.63，船的自由航速11.89kn，系泊拖力31.98kN，拖網（4.00kn）時拖力為31.2kN。

2.2.2 按拖網工況設計

1）單機單槳軟件計算結果。

槳徑1.3m，螺距比1.208，自由航速9.21kn，系泊拖力20.97kN；拖網時（4.00kn），拖力19.78kN；

2）計算阻力。仿上法，將自由航速9.21kn，相當于vs＝4.74m／s代入阻力公式得阻力為12.87kN。

將雙機雙槳的有效推力T′＝2T＝2R＝25.74kN代入上式，解得最大航速為＝10.99kn。

3）雙機雙槳計算結果。

按拖網工況槳徑1.30m，螺距1.57m，4葉，盤面比0.55，船的自由航速10.99kn，系泊拖力41.93kN，拖網（4.00kn）時拖力為39.6kN。

3.2.3 按折衷工況（vs＝8.00kn）設計

雙機雙槳計算結果為：槳徑1.30m，螺距1.72m，4葉，盤面比0.55，船的自由航速11.40kn，系泊拖力37.67kN，拖網（4.00kn）時拖力36.04kN。

3 討論

1）計算雙機雙槳船時，由于螺旋槳是布置在船舯的左右兩側，其伴流分數和推力減額與單螺旋槳船的計算公式是不相同的。根據筆者對一般漁船的計算，其單槳船的伴流分數約是雙槳船的2倍。

2）對于多工況的船舶，如拖輪、拖網漁船，尤其是當螺旋槳直徑受較大限制時，淺水內河船或漁港條件較差的漁船，或要求操縱性能較高的客船等，雙機雙槳船可以收到較明顯的效果。

3）從以上計算分析來看，在螺旋槳設計時，若主機總功率確定，而螺旋槳直徑不受較大限制，則單機單槳的效率最高；若螺旋槳的直徑有較大限制，則可以考慮采用雙機雙槳推進裝置。以本文實船為例，主機總功率為272kW，如果槳直徑受船舶吃水等條件限制，其最大直徑為1.30m時，采用雙機雙槳時，按自由航行設計航行性能能提高8.3%，系泊拖力性能提高15.5%；按拖網工況設計系泊拖力性能提高44.6%，而航行性能能提高2.1%。很顯然，雙機雙槳船舶在改善拖力性能時作用尤為明顯。

4）以上原理和計算方法同樣可推廣到多機多槳，例如三機三槳等。

［1］陳澤梁，朱 超，施用山，袁維謹.簡易導管三葉可調螺距螺旋槳試驗研究［J］.上海交通大學學報，1980（1）：71-90.

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