船舶快速性螺旋桨设计

课程设计成果说明书

题 目： 散货船螺旋桨设计

学生姓名： 杨再晖

学 号： 101306119

学 院： 东海科学技术学院

班 级： C10船舶1班

指导教师： 应业炬

浙江海洋学院教务处

2013年 6月 21日

浙江海洋学院课程设计成绩评定表

2012 —2013 学年 第 2 学期

学院 东海科学技术学院 班级 C10船舶1班 专业 船舶与海洋工程

摘要

螺旋桨是船舶的重要组成部分之一，没有它，船舶就无法快速的前行，是造船行业必备的推进部位。螺旋桨设计是船舶设计过程中有关船舶快速性性能设计的重要组成部分，它的设计精度将直接影响船的推进效率。

在船舶线型初步设计完成后，通过有效马力的估算或船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。在此基础上，设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机功率小；或者当主机已选定，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，本次课程设计属于第二种。

影响螺旋桨性能的因素有很多，主要有螺旋桨的直径，螺距比，盘面比，桨叶轮廓形状等因素。本次课程设计是用船体的主要参数、主机与螺旋桨螺旋桨参数、设计工况算出以上数据，设计一个螺旋桨，并用CAD软件画出螺旋桨的外形。

关键词：螺旋桨设计；图谱；AUTOCAD

目录

1、已知船体的主要参数 .................................................................... 1

2、主机与螺旋桨参数 ...................................................................... 1

3、设计工况 .............................................................................. 1

4、按船型及经验公式确定推进因子 .......................................................... 2

5、可以达到最大航速的计算 ................................................................ 2

6、桨叶空泡校核，确定螺旋桨主要参数 ...................................................... 4

7、桨叶强度校核 .......................................................................... 6

8、螺距修正 .............................................................................. 8

9、重量及惯性矩计算 ...................................................................... 8

10、绘制螺旋桨水动力性能曲线 ............................................................. 9

11、系柱特性与航行特性计算并绘制航行特性曲线图 .......................................... 10

12、航行特性计算时取3挡转速按下表进行： ................................................ 11

13、螺旋桨计算总结 ...................................................................... 13

14、感想 ................................................................................ 14

15、参考资料 ............................................................................ 14

1、已知船体的主要参数

船型：单浆、舵、钢质全焊接结构尾机型散货船。

总 长 LOA 60.50m

设计水线长LWL 56.60m

垂线间长LPP 55.00m

型 宽B 9.70m

型 深 D 4.90m

设计吃水 d 4.0m

设计排水量 △ 1450t

方形系数 CB 0.635

棱型系数 CP 0.697

螺旋桨数 1

2、主机与螺旋桨参数

型号台数 道依茨BV6M6281 台

最大持续功率 1352 hp

额定转速 750 rpm

螺旋桨转速 360 rpm

螺旋桨型式： MAU系列

螺旋桨叶数： 四叶

螺旋桨材料： ZQAL 12-8-3-2 （K=1.2）

材料重度： 7.4 g/m

螺旋桨构造型式： 整体式

桨轴距基线高度 1.48 m

旋 向 右 旋

（此处对于为何选取四页浆做出说明：螺旋桨页数的选择与振动关系较大 。运转不均匀流场中螺旋桨的激振力一般有两种：①轴承力。作用在螺旋桨上的变化里用过轴承系统传递到船体的激振力。②表面力。螺旋桨运转时有道的脉动压力场经过水传递至船体表面的激振力。一般说来，随着页数的增加，螺旋桨诱导力有下降趋势。而轴承力则需要根据螺旋桨盘面处伴流分布的谐调分析来考虑。近期对螺旋桨激振力的研究表明，螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，因此在图谱设计中，一般单桨船多用4页） 3

