第8章_螺旋桨图谱设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章 螺旋桨图谱设计,(Propeller Design with Series Charts),单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大连海事大学,(,Dalian,Maritime University,DMU),轮机工程学院,(Marine Engineering College,MEC),第,8,章 螺旋桨图谱设计,(,Chapter 8 Propeller Design with Series Charts),吴利红,(,Lihong,Wu),2010.5.26,8-1,螺旋桨的设计问题和设计方法,8-,2,B-,型图谱的设计及其应用,8-3,设计螺旋桨时应考虑的若干问题,8-4,船体,-,螺旋桨,-,主机的匹配问题,8-,5 螺旋桨图谱设计举例,8-6,螺旋桨图谱设计,-,补充问题,本章主要内容,给定主机马力，使船舶能达到最高航速,船体的有效,马力曲线,船舶线型初步设计完成,8-,设计问题和设计方法,达到预定航速，消耗的主机马力小,设计一个螺旋桨？,初步设计,终结设计,船体的有效,马力曲线,海军系数,一、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的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力，并据此订购主机。,船速,V,有效马力,P,E,选定桨的直径,D,选定桨的转速,n,确定桨的最佳转速,n,、效率,0,、螺距比,P/D,、主机马力,P,S,确定桨的最佳直径,D,、效率,0,、螺距比,P/D,、主机马力,P,S,二、终结设计,主机马力和转速决定后，求所能达到的最高航速及螺旋桨的尺度。,主机马力,P,S,，,转速,n,有效马力曲线,P,E,确定所能达到的最高航速,V,，,螺旋桨的直径,D,、,螺距比,P,/,D,及效率,o,（,1,）新船采用现成的标准型号主机,（,2,）旧船调换螺旋桨等,船用螺旋桨的设计方法,图谱设计法,-,根据螺旋桨模型敞水性征系列试验绘制成专用的各类图谱进行设计。,如：,优点：,方便可靠；,缺点：,受图谱规定桨型的限制。,型图谱、,型图谱,环流理论设计法,-,根据环流理论及叶切面试验资料,对桨叶各半径处叶元体分别进行设计，得出各叶元体最佳的组合（桨叶最高效率）。,优点：,每个叶元体都是适合流场情况,（伴流不均匀、空泡现象）,叶元体的螺距不一定相同的，剖面形状也不,对称,.,缺点：,方法繁杂，加工工艺也较复杂。,8-,B-,型图谱的设计方法与应用,在进行螺旋桨设计时，必需针对船舶的特点和要求，根据实践经验，选用合适的螺旋桨图谱。,目前在商船螺旋桨设计中，应用较广泛的有：,荷兰的楚思德,B,型螺旋桨,日本,AU,型螺旋桨,一、,AU,型螺旋桨设计图谱及其应用,1.,B-,型设计,图谱的建立,AU5-50,螺旋桨敞水性征曲线组,P,D,-,螺旋桨收到马力,(hp),V,A,-,螺旋桨进速,(,m/s,),n,-,为螺旋桨转速,(,r,s),),B-,推导过程,注意：,B,P,-,功率系数,直径系数,N,螺旋桨转速,(,rpm,即,r,min,),，,P,D,螺旋桨敞水收到马力,(,hp,),，,V,A,螺旋桨进速,(,kn,),，,D,螺旋桨直径,(,m,),.,-,为海水密度，取104.51,kgfs,2,m,4,图谱,图谱,图谱制作过程,（是敞水性征曲线的另一个表达形式）,给定螺距比,P,/,D,，变化,J,值,K,Q,、,0,计算,和,绘图：横坐标为 ，纵坐标为螺距比,P,/,D,，通过上述计算的,P,/,D,值作一平行横坐标的水平线，并在该线对应于每一值的点上标明相应的,0,和,值，此线即能代表螺距比为,P,/,D,的螺旋桨水动力特性。,对不同,P,/,D,的螺旋桨性征曲线都作上述处理，并绘在同一图上，然后将,0,和,值相同者分别连成光顺曲线，即得,0,和,的等值线。,将各,=,常数时,(,在图谱上表现为垂直线,),效率最高的点连成光滑的曲线，即得最佳效率线。