双机双桨船舶螺旋桨设计实践＊

宋秋红，洪敦平，张 健，夏泰淳

（1.上海水产大学 工程学院，上海200090；2.福建泉州渔业船舶检验处，福建 泉州362000）

为充分利用主机功率提高推进效率，导管桨、调距桨及双速比齿轮箱［1-4］等技术广泛应用在各种工况下满足船舶推进性能。然而，在很多情况下，例如航道浅船舶吃水受限制；某些渔港不是深水港而往往需要“坐滩”，使得船的尾框尺寸较小；或者由于船舶柴油机功率配置上的种种原因，螺旋桨直径较小，但是这些船舶又往往需要具有足够大的航速或较大的拖力。为此，这类船舶往往使用双机双桨或三机三桨［5-6］。有的船舶长期在较狭河道中航行，需要良好的操纵性，往往也采用双机双桨。

1 设计原理及方法

1.1 设计原理

图1是某船体阻力曲线和桨有效推力曲线的示意图，横坐标为航速v，纵坐标为船体的阻力R及桨的有效推力T。

图1 R～vs与T～Ts曲线

某船舶按自由航行工况设计，单桨的有效推力曲线与船体的阻力曲线相交点，就是单桨船能达到的最大航速vs，那么采用同样功率的主机，按双机双桨来进行设计，航速则能达到v′s，在螺旋桨的实用设计中，图1的两条曲线往往表达成船体的有效功率曲线和桨的有效推功率曲线。在本螺旋桨设计软件中，有相应的母型船的有效功率曲线，当输入设计船的船型主要尺度，如船长、型宽、吃水、型深及排水量等，根据海军系数法，可得到设计船在n个航速对应下的有效功率，即vsi～PEi（i＝1，2，…，n）。

然后计算机将这些数据拟合成PE＝f（vs）函数，软件中选择了常用的幂次函数，形式为：

式中：PE——船的有效功率；

k——考虑设计船船型系数和母型船的差异引入的修正系数，一般情况下，k＝1；

a、b——该幂次函数中的两个相应的常数。

考虑单位换算，将船体阻力R表达成：

其中：R——船体阻力，kgf。

vs——船最大自由航速，单位m／s。

将船的最大自由航速vs代入上式，可求得船体在此时的阻力，即单桨的有效推力T。若采用相同主机的双机双桨，则双桨的有效推力T′＝2 T＝R′ （R′是船在v′s时的阻力），然后求解双机双桨船能达到的最大航速v′s，显然，这是一个求解该方程反函数的问题，是很容易求得的。

当采用双机双桨后，航速会提高，换言之这相当于该船阻力的“减少”，而导致航速的提高，因此，在设计双机双桨过程中，只要调整螺旋桨设计软件中船型修正系数k，使得按单桨得到的自由航速同v′s相等，此时螺旋桨的螺距就可以计算出来。

对于多工况船舶来说，例如拖网渔船或者拖船，船舶还有一个拖力指标要求，一般来讲这个拖力数值基本上是等于相同主机或桨的数量的倍数，以拖网渔船为例，由于拖网拖力是指船实际在3～4kn时拖速下的拖力指标，因此基本上是等于单桨拖力数值的倍数。

1.2 设计方法

在上述原理基础上采用由笔者开发的渔船螺旋桨设计软件系统［7］进行螺旋桨设计。

2 计算实例

以某114总吨拖网渔船为例，该渔船主尺度、船型系数及主机参数见表1。

表1 渔船船型及主机参数

2.1 按单机单桨计算

对于本船型若采用单机、其主机标定功率为272kW，标定转速为750r／min，减速齿轮箱速比为3∶1，而且螺旋桨直径不受限制以及考虑到设计船和母型船在船型系数的一些差别，这里船型修正系数取1.1，由设计软件按普通桨AU4型计算结果如下。

1）自由航行工况桨径2.24m，螺距比0.699，自由航速12.70kn，系泊拖力38.82kN。

2）拖网工况（vs＝4.00kn）桨径2.0m，螺距比0.54，自由航速9.94kn，系泊拖力51.39kN。

但考虑到该船吃水的原因，螺旋桨的直径限制在Dmax＝1.30m，由设计软件按普通桨AU4计算，结果如下。

1）自由航行工况桨径1.30m，螺距比1.88，自由航速10.62kn，系泊拖力27.08kN；

2）拖网工况（vs＝4.00kn），桨径1.30m，螺距比1.74，自由航速10.41kn，系泊拖力29.02kN。

很明显，由于螺旋桨直径限制，螺距比P／D已经超过了常规的P／D≤1.6，因此，本船型如果采用单机单桨，在航行性能及拖网性能上，肯定效能很差。在考虑设计计算更可靠的前提下，根据本渔船要求的性能应该将单机桨改为双机双桨。

2.2 按双机双桨计算

本渔船采用的双机为相同功率（标定功率为136kW）、相同转速（标定转速为750r／min），但旋向相反的主机，减速齿轮箱速比为3∶1，并采用AU4普通桨作为设计螺旋桨（螺旋桨直径限制在1.30m以内）。

