付品森

(卡特彼勒船用推進(jìn)器上海有限公司，上海 200050)

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螺旋槳選型的圖譜應(yīng)用

付品森

(卡特彼勒船用推進(jìn)器上海有限公司，上海 200050)

由于螺旋槳是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分,因而螺旋槳的選型設(shè)計(jì)是船舶建造設(shè)計(jì)中非常重要的工作。通過(guò)初步選型和最終選型2個(gè)步驟，利用圖譜并結(jié)合在工作中的實(shí)際案例介紹了螺旋槳選型的具體方法和以最佳直徑為指標(biāo)的選型方法。

螺旋槳；船模報(bào)告；最佳直徑；圖譜

0 引言

螺旋槳是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，為船舶前進(jìn)提供推力，起著將主推進(jìn)柴油機(jī)發(fā)出的功率化為推力的作用，因此螺旋槳設(shè)計(jì)的好壞直接影響到船舶的推進(jìn)性能。

設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)應(yīng)仔細(xì)研究船舶的性能要求，做好調(diào)研工作，盡可能多地掌握數(shù)據(jù)，如船模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行工況等，尤其要重視系柱拖力這個(gè)參數(shù)，因系柱拖力是某些船舶如港口拖輪、工程拖船螺旋槳設(shè)計(jì)的重要考核指標(biāo)，從而保證設(shè)計(jì)的螺旋槳在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中滿足需求，效率更高。

1 螺旋槳的設(shè)計(jì)須要知道的參數(shù)

螺旋槳設(shè)計(jì)一般分為初步設(shè)計(jì)和最終設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)用于估算所需要的主機(jī)功率和螺旋槳的初步選型。最終設(shè)計(jì)是在知道主機(jī)功率后，將螺旋槳最終確定并細(xì)化各參數(shù)適合于生產(chǎn)制造。

1.1 初步設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，對(duì)新設(shè)計(jì)船設(shè)計(jì)出最合適的螺旋槳，以達(dá)到航速的要求或達(dá)到一定拖力的要求。

船舶線型初步設(shè)計(jì)完成后，要根據(jù)線型估算該船的有效阻力曲線，或者是通過(guò)航模試驗(yàn)求得該船的有效阻力曲線。首先根據(jù)設(shè)計(jì)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；其次依據(jù)船體參數(shù)推力減額和伴流系數(shù)可得出船身效率ηH，則螺旋槳的推功率PT=PE/ηH，從而估算螺旋槳的敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率及軸系的傳送效率，進(jìn)而得出主機(jī)的推進(jìn)功率；最后根據(jù)主機(jī)推進(jìn)功率來(lái)訂購(gòu)主機(jī)，此為螺旋槳的初步設(shè)計(jì)。

在計(jì)算主機(jī)功率時(shí)應(yīng)注意螺旋槳存在著螺旋槳的直徑和螺旋槳轉(zhuǎn)速2種變量，要根據(jù)實(shí)際情況去優(yōu)化匹配螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速。

1.2 最終設(shè)計(jì)

主機(jī)功率決定后，此時(shí)所選定的主機(jī)往往與初步設(shè)計(jì)時(shí)有所不同，因?yàn)楦髟O(shè)備廠家所供貨的主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速是各不相同的，和設(shè)計(jì)所需要的也是不相同的，需要從功率儲(chǔ)備和節(jié)省成本的角度選取相近的主機(jī)。主機(jī)確定后，主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速即確定下來(lái)，此時(shí)要依據(jù)主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速重新設(shè)計(jì)螺旋槳的直徑和轉(zhuǎn)速。而螺旋槳的直徑往往受制于船體線型。某些二沖程主機(jī)有時(shí)候會(huì)限制螺旋槳的轉(zhuǎn)速，這就需要去匹配螺旋槳轉(zhuǎn)速和直徑。

匹配螺旋槳的轉(zhuǎn)速和直徑是一個(gè)不斷嘗試的過(guò)程。根據(jù)這兩個(gè)變量，運(yùn)用螺旋槳的圖譜曲線組去匹配，尋找最佳的螺旋槳。然后設(shè)計(jì)出螺旋槳的螺距、傾角、弦長(zhǎng)、厚度、盤面積等參數(shù)，此即為螺旋槳的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

