第1章螺旋桨设计与绘制1.1螺旋桨设计螺旋桨设计是船舶快速性设计的重要组成分。

在船舶型线初步设计完成后，通过有效马力的估算获船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。

在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又能使消耗的主机马力最小；或者当主机已经选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。

螺旋桨的设计问题可分为两类，即初步设计和终结设计。

螺旋桨的初步设计：对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速计效率决定主机的转速及马力。

终结设计：主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。

在本文中，根据设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.6m，进行初步设计，获得所需主机的马力和主机转速，然后选定主机；根据选定的主机，计算最佳的螺旋桨要素及所能达到的最大航速等。

1.1.1螺旋桨参数的选定（1）螺旋桨的数目选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、震动、操纵性能及主机能力等各方面因素。

若主机马力相同，则当螺旋桨船的推进效率高于双螺旋浆船，因为单螺旋桨位于船尾中央，且单桨的直径较双桨为大，故效率较高。

本文设计船的设计航速约为17.5kn的中速船舶，为获得较高的效率，选用单桨螺旋桨。

（2）螺旋桨叶数的选择根据过去大量造成资料的统计获得的桨叶数统计资料，取设计船螺旋桨的叶数为4叶。

考虑到螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，在图谱设计中，单桨商船的桨叶数也选为4叶。

（3）桨叶形状和叶切面形状螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼型两种。

弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载时效率较机翼型约低3%~4%。

若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商用螺旋桨采用机翼型切面。

根据以上分析，选择MAU4叶桨系列进行螺旋桨设计。

1.1.2 螺旋桨推进因子螺旋桨的伴流分数取螺旋桨以等推力法进行敞水实验获得的实效伴流：0.404ω=推力减额按照汉克歇尔关于单桨螺旋桨标准商船公式进行计算：0.500.120.22P t C =-=主机的轴系传递效率： 0.97s η= 相对旋转效率： 1.00R η= 船身效率： 1 1.311H tηω-==-1.1.3 有效马力曲线有效马力曲线表征的是船体阻力特征。

通过近似估算获船模阻力计算实验来确定船体的有效马力曲线。

对应于不同装载情况下有不同的有效马力曲线，常用的为满载和压载。

考虑到由于风浪或污底等情况，尚需增加一定百分数的有效马力预度。

本文取满载和110%满载情况进行设计。

表4- 1有效马力曲线航速 V/kn15 15.5 16 16.5 17 有效功率()E P hp满载 5044 5600 6211 6895 7675 110%满载 5548 6160 6832 7584 8442 航速 V/kn17.5 18 18.5 19 19.5 有效功率()E P hp满载 8566 9522 10540 11663 13195 110%满载 9423 10474 11594 12829 14514 航速 V/kn20 20.5 21 21.5 22 有效功率()E P hp满载 15410 18523 22669 27899 34192 110%满载1695120375249353068937611根据上表可绘制设计船在满载情况下的有效马力曲线图4- 1有效马力曲线1.1.4 初步设计根据有效马力曲线，设计航速17.5kn ，设计螺旋桨直径6.60m ，以MAU4-55系列桨为基础，计算所需的主机马力和最佳转速。

具体的计算表格见表4-2表4- 2初步设计确定最佳转速的计算序号 名称 单位 数据 1 螺旋桨直径m 6.6 2 11H tηω-=- 1.31 3 (1)A V V ω=-kn 10.43 4 E Php 8566 5 假定一组转速N r/min 95 100 105 110 115 6直径系数/A ND V δ=60.1263.2866.4469.6172.777查MAU4-55图谱，由δ等值线和最佳效率曲线的交点得到 P/D0.762 0.742 0.724 0.704 0.686 0η0.606 0.593 0.576 0.564 0.548 pB5.095.415.726.026.348252P A D B V P N= 9180 10573 11985 13397 150799主机马力/s D s R P P ηη= 9464 10900 12355 13812 1554610计算螺旋桨能克服的有效马力0TE D H P P ηη=7288 8214 9043 9899 10825有上表可绘制确定最佳转速的图，如图4-2.根据E P 和TE P 的交点可获得：最佳转速为N=102r/min ，所需主机马力为11500hp ，P/D=0.732，0η=0.582。

图4- 2确定转速的计算结果1.1.5 终结设计根据初步设计的结果，选定主机型号为苏尔寿5RTA68柴油机一台，最大持续功率为13250hp ，转速为102r/min ，旋向为右旋。