2.2.1 按自由航行工况设计（vs＝4.00kn）

1）每台单机设计软件计算结果。

桨径1.30m，螺距比1.51，自由航速9.97kn，系泊拖力16.7kN，拖力16.21kN。

2）有效功率曲线。

将最大自由航速9.97kn，相当于vs＝5.13m／s代入船体阻力公式得R＝17.38kN。

则双机双桨的有效推力为T′＝2T＝2R＝34.76kN

此时船舶的最大自由航速为11.89kn。

3）确定螺距。

由于按单机桨设计，螺距比1.51，螺距1.96m，此时航速仅为9.97kn，而双机双桨船的实际航速可达11.89kn，若仍螺距1.96m之桨用在该船上，此时螺旋桨运转显然偏轻，为此必须加大螺旋桨的螺距。

如前所述，设计双机双桨时，另一个桨产生的推力对设计软件来说相当于该设计船阻力的“减少”，故采用调整船型系数k，犹如“减小”船的阻力，使得该船按单机桨设计的航速恰巧能达到11.89kn；应用软件设计时可逐一调整修正系数k，使得按单机桨计算出来的最大航速恰好是v′s，此时的螺距就是双机双桨应采用的值。实例表明，当船型修正系数k＝0.53时，此时航速为11.89kn，得到螺旋桨设计的结果为桨径1.30m，螺距比1.57，系泊拖力15.99kN，拖网（4.00kn）时拖力为15.6kN。

4）双机双桨设计结果。

按自由航行工况设计，桨径1.30m，螺距2.04m，4叶，盘面比0.63，船的自由航速11.89kn，系泊拖力31.98kN，拖网（4.00kn）时拖力为31.2kN。

2.2.2 按拖网工况设计

1）单机单桨软件计算结果。

桨径1.3m，螺距比1.208，自由航速9.21kn，系泊拖力20.97kN；拖网时（4.00kn），拖力19.78kN；

2）计算阻力。仿上法，将自由航速9.21kn，相当于vs＝4.74m／s代入阻力公式得阻力为12.87kN。

将双机双桨的有效推力T′＝2T＝2R＝25.74kN代入上式，解得最大航速为＝10.99kn。

3）双机双桨计算结果。

按拖网工况桨径1.30m，螺距1.57m，4叶，盘面比0.55，船的自由航速10.99kn，系泊拖力41.93kN，拖网（4.00kn）时拖力为39.6kN。

3.2.3 按折衷工况（vs＝8.00kn）设计

双机双桨计算结果为：桨径1.30m，螺距1.72m，4叶，盘面比0.55，船的自由航速11.40kn，系泊拖力37.67kN，拖网（4.00kn）时拖力36.04kN。

3 讨论

1）计算双机双桨船时，由于螺旋桨是布置在船舯的左右两侧，其伴流分数和推力减额与单螺旋桨船的计算公式是不相同的。根据笔者对一般渔船的计算，其单桨船的伴流分数约是双桨船的2倍。

2）对于多工况的船舶，如拖轮、拖网渔船，尤其是当螺旋桨直径受较大限制时，浅水内河船或渔港条件较差的渔船，或要求操纵性能较高的客船等，双机双桨船可以收到较明显的效果。

3）从以上计算分析来看，在螺旋桨设计时，若主机总功率确定，而螺旋桨直径不受较大限制，则单机单桨的效率最高；若螺旋桨的直径有较大限制，则可以考虑采用双机双桨推进装置。以本文实船为例，主机总功率为272kW，如果桨直径受船舶吃水等条件限制，其最大直径为1.30m时，采用双机双桨时，按自由航行设计航行性能能提高8.3%，系泊拖力性能提高15.5%；按拖网工况设计系泊拖力性能提高44.6%，而航行性能能提高2.1%。很显然，双机双桨船舶在改善拖力性能时作用尤为明显。

4）以上原理和计算方法同样可推广到多机多桨，例如三机三桨等。

［1］陈泽梁，朱 超，施用山，袁维谨.简易导管三叶可调螺距螺旋桨试验研究［J］.上海交通大学学报，1980（1）：71-90.

［2］盛振邦，朱文蔚.对于多工况船舶推进性能的探讨［J］.船舶工程，1981（2）：10-15.

［3］夏泰淳.应用在拖网渔船上的双级速比齿轮箱速比的计算［J］.渔业现代化，1987（5）：33-35.

［4］张泽盛.超浅吃水多工况船舶推进方式探讨［J］.船舶工程，1999（1）：8-9.

［5］徐筱欣，韩良光.采用多机多桨推进装置拖网渔船实例分析［J］.渔业现代化，1993，20：15-18.

［6］陈秉光.中国南海中小渔船动力装置的几点论证［J］.湛江海洋大学学报，1996，16（1）：43-49.

［7］夏泰淳，张 健，宋秋红.渔船螺旋桨设计软件系统［J］.船舶工程，2007（1）：49-52.