綜上所述，設(shè)計(jì)螺旋槳需要的參數(shù)有推力減額、伴流系數(shù)、主機(jī)功率、航速等。

2 螺旋槳的圖譜設(shè)計(jì)及應(yīng)用

船用螺旋槳的設(shè)計(jì)目前有圖譜設(shè)計(jì)法和環(huán)流理論法2種方法。

環(huán)流理論是根據(jù)流體力學(xué)原理中的升力線理論及各種槳葉切面的試驗(yàn)或理論數(shù)據(jù)進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)。此種方法計(jì)算繁復(fù)，工藝復(fù)雜，在我國(guó)應(yīng)用較少，不屬于本文討論范圍。

圖譜設(shè)計(jì)是根據(jù)螺旋槳模型的敞水系列試驗(yàn)繪制成專用的各類圖譜來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于掌握，資料日益豐富，其結(jié)果偏差不大，通常較為滿意，是目前應(yīng)用最廣的一種設(shè)計(jì)方法。

2.1 圖譜

目前公開(kāi)發(fā)表的國(guó)外圖譜主要有荷蘭的B型、C型、D型，英國(guó)的高恩系列，日本的AU型，國(guó)內(nèi)主要有螺旋槳GD系列圖譜。通常所見(jiàn)的圖譜是敞水性征曲線KT-KQ-J圖譜，KT為推力系數(shù)，KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。圖1 為AU系列的圖譜[1]，P/D為螺距比。

在敞水性征曲線KT-KQ-J圖譜中，橫坐標(biāo)進(jìn)速系數(shù)J=VA/(nD)，其中VA為螺旋槳的進(jìn)速，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑。此式包含了螺旋槳轉(zhuǎn)速和直徑2個(gè)未知變量，而在螺旋槳詳細(xì)設(shè)計(jì)中，螺旋槳的直徑和轉(zhuǎn)速也是未知數(shù) (當(dāng)然在選用低速機(jī)的時(shí)候，主機(jī)的轉(zhuǎn)速是已知數(shù)，而螺旋槳的直徑是未知數(shù))，這給螺旋槳設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便，無(wú)法通過(guò)該曲線組來(lái)設(shè)計(jì)螺旋槳。為此，需要將敞水性征曲線轉(zhuǎn)繪成專用圖譜，BP-S型圖譜就是目前應(yīng)用較廣的一種，BP為B型圖譜所采用的功率系數(shù)，δ為直徑系數(shù)。

圖1 KT-KQ-J敞水圖譜

BP和δ的計(jì)算可根據(jù)文獻(xiàn)[1]求得：

(1)

(2)

式中：Q為轉(zhuǎn)矩；ρ為水的密度，kg/m3；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；N為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；PD為螺旋槳收到的功率，kW；VA為螺旋槳進(jìn)速，kn；D為螺旋槳直徑，m；BP因?yàn)楹杏?jì)算所需的功率，稱為功率系數(shù)；δ因?yàn)楹杏?jì)算所需的直徑，稱為直徑系數(shù)。

至此可以把KT-KQ-J圖譜轉(zhuǎn)化為螺旋槳設(shè)計(jì)用的Bp-δ圖譜，圖譜詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

2.2 初步設(shè)計(jì)圖譜應(yīng)用

在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定伴流系數(shù)ω、推力減額t、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηR以及傳送效率ηS，舉例如下。