3、设计工况

1、设计功率：0.90Pmax

2、船体有效马力曲线如下：

1、已知船体的主要参数

船型：单浆、舵、钢质全焊接结构尾机型散货船。

总 长 LOA 60.50m 设计水线长LWL 56.60m 垂线间长LPP 55.00m 型 宽B 9.70m 型 深 D 4.90m 设计吃水 d 4.0m 设计排水量 △ 1450t 方形系数 CB 0.635 棱型系数 CP 0.697 螺旋桨数 1

2、主机与螺旋桨参数

型号台数 道依茨BV6M6281 台 最大持续功率 1352 hp 额定转速 750 rpm 螺旋桨转速 360 rpm 螺旋桨型式： MAU系列 螺旋桨叶数： 四叶

螺旋桨材料： ZQAL 12-8-3-2 （K=1.2） 材料重度： 7.4 g/m 螺旋桨构造型式： 整体式 桨轴距基线高度 1.48 m 旋 向 右 旋

（此处对于为何选取四页浆做出说明：螺旋桨页数的选择与振动关系较大 。运转不均匀流场中螺旋桨的激振力一般有两种：①轴承力。作用在螺旋桨上的变化里用过轴承系统传递到船体的激振力。②表面力。螺旋桨运转时有道的脉动压力场经过水传递至船体表面的激振力。一般说来，随着页数的增加，螺旋桨诱导力有下降趋势。而轴承力则需要根据螺旋桨盘面处伴流分布的谐调分析来考虑。近期对螺旋桨激振力的研究表明，螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，因此在图谱设计中，一般单桨船多用4页）

3

3、设计工况

1、设计功率：0.90Pmax 2、船体有效马力曲线如下：

4、按船型及经验公式确定推进因子

根据型船资料选取伴流分数

ω

=0.5Cb-0.05=0.2675

(泰洛公式，因为任务所给船舶是海上运输船舶并且是单桨杂货船，并结合所给数据所以可采用泰洛公式)

根据所给数据决定采用汉克歇尔公式 t0.5Cp0.12=0.2285 （此处选取该公式是因为经验公式误差大，此公式误差小）

取相对旋转效率 ηR1.0 船身效率 ηH

1t

=1.0532 1ω

5、可以达到最大航速的计算

采用MAU4叶桨图谱进行计算。

取功率储备10%，轴系效率ηs=0.97，螺旋桨收到功率：

PD=1352×0.9×ηs×ηR=1352×0.9×0.97×1.0=1180.296hp

据上表中的计算结果可绘制PTE、δ、P/D及η0对V的曲线，从PTE –f(V)曲线与船体满载有效马力曲线之

6、桨叶空泡校核，确定螺旋桨主要参数

按柏利尔空泡限界线中商船上限线，计算不发生空泡之最小展开面积比。 桨轴沉深计算

h tdZp=2.52 m

p0pvpaγ hspv=12739 kgf/m2

计算温度 t = 15℃，pv = 174 kgf/m，PD=1180.296hp，ρ = 104.63 kgf·s/m 计算步骤如下表

2

2

4

根据上表可作下图：

V

V

AE/A

O

AE/AO

D

P/D

E/AO=0.564

由上图可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的最佳螺旋桨要素。

AE/A00.564，P/D=0.751，D=1.975 m，η00.598，Vmax=15.48 kn。

7、桨叶强度校核

按2001年《规范》校核t0.25R及t0.6R，应不小于按下式计算之值：

t

1.36A1NeA2GAdN2D3Y

，Y，X

ZbneKX1010Zb

计算功率Ne=1352*0.97=1311.44hp

Ad=AE/AO=0.564,P/D=0.751,ε=8，G=7.4gf/cm3，N=360r/min b0.66R=0.226D*AE/AO/0.1Z=0.226*1.97*0.601/0.4=0.6278m b0.25R=0.7212b0.66R=0.4527m, b0.66R=0.9911b0.66R=0.6222m

实际桨叶厚度按当螺旋桨直径

￮

6

t0.2=81.01mm，t0.3=71.98mm， t0.4=62.96mm，t0.5=53.94mm， t0.6=44.92mm，t0.7=35.89mm， t0.8=26.87mm，t0.9=17.84mm。

