螺旋桨选型的图谱应用

2016-11-24付品森

江苏船舶 2016年4期

关键词：航速螺旋桨选型

付品森

(卡特彼勒船用推进器上海有限公司，上海 200050)

螺旋桨选型的图谱应用

付品森

(卡特彼勒船用推进器上海有限公司，上海 200050)

由于螺旋桨是船舶推进系统的重要组成部分,因而螺旋桨的选型设计是船舶建造设计中非常重要的工作。通过初步选型和最终选型2个步骤，利用图谱并结合在工作中的实际案例介绍了螺旋桨选型的具体方法和以最佳直径为指标的选型方法。

螺旋桨；船模报告；最佳直径；图谱

0 引言

螺旋桨是船舶推进系统的重要组成部分，为船舶前进提供推力，起着将主推进柴油机发出的功率化为推力的作用，因此螺旋桨设计的好坏直接影响到船舶的推进性能。

设计螺旋桨时应仔细研究船舶的性能要求，做好调研工作，尽可能多地掌握数据，如船模实验数据、运行工况等，尤其要重视系柱拖力这个参数，因系柱拖力是某些船舶如港口拖轮、工程拖船螺旋桨设计的重要考核指标，从而保证设计的螺旋桨在实际运行过程中满足需求，效率更高。

1 螺旋桨的设计须要知道的参数

螺旋桨设计一般分为初步设计和最终设计。初步设计用于估算所需要的主机功率和螺旋桨的初步选型。最终设计是在知道主机功率后，将螺旋桨最终确定并细化各参数适合于生产制造。

1.1 初步设计

在初步设计阶段，根据设计任务书，对新设计船设计出最合适的螺旋桨，以达到航速的要求或达到一定拖力的要求。

船舶线型初步设计完成后，要根据线型估算该船的有效阻力曲线，或者是通过航模试验求得该船的有效阻力曲线。首先根据设计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；其次依据船体参数推力减额和伴流系数可得出船身效率ηH，则螺旋桨的推功率PT=PE/ηH，从而估算螺旋桨的敞水效率、相对旋转效率及轴系的传送效率，进而得出主机的推进功率；最后根据主机推进功率来订购主机，此为螺旋桨的初步设计。

在计算主机功率时应注意螺旋桨存在着螺旋桨的直径和螺旋桨转速2种变量，要根据实际情况去优化匹配螺旋桨直径和转速。

1.2 最终设计

主机功率决定后，此时所选定的主机往往与初步设计时有所不同，因为各设备厂家所供货的主机功率和转速是各不相同的，和设计所需要的也是不相同的，需要从功率储备和节省成本的角度选取相近的主机。主机确定后，主机的功率和转速即确定下来，此时要依据主机的功率和转速重新设计螺旋桨的直径和转速。而螺旋桨的直径往往受制于船体线型。某些二冲程主机有时候会限制螺旋桨的转速，这就需要去匹配螺旋桨转速和直径。

匹配螺旋桨的转速和直径是一个不断尝试的过程。根据这两个变量，运用螺旋桨的图谱曲线组去匹配，寻找最佳的螺旋桨。然后设计出螺旋桨的螺距、倾角、弦长、厚度、盘面积等参数，此即为螺旋桨的详细设计。

综上所述，设计螺旋桨需要的参数有推力减额、伴流系数、主机功率、航速等。

2 螺旋桨的图谱设计及应用

船用螺旋桨的设计目前有图谱设计法和环流理论法2种方法。

环流理论是根据流体力学原理中的升力线理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。此种方法计算繁复，工艺复杂，在我国应用较少，不属于本文讨论范围。

图谱设计是根据螺旋桨模型的敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计的方法。该方法计算简单，易于掌握，资料日益丰富，其结果偏差不大，通常较为满意，是目前应用最广的一种设计方法。

2.1 图谱

目前公开发表的国外图谱主要有荷兰的B型、C型、D型，英国的高恩系列，日本的AU型，国内主要有螺旋桨GD系列图谱。通常所见的图谱是敞水性征曲线KT-KQ-J图谱，KT为推力系数，KQ为转矩系数。图1 为AU系列的图谱[1]，P/D为螺距比。

在敞水性征曲线KT-KQ-J图谱中，横坐标进速系数J=VA/(nD)，其中VA为螺旋桨的进速，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨直径。此式包含了螺旋桨转速和直径2个未知变量，而在螺旋桨详细设计中，螺旋桨的直径和转速也是未知数 (当然在选用低速机的时候，主机的转速是已知数，而螺旋桨的直径是未知数)，这给螺旋桨设计带来了不便，无法通过该曲线组来设计螺旋桨。为此，需要将敞水性征曲线转绘成专用图谱，BP-S型图谱就是目前应用较广的一种，BP为B型图谱所采用的功率系数，δ为直径系数。

图1 KT-KQ-J敞水图谱

BP和δ的计算可根据文献[1]求得：

(1)

(2)

式中：Q为转矩；ρ为水的密度，kg/m3；n为螺旋桨转速，r/s；N为螺旋桨转速，r/min；PD为螺旋桨收到的功率，kW；VA为螺旋桨进速，kn；D为螺旋桨直径，m；BP因为含有计算所需的功率，称为功率系数；δ因为含有计算所需的直径，称为直径系数。