,2,AU,型螺旋桨型式,1,、,AU,型,螺旋桨的原型,2,、,MAU,型,-,改进,AU,型（见下页）,3,、,AU,w,型,-AU,型桨叶切面的后缘具有一定翘度,(,这对于改善桨叶根部叶间干扰有一定效果,),，在六叶上采用这种型式。,4,、,MAU,w,型,AU,型螺旋桨和,MAU,型螺旋桨的叶梢附近切面区别,AU,型螺旋桨是等螺距螺旋桨,四叶螺旋桨系列：,属于本组的,模型螺旋桨要素列于表,8-1,中,。,桨叶轮廓的尺寸见表8-4,，,切面形状见表,8-6.,轮廓形状如图,8-4(,a,),及(,b,),所示,。,根据表,8-1,，,8-4,，,8-6,可以绘制螺旋桨的伸张轮廓和各半径处的叶切面形状。,？,表,8-1,和图,8-4,螺旋桨尺寸不一致,桨模的几何特征,:,MAU4-40,MAU4-55,MAU4-70,直径,m,0.250,0.25,0.25,毂径比,0.18,0.18,0.18,盘面比,0.40,0.55,0.70,最大叶宽比,0.226,0.311,0.398,平均叶宽比,0.192,0.263,叶厚比,0.050,0.050,0.050,后倾角,/,（,）,10,10,10,表,8,四叶模型螺旋桨要素表,图,8-4 MAU4,叶桨的轮廓形状,3.图谱的应用,在进行设计时，应先确定伴流分数,、,推力减额分数,t,、,相对旋转效率,R,及传送效率,s,。,然后可应用图谱来解决螺旋桨设计中不同类型的问题。,(1),螺旋桨的初步设计问题,已知船速,V,，,有效马力曲线，根据选定的螺旋桨直径,D,，,确定螺旋桨的最佳转速,N,，,螺旋桨效率,0,，,螺距比,P,/,D,和主机马力,P,s,。,首先需选定螺旋桨的型式，叶数和盘面比。例如选用,MAU,型，4叶，盘面比为0.55的螺旋桨，则可决定所用的图谱为,MAU4-55,的图谱。,在此类问题中，欲求的是转速,N,和主机马力,P,s,(,或螺旋桨收到马力,P,D,),，,无法确定其中任一个参数，因此需要假设一组转速,N,来进行计算，具体步骤可用表,8-9,的形式进行。,序号,名称,单位,数据,1,螺旋桨直径,D,(,给定,),2,H,3,V,A,4,(,已知,),P,E,5,假定一组转速,N,N,1,N,2,N,3,N,4,6,直径系数,7,查图谱，由,等值线与最佳效率曲线的交点得,P/D;,0,8,P,D,9,主机马力,P,s,10,计算螺旋桨能克服的有效马力,P,TE,已知,n,的初步设计图,已知,D,的初步设计图,(,2,),螺旋桨的终结设计问题,已知主机马力,P,s,、,转速,N,和,有效马力曲线,，确定所能达到的最高航速,V,及螺旋桨的,尺度与效率,。对于这类设计问题，在选定螺旋桨型式、叶数和盘面比,(,例如,MAU4-55,),后，通常先假定,若干个船速,进行计算。终结设计是,经常遇到,的设计问题。,例：,已知,25000t,装货船的主要数据为：,船长,L,PP,=l72m,，船宽,B,=27.2m,，吃水,T,=9.8m,。实船的有效马力如表,9-11,所示。估计的伴流分数,=0.340,，推力减额分数,t,=0.260,，相对旋转效率,R,=0.982,。主机马力,P,s,=12000 hp,，主机转速,N,=118.5 rpm,。,实船的有效马力表,船速,V,/,kn,14.0,14.5,15.0,15.5,16.0,16.5,有效马力,P,E,/hp,4050,4570,5200,6090,7120,8330,假定航速,单位,14,15,16,17,V,A,kn,9.23,9.90,10.56,11.22,P,D,1/2,107.4,107.4,107.4,107.4,V,A,2.5,259,308.5,362,422,N,118.5,118.5,118.5,118.5,B,P,49.2,41.3,35.2,30.2,7.02,6.43,35.2,30.2,查,AU5-50,图谱，由与 最佳效率线的交点得到,76.5,71.0,66.2,62.0,0,0.519,0.544,0.567,0.588,P/D,0.672,0.700,0.728,0.752,D,m,5.95,5.93,5.90,5.87,P,TE,6720,7040,7340,7615,结 