采用MAU4叶桨图谱进行计算 取功率储备10%，轴系效率 0.97s η=螺旋桨敞水收到马力：s =132500.911567.25()D R P hp ηη⨯⨯= 根据MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70的-p B δ图谱列表 计算表4- 3 按-p B δ图谱设计的计算表项目 单位 数值假定航速kn 16 17 18 19 (1)A V V ω=-kn9.53610.13210.72811.324续表4- 4 按-p B δ图谱设计的计算表0.5 2.5/p D A B NP V =39.066 33.572 29.102 25.422 pB6.250 5.794 5.395 5.042 MAU4-40δ73.4 68.6 64.5 61.1 P/D0.651 0.674 0.696 0.718 0η0.567 0.588 0.607 0.625 0TE D H P P ηη=hp 8592 8910 9198 9471 MAU4-55δ72.1 67 63.1 59.6 P/D0.697 0.72 0.743 0.768 0η0.552 0.573 0.593 0.61 0TE D H P P ηη=hp 8365 8683 8986 9243 MAU4-70δ70.8 66.5 62.6 58.9 P/D0.707 0.73 0.759 0.783 0η0.532 0.551 0.567 0.582 0TE D H P P ηη=hp8061834985928819根据上表的计算结果可绘制P TE 、δ、P/D 及0η对V 的曲线，如图4-3.从P -()TE f V 曲线与满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D ，D 及0η，如表4-4.表4- 5按图4-3设计计算的最佳要素MAU Vmax/kn P/D δD/m 0η4-40 17.81 0.691 65.2 6.79 0.6044-55 17.66 0.736 64.2 6.62 0.5874-70 17.43 0.741 64.8 6.60 0.559图4- 3MAU4叶桨图谱设计计算结果1.1.6空泡校核螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，成为空泡。

一旦桨叶上出现空泡，或导致桨叶表面材料的剥蚀，或时螺旋桨性能恶化。

因此，在设计螺旋桨时，应考虑其是否发生空泡或空泡发展的程度，故需进行空泡现象的预测，以便确定所设计的螺旋桨是否符合要求。

目前常使用螺旋桨模型空泡实验或大量实船资料整理所得的图谱，或由统计数据归纳而成的近似公式进行空泡校核。

本文按波利尔空泡界限中商船上界限，计算不发生空泡的最小展面比：0.350.400.450.500.550.600.130.140.150.160.170.180.190.20τc =(T /A P )/(0.5ρV20.7R)σ0.7R =p 0/(0.5ρV20.7R)图4- 4波利尔空泡接线图浆轴中心距基线 m Z P 68.3=浆轴沉深 m Z T h P s 14.768.382.10=-=-= 海水密度 42/6.104m kgs =ρ 标准大气压力 2/10330m kgf P a = 螺旋桨敞水收到马力 hp P D 25.11567=表4- 6空泡校核计算结果序号项目单位数据MAU4-40 MAU4-55 MAU4-701 E 0/A A0.4 0.55 0.7 2 Vkn17.81 17.66 17.43 3 0a sp p h γ=+ 2.kgf m - 17648.5 17648.5 17648.5 40.515(1)A V Vω=-1.m s -5.475.425.35续表4- 7空泡校核计算结果5 2A V12(.)m s -29.88 29.38 28.62 6 Dm6.796.62 6.60 7 0.760ND π1.m s - 25.38 24.75 24.67 8 20.760N D π⎛⎫⎪⎝⎭12(.)m s - 644.37 612.51 608.81 9 2220.70.760R A N V V D π⎛⎫=+ ⎪⎝⎭12(.)m s - 674.25 641.89 637.43 10 20.70.5R V ρ2.kgf m -35273.42 33580.34 33347.24 11 20.7R 00.7/(0.5)R p V σρ=0.500 0.526 0.529 12查商船螺旋桨空泡0.1770.18320.18413 145.6T=(1)EP t V-推力kgf96042.63 94050.14 90727.9514 2p 0.7/0.5c R A T V τρ=需要投射面积2m 15.38 15.29 14.79 15 E p =/(1.0670.229/)A A P D -需要投射面积2m 16.93 17.02 16.48 16 204A D π=2m36.21 34.32 34.21 17E 0/A A 需要盘面比0.4670.4960.482根据表4-5计算结果作图4-5，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的的最佳螺旋桨要素。

0/0.487E A A = /0.72P D = m D 68.6=kn V 73.17max = 00.592η=图4- 5空泡校核计算结果1.1.7 强度校核为了保证船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。