Aranui V客滾船由我國(guó)北方某船廠于2013年開(kāi)始建造，船東要求該船航速不得小于15 kn。

首先選定螺旋槳的形式。采用荷蘭水池B4-70圖譜來(lái)做初步選型，根據(jù)船體設(shè)計(jì)該船所能容納的最佳螺旋槳直徑為3.4 m；其次確定螺旋槳轉(zhuǎn)速N和主機(jī)功率PS這2個(gè)參數(shù)。由式(1)和式(2)可見(jiàn)，無(wú)法確定其中任何一個(gè)參數(shù)，因此需要假定一組轉(zhuǎn)速N來(lái)進(jìn)行計(jì)算，由不同的N值來(lái)確定不同的主機(jī)功率，找出最佳的一組做為選型方案。已知航速VS=15 kn，伴流系數(shù)ω=0.23，槳徑=3.4 m，進(jìn)速VA=11.55 kn，船模報(bào)告PE=1 161 kW。具體步驟按表1進(jìn)行。

將表1的計(jì)算結(jié)果繪制成圖2，以轉(zhuǎn)速N為橫坐標(biāo)，以PD、PS、PTE為縱坐標(biāo)，以航速15 kn時(shí)的有效功率1 161 kW作水平線與PTE曲線相交，此交點(diǎn)即為所求螺旋槳。作一通過(guò)此交點(diǎn)的垂直線，此垂直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為我們所求的螺旋槳的轉(zhuǎn)速，與PS的交點(diǎn)即為所求的主機(jī)功率。通過(guò)圖2可以看到，所求螺旋槳的轉(zhuǎn)速為178 r/min, 主機(jī)功率約為1 925 kW。

2.3 最終設(shè)計(jì)圖譜應(yīng)用

初步設(shè)計(jì)結(jié)束后，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出主機(jī)，此時(shí)的主機(jī)往往與初步設(shè)計(jì)的結(jié)果又有所不同。主機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)有多種，各有考量，在這里本文不作探討。螺旋槳的最終設(shè)計(jì)要根據(jù)主機(jī)的參數(shù)，從圖譜中找出最佳螺旋槳。計(jì)算步驟如下：

表1 客滾船Aranui V的螺旋槳初步選型

圖2 客滾船Aranui V的初步計(jì)算結(jié)果

(1)由主機(jī)的功率及軸系傳遞效率和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率可算出螺旋槳的收到功率PD=PBηSηR。

(2)根據(jù)航速VS和伴流系數(shù)ω算出螺旋槳的進(jìn)速VA。

(3)根據(jù)式(1) 并假設(shè)1組轉(zhuǎn)速N可計(jì)算出BP值。

(4)在BP-δ圖譜上找出BP所對(duì)應(yīng)的最佳效率。

(5)由最佳效率線和BP交點(diǎn)找出δ值，螺距比P/D。

(6)由式(2) 和δ算出1組最佳直徑Dopt。

(7)根據(jù)實(shí)船的直徑D和最佳直徑Dopt比值算出D/Dopt,調(diào)整轉(zhuǎn)速，使此值在0.95～0.98之間，得出1組轉(zhuǎn)速。

在設(shè)計(jì)之初將D/Dopt比值保持在0.95～0.98之間是為了消除螺旋槳實(shí)際運(yùn)行中的偏差。螺旋槳在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際航速與設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有所不同，螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)也會(huì)變化，如果設(shè)計(jì)的最佳槳徑要與實(shí)際槳徑保持一致，即D/Dopt=1, 則螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J值很有可能超過(guò)設(shè)計(jì)值，從敞水效率曲線圖上很清楚地看到，效率會(huì)下降得很快；如果D/Dopt小于1，則效率變化范圍不會(huì)很大。特別是對(duì)于可調(diào)距螺旋槳來(lái)說(shuō)尤其明顯，調(diào)距槳的螺旋槳螺距會(huì)運(yùn)行在設(shè)計(jì)螺距之下，實(shí)際的D/Dopt會(huì)相應(yīng)增大。這一點(diǎn)也是許多螺旋槳設(shè)計(jì)者忽略的地方。

(8)再根據(jù)實(shí)際的減速齒輪箱能做到的減速比，選擇最佳轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)舉例如下：

客滾船 Aranui V的主機(jī)最終選擇中速機(jī)，主機(jī)功率4 000 kW，600 r/min, 船東要求螺旋槳運(yùn)行在主機(jī)功率2 200 kW、航速不小于15 kn工況下。

