螺旋槳選型的圖譜應用

付品森

(卡特彼勒船用推進器上海有限公司，上海 200050)

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螺旋槳選型的圖譜應用

付品森

(卡特彼勒船用推進器上海有限公司，上海 200050)

由于螺旋槳是船舶推進系統的重要組成部分,因而螺旋槳的選型設計是船舶建造設計中非常重要的工作。通過初步選型和最終選型2個步驟，利用圖譜并結合在工作中的實際案例介紹了螺旋槳選型的具體方法和以最佳直徑為指標的選型方法。

螺旋槳；船模報告；最佳直徑；圖譜

0 引言

螺旋槳是船舶推進系統的重要組成部分，為船舶前進提供推力，起著將主推進柴油機發出的功率化為推力的作用，因此螺旋槳設計的好壞直接影響到船舶的推進性能。

設計螺旋槳時應仔細研究船舶的性能要求，做好調研工作，盡可能多地掌握數據，如船模實驗數據、運行工況等，尤其要重視系柱拖力這個參數，因系柱拖力是某些船舶如港口拖輪、工程拖船螺旋槳設計的重要考核指標，從而保證設計的螺旋槳在實際運行過程中滿足需求，效率更高。

1 螺旋槳的設計須要知道的參數

螺旋槳設計一般分為初步設計和最終設計。初步設計用于估算所需要的主機功率和螺旋槳的初步選型。最終設計是在知道主機功率后，將螺旋槳最終確定并細化各參數適合于生產制造。

1.1 初步設計

在初步設計階段，根據設計任務書，對新設計船設計出最合適的螺旋槳，以達到航速的要求或達到一定拖力的要求。

船舶線型初步設計完成后，要根據線型估算該船的有效阻力曲線，或者是通過航模試驗求得該船的有效阻力曲線。首先根據設計要求估算出在某一特定航速下的有效阻力，可得出船身的有效阻力功率PE；其次依據船體參數推力減額和伴流系數可得出船身效率ηH，則螺旋槳的推功率PT=PE/ηH，從而估算螺旋槳的敞水效率、相對旋轉效率及軸系的傳送效率，進而得出主機的推進功率；最后根據主機推進功率來訂購主機，此為螺旋槳的初步設計。

在計算主機功率時應注意螺旋槳存在著螺旋槳的直徑和螺旋槳轉速2種變量，要根據實際情況去優化匹配螺旋槳直徑和轉速。

1.2 最終設計

主機功率決定后，此時所選定的主機往往與初步設計時有所不同，因為各設備廠家所供貨的主機功率和轉速是各不相同的，和設計所需要的也是不相同的，需要從功率儲備和節省成本的角度選取相近的主機。主機確定后，主機的功率和轉速即確定下來，此時要依據主機的功率和轉速重新設計螺旋槳的直徑和轉速。而螺旋槳的直徑往往受制于船體線型。某些二沖程主機有時候會限制螺旋槳的轉速，這就需要去匹配螺旋槳轉速和直徑。

匹配螺旋槳的轉速和直徑是一個不斷嘗試的過程。根據這兩個變量，運用螺旋槳的圖譜曲線組去匹配，尋找最佳的螺旋槳。然后設計出螺旋槳的螺距、傾角、弦長、厚度、盤面積等參數，此即為螺旋槳的詳細設計。

綜上所述，設計螺旋槳需要的參數有推力減額、伴流系數、主機功率、航速等。

2 螺旋槳的圖譜設計及應用

船用螺旋槳的設計目前有圖譜設計法和環流理論法2種方法。

環流理論是根據流體力學原理中的升力線理論及各種槳葉切面的試驗或理論數據進行螺旋槳設計。此種方法計算繁復，工藝復雜，在我國應用較少，不屬于本文討論范圍。

圖譜設計是根據螺旋槳模型的敞水系列試驗繪制成專用的各類圖譜來進行設計的方法。該方法計算簡單，易于掌握，資料日益豐富，其結果偏差不大，通常較為滿意，是目前應用最廣的一種設計方法。