7

8、螺距修正

根据尾轴直径大小，决定毂径比dh/D=0.18，此值,与MAU桨标准毂径比相同，对此项螺距无需修正。

实际桨叶厚度与MAU桨标准厚度不同，也需因厚度差异进行螺距修正。 设计桨 （t/b）0.7R=0.0358/(0.9964×0.6278)=0.05723

标准桨 （t/b）0.7R=0.0171×1.98/（0.9964×0.31075×1.98）=0.05522（取MAU4-55为基准桨）

1-s=VA/（NP）=(1-ω)V×30.866/（NP）=0.7325×15.50×30.866/（360×1.4712）=0.6617

因为盘面比0.564接近0.55，取AU4-55为基准螺旋桨，故：aE0=0.55 , a’E=AE/A0=0.564

△（t/b）0.7R=[（t/b）0.7设-（t/b）0.7标×0.55/0.556]×0.75= 0.00254 △（P/D）t=-2（P/D）0（1-s）△

（t/b）0.7R=-2×0.751×0.6617×（0.00254）=-0.002524

修正后的螺距比：

P/D=（P/D）0+△（P/D）t=0.754+0.008438=0.748

这样，经螺距修正后该桨的水动力性能近似地与螺距比为0.748、毂径比为0.18的系列螺旋桨相同。

9、重量及惯性矩计算

按我国船舶及海洋工程设计研究院提出的经验公式计算。 桨叶重 Gbl0.169γZbmax(0.5t0.2t0.6)(1*（1-0.18）*1.975/1000= 434.48(kgf)

因为桨毂重经验公式中有未知数d0和Lk，而 LK =0.0208*D/0.25=0.1643

d0=0.045+0.108 （PD/N）^(1/3)-KLK/2=0.045+ 0.108×1.485-0.1×1.98×0.0208/0.25/2=0.189 桨毂重 Gn(0.880.6

d

)D =0.169*7400*4*0.6278*（0.5*81.01+44.92）D

d0

)LKγ d2=(0.88-0.6*0.189/1.975)*0.164*7400*1.975^2=125.28(kgf) d

螺旋桨重量 GGblGn =434.48+125.28=559.76(kgf)

螺旋桨惯性矩：

因为d/D=0.18,当d/D≤0.18时： Imp0.0948 γZbmax(0.5t0.2t0.6)D

=0.0948*7400*4*0.6278*(0.5*0.08101+0.04492)*1.975^3=1160.35(kgf·cm·s)

8

2

3

10、绘制螺旋桨水动力性能曲线

由MAU4-55，MAU4-70，P/D=0.748的敞水性征曲线内插得到MAU4-56.4，P/D=0.751的敞水性征曲线，其数据如下表： MAU4-55

J KT0.7 KT0.8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.305 0.2732 0.242 0.207 0.169 0.1261 0.075 0.029 0.346 0.3174 0.284 0.250 0.214 0.1762 0.134 0.089 0.8

KT0.748 0.325 0.294 J 0 0.1 10KQ0.7 0.327 0.3005 10KQ0.8 0.411 0.3811 10KQ0.748

0.367 0.339 MAU4-70

J 0 0.1 KT0.7 0.319 0.283 KT0.8 0.374 0.336 KT0.748 0.345 0.308 J 0 0.1 10KQ0.7 0.389 0.311 10KQ0.8 0.452 0.413 10KQ0.748

0.419 0.361 P/D=0.748 Kt值

J 0 0.1 MAU4-55 0.325 0.294 MAU4-70 0.345 0.308 P/D=0.748 10Kq值

J 0 0.1 MAU4-55 0.367 0.339 MAU4-70

0.419 0.360

MAU4-56.4 P/D=0.748

J 0 0.1 Kt 0.326 0.295 10Kq

0.368 0.339

0.262 0.228 0.2 0.3 0.272 0.242 0.353 0.320 0.311 0.279 0.2 0.3 0.246 0.208 0.296 0.256 0.271 0.231 0.2 0.3 0.281 0.249 0.375 0.335 0.326 0.291 0.2 0.3 0.262 0.228 0.270 0.231 0.2 0.3 0.312 0.279 0.326 0.291 0.2 0.3 0.263 0.228 0.311 0.279 9