论,可达航速,螺旋桨直径,D,=5.897m,螺旋桨螺距比,P,/,D,=0.731,螺旋桨效率,0,=0.569,kn,8-3,螺旋桨设计时应考虑的若干问题,推进效率，空泡、振动及强度,螺旋桨类型、叶数、直径、转速、展开面积比,一、螺旋桨的数目,Z,P,推进性能：单桨,三桨,双桨,振动、操纵性能：双桨,单桨,单桨：低速商用船舶,双、多桨：大型商用船、客船、军舰,推进性能、振动、操纵性能及主机能力,船舶尾部线型,螺旋桨数目,二、螺旋桨叶数的选择,效率：,叶数少者,叶数多者,(,螺旋桨的直径及展开面积相同,),振动：,叶数多者好,空泡：,叶数少者好,双桨船、低速船：,三或四叶,高速军舰：,3,叶,大型商用船,：,4-6,叶,船型、吃水、推进性能、振动和空泡,螺旋桨叶数,单桨商船螺旋桨叶数的选择需要考虑因素,1.根据造船统计资料选择螺旋桨叶数,2.螺旋桨叶数对推进性能的影响,3综合考虑螺旋桨效率与空泡性能,4螺旋桨叶数的选择与振动的关系,直径 ，转速 效率,船舶吃水、尾框间隙 有限船舶直径,设计图谱,螺旋桨直径,船后间隙等因素,三、螺旋桨的直径,修正,常处于压载航行的船舶，宜采用直径较小的螺旋,桨，以照顾压载时的效率和避免叶梢露出水面。,从振动方面考虑，螺旋桨与船体间的间隙不宜过,小，否则可能引起严重振动。,如最佳直径受到限制时，则按右表步骤重新进行设计。,由,和第,6,项的,序号,名 称,单位,数 据,1,V,kn,V,1,V,2,V,3,V,4,2,V,A,=,V,（,1,-,）,kn,V,A1,V,A2,V,A3,V,A4,3,4,N,N,N,N,N,5,B,P1,B,P2,B,P3,B,P4,6,7,-,图谱,（,例,AU5-50,）,（,最佳值,）,1,2,3,4,8,D,=,V,A,/,N,D,1,D,2,D,3,D,4,9,D,D,D,D,D,10,=N D,/V,A,1,2,3,4,11,的,交点在图谱上读出：,0,P,/,D,01,(,P,/,D,),1,02,(,P,/,D,),2,03,(,P,/,D,),3,04,(,P,/,D,),4,12,13,P,TE,=,P,D,0,H,hp,P,TE1,P,TE2,P,TE3,P,TE4,四、螺旋桨的转速,效率：螺旋桨转速低、直径大者效率较高,对机器来说，转速越大效率越高，且机器的重量，尺寸都可减小。,螺旋桨效率,主机类型、重量、价格、机器效率,船体振动问题,螺旋桨转速,船体振动,共振：,当主机或某辅机在一定转速时，整个船体处于振动状态，从而使得整个船体结构振动，应避免。,局部振动：,船舶局部或某些装置处于振动状态，可增设扶强材、支柱等措施消除,螺旋桨的转速,：,80-150 rpm,二节点垂向振动频率,五、桨叶外形和叶切面形状,桨叶外形轮廓：,展开轮廓近于椭圆形者为良好的叶形。对于具有侧斜的桨叶，各半径处叶切面弦长也应大致按椭圆规律变化为佳。,弓形切面：,空泡性能好，低载荷效率略低：军舰,机翼型切面：,改善中线形状，效率和空泡性能都好：商船,螺旋桨外形和切面：,系列资料图谱设计绘制,后倾角：,增加螺旋桨与船体间隙，减小振动,8-4,船体,-,螺旋桨,-,主机的匹配问题,船体、螺旋桨和主机的关系,定义：,主机为机械能的发生器；螺旋桨为能量的转换器,(,将主机的旋转能转换为推力能,),；而船体则为能量的需求者,(,螺旋桨的推力能消耗于船体的做功,),平衡关系,当船速与转速达到适当的关系后，螺旋桨发出的推力能克服船体的阻力，螺旋桨所遭受的转力矩恰为主机所能供应，此时船以等速前进，螺旋桨在一定的进速系数下工作。,三者关系的平衡表示图,校核曲线,(,航行特性曲线,),：,（,要求）,会看会画校核曲线,（,p136-137,）,不同载况下（压载、满载、超载）船体有效功率,不同载况下,（压载、满载、超载）,螺旋桨的有效推进功率,不同载况下,（压载、满载、超载）,主机的功率需求,不同航速下,不同转速下,不同航速下,不同航速下,不同转速下,相等,对应,船体,螺旋桨,主机,有效马力曲线,有效推进功率曲线,主机特性曲线,系泊状态螺旋桨推力,主机,额定转速、额定功率,螺旋桨,J=0,时螺旋桨的有效推力,船舶,螺旋桨的系柱推力,转矩相等,考虑推力减额,计算流程见,P138.,表,8-25,8-,5,螺旋桨图谱设计举例,1.已知船体的主要参数,2.主机参数,3.推进因子的决定,4.