2.1 圖譜

目前公開發表的國外圖譜主要有荷蘭的B型、C型、D型，英國的高恩系列，日本的AU型，國內主要有螺旋槳GD系列圖譜。通常所見的圖譜是敞水性征曲線KT-KQ-J圖譜，KT為推力系數，KQ為轉矩系數。圖1 為AU系列的圖譜[1]，P/D為螺距比。

在敞水性征曲線KT-KQ-J圖譜中，橫坐標進速系數J=VA/(nD)，其中VA為螺旋槳的進速，n為螺旋槳轉速，D為螺旋槳直徑。此式包含了螺旋槳轉速和直徑2個未知變量，而在螺旋槳詳細設計中，螺旋槳的直徑和轉速也是未知數 (當然在選用低速機的時候，主機的轉速是已知數，而螺旋槳的直徑是未知數)，這給螺旋槳設計帶來了不便，無法通過該曲線組來設計螺旋槳。為此，需要將敞水性征曲線轉繪成專用圖譜，BP-S型圖譜就是目前應用較廣的一種，BP為B型圖譜所采用的功率系數，δ為直徑系數。

圖1 KT-KQ-J敞水圖譜

BP和δ的計算可根據文獻[1]求得：

(1)

(2)

式中：Q為轉矩；ρ為水的密度，kg/m3；n為螺旋槳轉速，r/s；N為螺旋槳轉速，r/min；PD為螺旋槳收到的功率，kW；VA為螺旋槳進速，kn；D為螺旋槳直徑，m；BP因為含有計算所需的功率，稱為功率系數；δ因為含有計算所需的直徑，稱為直徑系數。

至此可以把KT-KQ-J圖譜轉化為螺旋槳設計用的Bp-δ圖譜，圖譜詳細內容見文獻[1]。

2.2 初步設計圖譜應用

在進行初步設計時應首先確定伴流系數ω、推力減額t、相對旋轉效率ηR以及傳送效率ηS，舉例如下。

Aranui V客滾船由我國北方某船廠于2013年開始建造，船東要求該船航速不得小于15 kn。

首先選定螺旋槳的形式。采用荷蘭水池B4-70圖譜來做初步選型，根據船體設計該船所能容納的最佳螺旋槳直徑為3.4 m；其次確定螺旋槳轉速N和主機功率PS這2個參數。由式(1)和式(2)可見，無法確定其中任何一個參數，因此需要假定一組轉速N來進行計算，由不同的N值來確定不同的主機功率，找出最佳的一組做為選型方案。已知航速VS=15 kn，伴流系數ω=0.23，槳徑=3.4 m，進速VA=11.55 kn，船模報告PE=1 161 kW。具體步驟按表1進行。

將表1的計算結果繪制成圖2，以轉速N為橫坐標，以PD、PS、PTE為縱坐標，以航速15 kn時的有效功率1 161 kW作水平線與PTE曲線相交，此交點即為所求螺旋槳。作一通過此交點的垂直線，此垂直線與橫坐標的交點即為我們所求的螺旋槳的轉速，與PS的交點即為所求的主機功率。通過圖2可以看到，所求螺旋槳的轉速為178 r/min, 主機功率約為1 925 kW。

2.3 最終設計圖譜應用

初步設計結束后，可以根據計算結果選出主機，此時的主機往往與初步設計的結果又有所不同。主機的選擇標準有多種，各有考量，在這里本文不作探討。螺旋槳的最終設計要根據主機的參數，從圖譜中找出最佳螺旋槳。計算步驟如下：

