[工学]螺旋桨图谱设计.doc

第九章 螺旋桨图谱设计 § 9-1 设计问题与设计方法 螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。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，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机马力小；或者当主机已选定，要求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。因此，螺旋桨的设计问题可分为两类。 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。具体地讲就是： ① 已知船速V，有效马力PE，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速n、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps； ② 已知船速V，有效马力PE，根据给定的转速n，确定螺旋桨的最佳直径D、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps。 二、终结设计 主机马力和转速决定后(最后选定的主机功率及转速往往与初步设计所决定者不同)，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。具体地讲就是：已知主机马力Ps、转速n和有效马力曲线，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η0。新船采用现成的标准型号主机或旧船调换螺旋桨等均属此类问题。在造船实践中，一般采用标准机型，所以在实际设计中，极大多数是这类设计问题。 目前设计船用螺旋桨的方法有两种，即图谱设计法及环流理论设计法。 图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计。用图谱方法设计螺旋桨不仅计算方便，易于为人们所掌握，而且如选用图谱适宜，其结果也较为满意，是目前应用较广的一种设计方法。应用图谱设计螺旋桨虽然受到系列组型式的限制，但此类资料日益丰富，已能包括一般常用螺旋桨的类型。 环流理论设计方法是根据环流理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。用此种方法可以分别选择各半径处最适宜的螺距和切面形状，并能照顾到船后伴流不均匀的影响，因而对于螺旋桨的空泡和振动问题可进行比较正确的考虑。但由于此种方法计算繁复，加工工艺也较复杂，故目前在我国应用较少。随着电子计算机技术在造船事业中的应用，加上设计方法之优越，今后必然会得到广泛的应用。关于环流理论设计方法将在第12章中予以介绍。 § 9-2 B-δ型图谱的设计方法与应用 目前各国已发表的螺旋桨设计图谱较多，有的只是表达形式不同而试验资料相同，有的则是螺旋桨形式不同。因此，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。这里主要讨论商船螺旋桨的设计，兼顾高速军舰螺旋桨设计。目前在商船螺旋桨设计中，以荷兰的楚思德B型螺旋桨和日本AU型螺旋桨应用最为广泛。鉴于有关B型螺旋桨发表的资料较多，本节将以AU型螺旋桨为对象，进行较详细的介绍，对于B型螺旋桨仅就其最近归纳发表的新形式图谱作些介绍。我们认为，只要对于螺旋桨的设计问题理解清楚以后就能融会贯通，即使对于不同的图谱形式或不同的螺旋桨类型都能灵活应用。 一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用 AU型螺旋桨是日本运输技术研究所发展的螺旋桨系列，近年来日本有关部门又对切面形状等作了改进，扩大了盘面比和螺距比范围，进行了3~6叶螺旋桨模型的系列试验，并作成了设计图谱。 1. B-δ型设计图谱的建立 如果将AU型5叶，盘面比= 0.50、螺距比分别为：P/D = 0.4，0.6，0.8，1.0，1.2的五个螺旋桨的敞水试验结果绘制在同一图上，则可以得到如图9-1所示的敞水性征曲线组。当知道进速系数以后，即可得到不同螺距比螺旋桨的性能。在螺旋桨的设计问题中，一般不可能同时给定直径D和转速N，而敞水性征曲线图的横坐标进速系数J却同时包括了D和N二个参数，这给设计螺旋桨带来不便，为此需将这类性征曲线转绘成专用图谱，B-δ型图谱就是目前应用最广的一种图谱形式。 如前所述，通常遇到最多的是终结设计问题，即已知主机马力和螺旋桨转速，所以解决这类问题的计算系数应该不包含未知量D。为此需导出这类计算系数。 按定义有： 又 将上面两式消去直径D得： 或 两边开方得： 式中，PD为螺旋桨收到马力(在设计图谱中常简单地用P表示，为避免与螺距P混淆，本书中仍用PD表示。)，其单位为公制马力(hp)；VA为螺旋桨进速，单位为米/秒(m/s)，n为螺旋桨转速，单位是转/秒。若将上式中VA以节(kn)来表示，转速