至此可以把KT-KQ-J图谱转化为螺旋桨设计用的Bp-δ图谱，图谱详细内容见文献[1]。

2.2 初步设计图谱应用

在进行初步设计时应首先确定伴流系数ω、推力减额t、相对旋转效率ηR以及传送效率ηS，举例如下。

Aranui V客滚船由我国北方某船厂于2013年开始建造，船东要求该船航速不得小于15 kn。

首先选定螺旋桨的形式。采用荷兰水池B4-70图谱来做初步选型，根据船体设计该船所能容纳的最佳螺旋桨直径为3.4 m；其次确定螺旋桨转速N和主机功率PS这2个参数。由式(1)和式(2)可见，无法确定其中任何一个参数，因此需要假定一组转速N来进行计算，由不同的N值来确定不同的主机功率，找出最佳的一组做为选型方案。已知航速VS=15 kn，伴流系数ω=0.23，桨径=3.4 m，进速VA=11.55 kn，船模报告PE=1 161 kW。具体步骤按表1进行。

将表1的计算结果绘制成图2，以转速N为横坐标，以PD、PS、PTE为纵坐标，以航速15 kn时的有效功率1 161 kW作水平线与PTE曲线相交，此交点即为所求螺旋桨。作一通过此交点的垂直线，此垂直线与横坐标的交点即为我们所求的螺旋桨的转速，与PS的交点即为所求的主机功率。通过图2可以看到，所求螺旋桨的转速为178 r/min, 主机功率约为1 925 kW。

2.3 最终设计图谱应用

初步设计结束后，可以根据计算结果选出主机，此时的主机往往与初步设计的结果又有所不同。主机的选择标准有多种，各有考量，在这里本文不作探讨。螺旋桨的最终设计要根据主机的参数，从图谱中找出最佳螺旋桨。计算步骤如下：

表1 客滚船Aranui V的螺旋桨初步选型

图2 客滚船Aranui V的初步计算结果

(1)由主机的功率及轴系传递效率和相对旋转效率可算出螺旋桨的收到功率PD=PBηSηR。

(2)根据航速VS和伴流系数ω算出螺旋桨的进速VA。

(3)根据式(1) 并假设1组转速N可计算出BP值。

(4)在BP-δ图谱上找出BP所对应的最佳效率。

(5)由最佳效率线和BP交点找出δ值，螺距比P/D。

(6)由式(2) 和δ算出1组最佳直径Dopt。

(7)根据实船的直径D和最佳直径Dopt比值算出D/Dopt,调整转速，使此值在0.95～0.98之间，得出1组转速。

在设计之初将D/Dopt比值保持在0.95～0.98之间是为了消除螺旋桨实际运行中的偏差。螺旋桨在运行时的实际航速与设计时会有所不同，螺旋桨的进速系数也会变化，如果设计的最佳桨径要与实际桨径保持一致，即D/Dopt=1, 则螺旋桨的进速系数J值很有可能超过设计值，从敞水效率曲线图上很清楚地看到，效率会下降得很快；如果D/Dopt小于1，则效率变化范围不会很大。特别是对于可调距螺旋桨来说尤其明显，调距桨的螺旋桨螺距会运行在设计螺距之下，实际的D/Dopt会相应增大。这一点也是许多螺旋桨设计者忽略的地方。

(8)再根据实际的减速齿轮箱能做到的减速比，选择最佳转速。

现举例如下：

客滚船 Aranui V的主机最终选择中速机，主机功率4 000 kW，600 r/min, 船东要求螺旋桨运行在主机功率2 200 kW、航速不小于15 kn工况下。

(1)根据步骤进行计算。把2 200 kW和15 kn作为螺旋桨的水动力优化点，依据上述步骤最终选型计算结果见表2。已知主机功率PB=2 200 kW，传送效率ηS=0.98，相对旋转效率ηR=0.99，桨收到功率PD=2 134.44 kW，桨径=3.4 m，航速VS=15 kn，伴流系数ω=0.23。

(2)比较不同转速下的螺旋桨的指标，选取最佳转速范围。根据初步计算的转速178 r/min作为参考，选取170～195 r/min为计算范围，发现在转速195 r/min 时，D/Dopt已经超过了1，所以螺旋桨的转速最高值不可超过195 r/min。再依据减速齿轮箱的转速比，最终将转速确定在179 r/min，以此作为螺旋桨设计运行的转速。

3 航速预估

螺旋桨基本选型确定后，接着要估算航速。把螺旋桨的转速定在179 r/min, 选出1组不同的航速，根据式(2)，查出1组不同的δ值，不同的δ值可得出1组不同BP值，并由式(1)推算出PD值，进而算出PE值，即螺旋桨的推进功率。把航速、实算桨的推进功率、船模报告的推进功率做成表格，见表3。以航速为横坐标，以功率为纵坐标，将表3绘制成图3，计算桨的推进功率和船模报告的推进功率的交叉点即为计算螺旋桨所能达到的航速。从图3看出，螺旋桨的预估航速在15.6 kn，满足客户要求。由于该船主机功率为4 000 kW, 虽然船东对于该船的100%MCR 航速不做要求，但船舶试航做主机耐力实验时会以100%MCR的航速运行，依据上述方法找出4 000 kW时螺旋桨的推进功率时大概在2 400 kW，从船模实验报告的推进功率曲线找出和2 400 kW的交叉点所对应的横坐标即为航速。该点的航速从曲线图上可以看出在17.8 kn左右。该船的实船试航航速平均在17.6 kn左右，与预估基本一致。