表1 客滾船Aranui V的螺旋槳初步選型

圖2 客滾船Aranui V的初步計算結果

(1)由主機的功率及軸系傳遞效率和相對旋轉效率可算出螺旋槳的收到功率PD=PBηSηR。

(2)根據航速VS和伴流系數ω算出螺旋槳的進速VA。

(3)根據式(1) 并假設1組轉速N可計算出BP值。

(4)在BP-δ圖譜上找出BP所對應的最佳效率。

(5)由最佳效率線和BP交點找出δ值，螺距比P/D。

(6)由式(2) 和δ算出1組最佳直徑Dopt。

(7)根據實船的直徑D和最佳直徑Dopt比值算出D/Dopt,調整轉速，使此值在0.95～0.98之間，得出1組轉速。

在設計之初將D/Dopt比值保持在0.95～0.98之間是為了消除螺旋槳實際運行中的偏差。螺旋槳在運行時的實際航速與設計時會有所不同，螺旋槳的進速系數也會變化，如果設計的最佳槳徑要與實際槳徑保持一致，即D/Dopt=1, 則螺旋槳的進速系數J值很有可能超過設計值，從敞水效率曲線圖上很清楚地看到，效率會下降得很快；如果D/Dopt小于1，則效率變化范圍不會很大。特別是對于可調距螺旋槳來說尤其明顯，調距槳的螺旋槳螺距會運行在設計螺距之下，實際的D/Dopt會相應增大。這一點也是許多螺旋槳設計者忽略的地方。

(8)再根據實際的減速齒輪箱能做到的減速比，選擇最佳轉速。

現舉例如下：

客滾船 Aranui V的主機最終選擇中速機，主機功率4 000 kW，600 r/min, 船東要求螺旋槳運行在主機功率2 200 kW、航速不小于15 kn工況下。

(1)根據步驟進行計算。把2 200 kW和15 kn作為螺旋槳的水動力優化點，依據上述步驟最終選型計算結果見表2。已知主機功率PB=2 200 kW，傳送效率ηS=0.98，相對旋轉效率ηR=0.99，槳收到功率PD=2 134.44 kW，槳徑=3.4 m，航速VS=15 kn，伴流系數ω=0.23。

(2)比較不同轉速下的螺旋槳的指標，選取最佳轉速范圍。根據初步計算的轉速178 r/min作為參考，選取170～195 r/min為計算范圍，發現在轉速195 r/min 時，D/Dopt已經超過了1，所以螺旋槳的轉速最高值不可超過195 r/min。再依據減速齒輪箱的轉速比，最終將轉速確定在179 r/min，以此作為螺旋槳設計運行的轉速。

3 航速預估

螺旋槳基本選型確定后，接著要估算航速。把螺旋槳的轉速定在179 r/min, 選出1組不同的航速，根據式(2)，查出1組不同的δ值，不同的δ值可得出1組不同BP值，并由式(1)推算出PD值，進而算出PE值， 即螺旋槳的推進功率。把航速、實算槳的推進功率、船模報告的推進功率做成表格，見表3。以航速為橫坐標，以功率為縱坐標，將表3繪制成圖3，計算槳的推進功率和船模報告的推進功率的交叉點即為計算螺旋槳所能達到的航速。從圖3看出，螺旋槳的預估航速在15.6 kn，滿足客戶要求。由于該船主機功率為4 000 kW, 雖然船東對于該船的100%MCR 航速不做要求，但船舶試航做主機耐力實驗時會以100%MCR的航速運行，依據上述方法找出4 000 kW時螺旋槳的推進功率時大概在2 400 kW， 從船模實驗報告的推進功率曲線找出和2 400 kW的交叉點所對應的橫坐標即為航速。該點的航速從曲線圖上可以看出在17.8 kn左右。該船的實船試航航速平均在17.6 kn左右，與預估基本一致。

表2 Aranui V最終選型計算結果

表3 航速預估

圖3 最終計算的航速預估

船舶的航速是由螺旋槳發出的推力和船舶的阻力共同決定的，從螺旋槳的圖譜應用過程來看， 航速是選擇螺旋槳的一個輸入條件，而不是輸出條件。圖譜的應用是要去正確地輸入航速來選擇正確的螺旋槳，而不是創造性地去設計螺旋槳來保障航速。

4 結語

螺旋槳的選型是一項非常基礎同時又非常重要的工作，選型的依據要綜合來看待船舶的運行狀況、船東需求、市場成本、技術配置等。僅就技術方案而言，效率、盤面比、葉厚、弦長、空泡數等又相互制約，所以槳葉設計一定要綜合地看待整個設計過程，反復修正，折衷地選擇一種方案 。

[1] 盛振邦, 劉應中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學出版社，2004.

2016-04-24

付品森(1980—)，男，工程師，研究方向為螺旋槳的選型、軸系的布置安排、電力推進系統、油電混合動力推進系統的控制方案。

U664.33

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