可以达到最大航速的,计算,5.空泡校核,6.强度校核,7.螺距修正,8.重量及惯性矩计算,9.敞水性征曲线之确定,10.系柱特性计算,11.航行特性计算,12螺旋桨计算总结,1.,已知船体的主要参数,船型：单桨、球首、球尾、流线型挂舵、中机型多用途远洋货船。,设计水线长,L,WL,=144.20 m,垂线间长,L,PP,=140.00 m,型宽,m,型深,m,设计吃水,m,方形系数,C,B,=,0.743 m,排水量,t,桨轴中心距基线,Z,P,=2.95,m,由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下：,航 速,V,（,kn,）,12,13,14,15,16,17,有效马力,P,E,（,hp,）,满 载,压 载,110,%,满载,2,036,1,779,2,239,2,655,2,351,2,921,3,406,3,007,3,747,4,368,3,642,4,805,5,533,4,369,6,086,7,017,5,236,7,719,2.,主机参数,型 号 苏尔寿,6RLB56,柴油机 一台,最大持续功率,8,460hp,转 速,155rpm,旋 向 右 旋,3.,推进因子的决定,据型船资料选取伴流分数 按经验公式决定推力减额分数 取相对旋转效率 船身效率,4.,可以达到最大航速的计算,采用,MAU 4,叶桨图谱进行计算。,取功率储备,10%,，轴系效率,s,=0.97,，螺旋桨敞水收到马力：,P,D,=8,4600.9,S,R,=,8,4600.90.971.0=7,385.58 hp,根据,MAU4-40,、,MAU4-55,、,MAU4-70,的图谱列表计算：,项 目,单 位,数 值,假定航速,V,kn,13,14,15,16,V,A,=,V,（,1,-,）,kn,8.45,9.10,9.75,10.4,B,P,=,N,64.177,53.324,44.876,38.189,8.011,7.302,6.699,6.179,MAU,4-40,90.0,83.5,77.8,72.7,P,/,D,0.600,0.618,0.635,0.654,0,0.503,0.527,0.550,0.572,P,TE,=,P,D,H,0,hp,4,517,4,730,4,941,5,134,MAU,4-55,88.9,81.8,76.2,71.2,P,/,D,0.637,0.659,0.677,0.697,0,0.485,0.510,0.533,0.556,P,TE,=,P,D,H,0,hp,4,354,4,578,4,784,4,986,MAU,4-70,87.7,81.1,75.3,70.3,P,/,D,0.648,0.670,0.694,0.713,0,0.470,0.492,0.514,0.534,P,TE,=,P,D,H,0,hp,4219,4421,4614,4793,据上表中的计算结果可绘制,P,TE,、,、,P,/,D,及,0,对,V,的曲线，如下图,从,P,TE,f,(,V,),曲线与船体满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素,P,/,D,、,D,、,0,如下表所列。,MAU,V,max,P,/,D,D,0,4-40,4-55,4-70,15.62,15.48,15.28,0.647,0.686,0.698,74.6,73.6,73.8,4.886,4.778,4.792,0.564,0.544,0.519,5.,空泡校核,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,计算温度,t,=15,，,p,v,=174,kgf/m,，,P,D,=7,385.58hp,，,=104.63,kgfs,/m,2,2,4,m,序号,项 目,单 位,数 值,MAU4-40,MAU4-55,MAU4-70,1,V,max,kn,15.62,15.48,15.28,2,V,A,=0.5144,V,max,(,1,-,),m,/,s,5.223,5.176,5.109,3,(,0.7,N