0.191 0.151 0.4 0.5

0.209 0.1724 0.284 0.2452 0.245 0.207

0.4 0.5 0.167 0.125 0.216 0.174 0.191 0.148 0.4 0.5 0.214 0.174 0.294 0.252 0.253 0.212 0.4 0.5 0.191 0.150 0.191 0.148 0.4 0.5 0.245 0.207 0.253 0.212

0.4 0.5 0.191 0.150 0.245 0.207 0.104 0.058

0.6 0.7

0.132 0.082 0.202 0.154 0.165 0.117 0.6 0.7 0.080 0.034 0.129 0.084

0.104 0.058

0.6 0.7 0.129 0.076 0.205 0.154 0.166 0.113 0.6 0.7 0.104 0.058 0.104 0.058

0.6 0.7 0.165 0.117 0.166 0.113 0.6 0.7 0.104 0.058

0.164 0.116 0.8

0.029 0.089 0.058

0.8

0.8 0.021 0.091 0.054 0.8

0.8 0.058 0.054

0.8

0.057

、系柱特性与航行特性计算并绘制航行特性曲线图

当J=0时，KT=0.325，KQ=0.037。

计算功率 PD=1352*0.97=1311.44 hp

10

J

11

系柱推力减额分数取 t0=0.04 主机转矩 Q=

PD6075

=2609.03 kgf·m

2N

系柱推力 T=

KTQ

=11698.39 kgf KQD

车叶转速

12、航行特性计算时取3挡转速按下表进行：

取转速为360r/min，350r/min，340r/min进行计算

11

110%满载满载

N=360r/minN=350r/minN=340r/min

N=340r/minN=350r/minN=360r/min

由图中可求得110%超载时可达最大航速约为V=15.01 kn，主机功率为1255.06 hp 满载航行，N=360r/min时，可达到最大航速约为V=15.44 kn，，主机功率为1222.36 hp

12

13、螺旋桨计算总结

螺旋桨直径 D=1.975m 螺距比 P/D0.751

型式 MAU 叶数 Z=4

盘面比

AE/A00.564

纵倾角 螺旋桨效率 设计航速 Vmax=15.48 kn 毂径比 d 旋向 材料 ZQAL 12-8-3-2 重量 559.76 kgf 惯性矩 1160.35 kgf

ε=10￮

η00.598 h/D=0.18 右旋

·cm·s

2

13

14、感想

在这次做螺旋桨的课程设计中，我感觉螺旋桨设计总体的关键实际上在于第一步，由于第一步对数据

是目测的，所以与实际数值有些许误差，进而影响后续的所有参数处理过程。虽然说后面照着书本上设计步骤一步一步做，基本上就可以做完，但还是有许多地方不懂，特别是在CAD中做螺旋桨图谱的时候总是读错数据，不过好在有同学的帮助，对一些还是都做好了。 课程设计是把学习到的理论知识运用到实际当中，通过这个过程，对理论知识的理解应该说上了一个台阶，对螺旋桨的设计和计算过程有了实际的操作经历，并且了解了螺旋桨的各个参数的重要程度，从而得到了螺旋桨设计过程的侧重点。更重要是知道实际生产设计是一个怎样的过程，这对我们即将进入社会工作无疑是百利而无一害。

15、参考资料

教学参考书目：

1．《船舶快速性》 2．《船舶推进》 3．《船舶螺旋桨理论》 4．《渔船螺旋桨实用设计》 5．《船舶设计实用手册》总体分册 6．《中国船用螺旋桨系列试验图谱集》

应业炬 主编王公衡 主编董世汤 主编王海筹 主编中船总 编盛振帮 主编14

人民交通出版社 2007 农业出版社

国防工业出版社 1999 中国造船编辑部 1983