船舶螺旋槳設計

鄭華

摘 要：螺旋槳是造船行業必備的推進部件，它的設計精度將直接影響船的推進速度，它為船的前進提供的推力。螺旋槳設計是整個船舶設計的一個重要組成部分，它是保證船舶快速性的一個重要方面。一般螺旋槳設計是在初步完成了船舶線型設計，并通過估算或用船模試驗的方法確定了船體有效功率之后進行的。影響螺旋槳推進性能的因素很多，在本設計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行研究，并通過在工作中積累的經驗，設計一艘內河A級拖船的螺旋槳。

關鍵詞：螺旋槳；直徑；螺距比；盤面比；槳葉輪廓形狀

引言

船在水面或水中的航行時遭受阻力，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，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠專門的裝置或機構通過吸收主機發出的能量并把它轉換成推力而得，而這種專門吸收與轉換能量的裝置或轉換能量的裝置或機構統稱為推進器。推進器種類很多，例如風帆，民輪，直葉推進器，噴水推進器及螺旋槳等，螺旋槳構造簡單，造價低廉，使用方便，效率較高，是目前應用最廣的推進器。

一、工作原理

螺旋槳的工作是靠槳葉向后撥水來實現的。它在工作時，一面隨主機驅動而旋轉，一面隨船舶前進而前進，這兩種運動的組合即為螺旋運動。

螺旋槳工作時，發出的推力用以克服船的阻力，推船前進。遭受的阻力矩由主機發出的旋轉力矩克服之。可見，當螺旋槳以轉速n進行旋轉時，必須吸收主機所供給的轉矩Q，才能克服力矩。螺旋槳吸收的功率為2πnQ。螺旋槳在運動中產生推力T，且以進速VA推船前進，其所發揮作用的功率為TVA。故螺旋槳的效率為

ηo = 推功率/吸收功率=TVA/2πnQ

為了提高螺旋槳的效率，總是力求使螺旋槳所產生的推力增大，而使運動中所遭受的阻力矩減少，從而使主機供給的轉矩減小。

二、項目設計過程及結果與分析

船體主尺度及船型系數

這個螺旋槳設計來自于一艘內河A級拖船，以下是與該設計有關的船體的主尺度及船型系數：

總 長 23.7米 水線長 23米

型 寬 5.30米 型 深 2.0米

設計吃水 1.25米 設計排水量 ～88.7噸

艏舷高 2.55米 艉舷高 2.25米

方形系數 0.578 水線面系數 0.809

中剖面系數 0.917 縱向菱形系數 0.630

浮心縱向位置 -0.651

2.1 螺旋槳要素選取及結果與分析

2.1.1 螺旋槳要素選取

靜深水狀態下的設計拖帶航速： Vs=13km/h≈7.0kn

螺旋槳直徑： D=1.10m

主機型號： NT/NTA885-M

數量： 2臺

MCR： 200hp x1744rpm

功率儲備： 10%

設計點工況： 180hp x1744rpm

齒輪箱減速比： 4 ： 1

螺旋槳轉速： N=436rpm

軸系效率： ηs=0.96

齒輪箱傳遞效率： ηg=0.97

伴流分數： w=0.13

推力減額： f=0.14

船身效率： ηh=0.989

2.1.2 結果與分析

經計算分析可知滿足空泡要求的最小盤面比約為Ae/Ao=0.65

根據MAU4～40、MAU4～55、MAU4～70查得結果內插可知：

在該盤面比下的螺距P/D=0.807，敞水效率ηo=0.461

2.2 強度計算結果與分析

2.2.1 強度計算結果

螺旋槳材料 鎳鋁青銅（Cu3）

最小抗拉強度 σb 590N/mm2

材料比重 G 7.6g/cm3

材料系數 K 1.38

主機輸出功率 Ne 200hp（147kw）

螺旋槳轉速 ne 436rpm

螺旋槳直徑 D 1.100m

螺旋槳盤面比 Ae 0.650

螺旋槳螺距比 P/D0.70R 0.807

螺旋槳螺距比 P/D0.60R 0.807

螺旋槳螺距比 P/D0.25R 0.807

螺旋槳后傾角 ε 10.00

螺旋槳葉數 Z 4

2.3.2結果分析

根據中國船級社≤鋼質海船入級與建造規范（2001）≥及≤修改通報≥（2004）得出此計算結果滿足規范對強度的要求。

2.3計算總結

直徑 D=1.10m

槳數 2只

螺距比 P/D=0.807

盤面比 Ae/Ao=0.65

葉型 MAU

葉數 Z=4

材料 鎳鋁青銅（Cu3）

重量 ～170kg

自由航速 ～18.8km/h

三、結論

螺旋槳為船的前進提供的推力，但影響螺旋槳推進性能的因素很多。本設計項目結果表明，它與主機、船體和流體間的關系密切，如何正確處理螺旋槳各要素如直徑、螺距比H/D，盤面比、槳葉輪廓形狀、葉數及轉速n等的關系也是設計的關鍵及難點，通過這次的學習和實踐分析，并取得了一定的成果。

參考文獻

[1] 中國船級社≤鋼質海船入級與建造規范（2001）≥及≤修改通報≥（2004）

[2] ≤船用螺旋槳設計≥.廣東工業院造船系編寫組編，1976年10月，第一版。

[3] ≤船舶動力裝置設計≥.上海交通大學，編，1991年11月，第一版。

[4] ≤內河船舶設計手冊≥.長江船舶設計院編，，1972年12月，第一版