D,/,60,),2,(,m,/,s,),2,770.64,736.74,721.76,4,+,(,3,),(,m,/,s,),2,797.9,763.53,747.87,5,=(,p,0,-,p,v,)/,0.389,0.407,0.416,6,c,(,查图,7,-,20,),0.162,0.164,0.169,7,T,=,P,D,0,75,/,V,A,kgf,59818,58218,56324,8,A,P,=,m,2,8.855,8.887,8.518,9,A,E,=,A,P,/(,1.067,-,0.229,P,/,D,),m,2,9.637,9.767,9.391,10,A,E,/,A,0,=,A,E,/,0.514,0.545,0.535,据上述计算结果作图,8-27,，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。,m,kn,6.,强度校核,按,规范,校核,t,0.25R,及,t,0.6R,，应不小于按下式计算之值：,计算功率,hp,gf/cm,3,rpm,=1.4692m,实际桨叶厚度按线性分布取：,mm,t,0.2,=199.6 mm,，,t,0.3,=176.8 mm,，,t,0.4,=153.9 mm,，,t,0.5,=131mm,，,t,0.6,=108.2 mm,，,t,0.7,=85.3 mm,，,t,0.8,=62.4 mm,，,t,0.9,=39.6 mm,。,m,m,mm,7.,螺距修正,根据尾轴直径大小，决定毂径比,d,h,/,D,=0.18,，此值与,MAU,桨标准毂径比相同，故对此项螺距无需修正。,由于实际桨叶厚度大于,MAU,桨标准厚度,故需因厚度差异进行螺距修正。,设计桨,标准桨,(,取,MAU4-55,为基准桨,),修正后的螺距比,：,8.,重量及惯性矩计算,根据,MAU,桨切面的面积数据用积分方法计算得：,桨叶重量,G,b,=5,532.75,kgf,桨毂重量,G,h,=2,874,kgf,螺旋桨总重,G,=8,406.75,kgf,桨叶惯性矩,I,b,=89,453.4,kgfcms,桨毂惯性矩,I,b,=8,440,kgfcms,螺旋桨总惯性矩,I,=97,893.4,kgfcms,2,2,2,9.,敞水性征曲线之确定,由,MAU4,-,40,，,MAU4,-,55,，,P,/,D,=0.6825,的敞水性征曲线,内插,得到,MAU 4,-,54.4,，,P,/,D,=0.6825,的敞水性征曲线,(,图,9-26),其数据如下：,J,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,K,T,0.295,0.267,0.2388,0.204,0.1677,0.127,0.0849,0.0398,K,Q,0.0321,0.0298,0.0268,0.0238,0.0203,0.0164,0.0124,0.0083,10.,系柱特性计算,由图,9-26,得,J,=0,时，。,计算功率,hp,，,系柱推力减额分数取 ，,主机转矩,kgfm,敞水螺旋桨系柱推力,kgf,车叶转速,rpm,船后螺旋桨系柱推力,T,（,1-t0,）,=69,984,kgf,11.,航行特性计算,取转速为,155rpm,，,145rpm,，,135rpm,进行计算：,将上述结果绘成图,9-27,。,由图中可求得压载航行时可达最大航速约为,V,=16.6,kn,，主机马力为,7,150 hp,。,110%,超载航行时可达最大航速约为,V,15.10,kn,，主机马力为,7,800 hp,。,满载航行，,N,=155 rpm,时，可达最大航速约为,V=,15.45kn,，主机马力为,7,620 hp,，与设计要求基本一致。,P,S,中压载、满载、,110%,满载曲线是如何绘制的？,12,螺旋桨计算总结,螺旋桨直径,D,=4.78m,螺距比,P,/,D,=0.6825,型 式,MAU,叶 数,Z,=4,盘面比,A,E,/,A,0,=0.544,纵倾角,=8,螺旋桨效率,0,=0.545,设计航速,V,max,=15.48,kn,毂径比,d,h,/,D,=0.18,旋 向 右 旋,材 料 铝镍青铜,重 量,8,406.75,kgf,惯性矩,97,893.4,kgfcms,2,大作业,螺旋桨设计计算,