某内河拖船螺旋桨设计
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作者: 郑华
摘 要：螺旋桨设计是整个船舶设计的重要组成部分。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，并结合在工作中积累的经验，设计一艘性能较好的内河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
中图分类号：662.2 文献标识码：A
1 引言
船舶在水面航行时遭受阻力，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，螺旋桨即为船舶提供推力。影响螺旋桨推进性能的因素很多，在处理这些因素时，一般都从螺旋桨的效率、空泡、强度、工艺和振动等方面作统盘考虑。
2 设计过程及结果分析
2.1 船体主尺度及船型系数
2.2 有效马力估算
有效马力估算采用兹万科夫法，见表1。
2.3 螺旋桨要素选取及结果分析
2.3.1 螺旋桨要素选取（表2）
2.3.2 空泡校核 （伯利尔限界线，表4）
经计算可知，满足空泡要求的最小盘面比约为Ae/Ao=0.65。根据MAU4～40、MAU4～55、MAU4～70按内插法可知，在该盘面比下的螺距P/D=0.807，敞水效率ηo=0.461。
2.4 推力曲线及自由航速计算
拖船有两种典型的航行状态：自航状态和拖航状态。拖船在自由航行状态时，螺旋桨发出的推力只用于克服自身船体阻力；在拖带航行时，除了克服船体自身阻力外，还需要克服拖钩上的拉力。两种不同工况螺旋桨的工作状态相差很大。
一般来说，可以根据拖船的使用情况来决定螺旋桨的设计工况。例如，专门用于拖带驳船队的拖船，其大部分工作时间用于拖带，则以拖带状态设计螺旋桨。本设计项目就以拖带状态设计螺旋桨。
2.4.1 设计航速时的有效推力（表5）
表5 设计航速时的有效推力
拖船的螺旋桨通常是按设计航速Vs设计的。要计算设计航速时螺旋桨发出的推力，首先要根据设计航速确定螺旋桨的进速系数J，并按螺旋桨的叶数、盘面比、螺距比及进速系数查得螺旋桨的性征曲线图，即可得螺旋桨在此工况下的KT，根据KT就可以求出螺旋桨敞水推力，考虑推力减额后即可得螺旋桨在船后发出的有效推力。
2.4.2 高于设计航速时的有效推力（表6）
表6 高于设计航速时的有效推力
2.4.3 低于设计航速时的有效推力（表7）
表7 低于设计航速时的有效推力
2.4.4 自由航速的确定
将表格计算结果画成推力速度曲线（T～V）。
推力曲线与船体阻力曲线之交点对应的速度即为自由航行速度见，图1。
V=10.14 kn=18.78 km/h
图1 自由航速的确定
2.5 强度校核与分析
螺旋桨应该具有较高的效率，也应该有足够的强度，以保证船舶安全航行。在设计螺旋桨时，必须进行强度校核，其目的是确定足以保证强度的叶片厚度，以及沿径向的分布规律。
螺旋桨桨叶可看作固定于浆毂的悬臂梁。当螺旋桨在水中旋转时，作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力（T/Z）及与转向相反的阻力（F/Z），两者都使桨叶产生弯曲和扭转。此外，由于螺旋桨桨叶在旋转时产生离心力（C），使桨叶受到拉伸作用，若桨叶具有侧斜或者纵斜，则离心力还会使桨叶产生弯曲。螺旋桨的强度校核就是核算在这些外力作用下，桨叶切面强度是否满足需要。若不能满足需要时，则需增加叶片的厚度。但随着叶片厚度的增加螺旋桨效率下降，所以应当在满足强度的前提下选取较薄的叶片。由于桨叶是扭曲的变截面悬臂梁，且其横截面并不对称，同时作用在桨叶上的外力也难精确算出，故在螺旋桨设计中，一般都用理论和实验相结合的近似办法来进行螺旋桨的强度计算。
逻姆逊强度校核法是内河船舶螺旋桨强度校核中常用的一种方法。此法是以切面所受的最大压应力来校核桨叶的强度。并且认为只要半径为0.25R和0.6R处的切面能满足强度要求，则整个桨叶就能满足强度要求，所以只需校核上述两个切面的最大压应力。
强度计算结果如下（满足规范要求）：
2.6 螺旋桨模型的敞水实验
螺旋桨模型单独在静水中的实验称为敞水实验，实验可以在船模实验池或空泡水筒中进行。它是检定和分析螺旋桨性能较为简便的方法。
螺旋桨敞水实验的目的：
（1）进行螺旋桨模型的系列实验，将所得的结果绘制成图谱，以供螺旋桨设计之用；
（2）根据系列选取的结果，可以全面系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能提供方便；
（3）为配合自航实验和进行同一螺旋桨的敞水实验时，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。
由设计和实验证明，要使几何相似的螺旋桨成为动力相似，主要具备的条件是进速系数J相等。就是说，不论实际螺旋桨与模型螺旋桨旋桨之间的绝对尺度和运动速度怎么不同，只要保持它们之间的几何相似、进速系数J相等，则无因次系数KT、KQ和ηo均相等，因此可将螺旋桨的模型实验结果应用于其几何相似的实际螺旋桨中。当几何形状或进速J改变时，则无因次系数KT、KQ和ηo亦随之改变；因此对于几何形状一定的螺旋桨来说，其水动力性能只与进速系数J有关，而KT、KQ和ηo为进速系数J的函数。
螺旋桨实验的目的就是要测定螺旋桨的性能数据，即求出上述KT、KQ和ηo与J的变化规律，一般是采用保持模型的转速n不变，而以不同的进速VA进行实验来改变进速系数J的值。
3 结论
螺旋桨为船的前进提供推力，影响螺旋桨推进性能的因素很多。本设计结果表明，它与主机、船体和流体间的关系密切，如何正确处理螺旋桨各要素如直径、螺距比、盘面比、桨叶轮廓形状、叶数及转速等的关系是设计的关键，通过这次的实践，取得了一定的成果。
（1）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；
（2）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；
（3）在设计螺旋桨时，均选择不发生空泡的最小盘面比；
（4）桨叶的外形轮廓对螺旋桨的效率和空泡性能都有影响，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）若直径和盘面比相同，则叶数少时效率较高。
（6）螺旋桨的转速和主机的转速之间要匹配好。
参考文献
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