(1)根據(jù)步驟進(jìn)行計(jì)算。把2 200 kW和15 kn作為螺旋槳的水動(dòng)力優(yōu)化點(diǎn)，依據(jù)上述步驟最終選型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。已知主機(jī)功率PB=2 200 kW，傳送效率ηS=0.98，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηR=0.99，槳收到功率PD=2 134.44 kW，槳徑=3.4 m，航速VS=15 kn，伴流系數(shù)ω=0.23。

(2)比較不同轉(zhuǎn)速下的螺旋槳的指標(biāo)，選取最佳轉(zhuǎn)速范圍。根據(jù)初步計(jì)算的轉(zhuǎn)速178 r/min作為參考，選取170～195 r/min為計(jì)算范圍，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速195 r/min 時(shí)，D/Dopt已經(jīng)超過(guò)了1，所以螺旋槳的轉(zhuǎn)速最高值不可超過(guò)195 r/min。再依據(jù)減速齒輪箱的轉(zhuǎn)速比，最終將轉(zhuǎn)速確定在179 r/min，以此作為螺旋槳設(shè)計(jì)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。

3 航速預(yù)估

螺旋槳基本選型確定后，接著要估算航速。把螺旋槳的轉(zhuǎn)速定在179 r/min, 選出1組不同的航速，根據(jù)式(2)，查出1組不同的δ值，不同的δ值可得出1組不同BP值，并由式(1)推算出PD值，進(jìn)而算出PE值， 即螺旋槳的推進(jìn)功率。把航速、實(shí)算槳的推進(jìn)功率、船模報(bào)告的推進(jìn)功率做成表格，見(jiàn)表3。以航速為橫坐標(biāo)，以功率為縱坐標(biāo)，將表3繪制成圖3，計(jì)算槳的推進(jìn)功率和船模報(bào)告的推進(jìn)功率的交叉點(diǎn)即為計(jì)算螺旋槳所能達(dá)到的航速。從圖3看出，螺旋槳的預(yù)估航速在15.6 kn，滿足客戶要求。由于該船主機(jī)功率為4 000 kW, 雖然船東對(duì)于該船的100%MCR 航速不做要求，但船舶試航做主機(jī)耐力實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)以100%MCR的航速運(yùn)行，依據(jù)上述方法找出4 000 kW時(shí)螺旋槳的推進(jìn)功率時(shí)大概在2 400 kW， 從船模實(shí)驗(yàn)報(bào)告的推進(jìn)功率曲線找出和2 400 kW的交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為航速。該點(diǎn)的航速?gòu)那€圖上可以看出在17.8 kn左右。該船的實(shí)船試航航速平均在17.6 kn左右，與預(yù)估基本一致。

表2 Aranui V最終選型計(jì)算結(jié)果

表3 航速預(yù)估

圖3 最終計(jì)算的航速預(yù)估

船舶的航速是由螺旋槳發(fā)出的推力和船舶的阻力共同決定的，從螺旋槳的圖譜應(yīng)用過(guò)程來(lái)看， 航速是選擇螺旋槳的一個(gè)輸入條件，而不是輸出條件。圖譜的應(yīng)用是要去正確地輸入航速來(lái)選擇正確的螺旋槳，而不是創(chuàng)造性地去設(shè)計(jì)螺旋槳來(lái)保障航速。

4 結(jié)語(yǔ)

螺旋槳的選型是一項(xiàng)非?；A(chǔ)同時(shí)又非常重要的工作，選型的依據(jù)要綜合來(lái)看待船舶的運(yùn)行狀況、船東需求、市場(chǎng)成本、技術(shù)配置等。僅就技術(shù)方案而言，效率、盤面比、葉厚、弦長(zhǎng)、空泡數(shù)等又相互制約，所以槳葉設(shè)計(jì)一定要綜合地看待整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，反復(fù)修正，折衷地選擇一種方案 。

[1] 盛振邦, 劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

2016-04-24

付品森(1980—)，男，工程師，研究方向?yàn)槁菪龢倪x型、軸系的布置安排、電力推進(jìn)系統(tǒng)、油電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的控制方案。

U664.33

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