螺旋桨设计与绘制

第1章 螺旋桨设计与绘制

1.1 螺旋桨设计

螺旋桨设计是船舶快速性设计的重要组成分。在船舶型线初步设计完成后，通过有效马力的估算获船模阻力试验，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，又能使消耗的主机马力最小；或者当主机已经选定，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。螺旋桨的设计问题可分为两类，即初步设计和终结设计。

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要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速计效率决定主机的转速及马力。

终结设计：主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。 在本文中，根据设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.6m，进行初步设计，获得所需主机的马力和主机转速，然后选定主机；根据选定的主机，计算最佳的螺旋桨要素及所能达到的最大航速等。

1.1.1 螺旋桨参数的选定

（1）螺旋桨的数目

选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、震动、操纵性能及主机能力等各方面因素。若主机马力相同，则当螺旋桨船的推进效率高于双螺旋浆船，因为单螺旋桨位于船尾中央，且单桨的直径较双桨为大，故效率较高。本文设计船的设计航速约为17.5kn的中速船舶，为获得较高的效率，选用单桨螺旋桨。

（2）螺旋桨叶数的选择

根据过去大量造成资料的统计获得的桨叶数统计资料，取设计船螺旋桨的叶数为4叶。考虑到螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，在图谱设计中，单桨商船的桨叶数也选为4叶。

（3）桨叶形状和叶切面形状

螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼型两种。弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载时效率较机翼型约低3%~4%。若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商用螺旋桨

采用机翼型切面。

根据以上分析，选择MAU4叶桨系列进行螺旋桨设计。

1.1.2 螺旋桨推进因子

螺旋桨的伴流分数取螺旋桨以等推力法进行敞水实验获得的实效伴流：

0.404

推力减额按照汉克歇尔关于单桨螺旋桨标准商船公式进行计算：

t0.50CP0.120.22

主机的轴系传递效率： s0.9 7相对旋转效率： R1.0 0船身效率： H

1t

1.31 1

1.1.3 有效马力曲线

有效马力曲线表征的是船体阻力特征。通过近似估算获船模阻力计算实验来

确定船体的有效马力曲线。对应于不同装载情况下有不同的有效马力曲线，常用的为满载和压载。考虑到由于风浪或污底等情况，尚需增加一定百分数的有效马力预度。本文取满载和110%满载情况进行设计。

表4- 1有效马力曲线

根据上表可绘制设计船在满载情况下的有效马力曲线

图4- 1有效马力曲线

1.1.4 初步设计

根据有效马力曲线，设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.60m，以MAU4-55系列桨为基础，计算所需的主机马力和最佳转速。具体的计算表格见表4-2

表4- 2初步设计确定最佳转速的计算

有上表可绘制确定最佳转速的图，如图4-2.

根据PE和PTE的交点可获得：最佳转速为N=102r/min，所需主机马力为11500hp，

P/D=0.732，0=0.582。

图4- 2确定转速的计算结果

1.1.5 终结设计

根据初步设计的结果，选定主机型号为苏尔寿5RTA68柴油机一台，最大持续功率为13250hp，转速为102r/min，旋向为右旋。

采用MAU4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：PD=132500.9sR11567.25(hp) 根据MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70 计算

表4- 3

续表4- 4 图谱设计的计算表

根据上表的计算结果可绘制PTE、、P/D及0对V的曲线，如图4-3.

从PTE-f(V)曲线与满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D，D及0，如表4-4.

表4- 3

续表4- 4 图谱设计的计算表

根据上表的计算结果可绘制PTE、、P/D及0对V的曲线，如图4-3.

从PTE-f(V)曲线与满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D，D及0，如表4-4.

表4- 5按图4-3设计计算的最佳要素

图4- 3MAU4叶桨图谱设计计算结果

1.1.6 空泡校核

螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，成为空泡。

一旦桨叶上出现空泡，或导致桨叶表面材料的剥蚀，或时螺旋桨性能恶化。因此，在设计螺旋桨时，应考虑其是否发生空泡或空泡发展的程度，故需进行空泡现象的预测，以便确定所设计的螺旋桨是否符合要求。

目前常使用螺旋桨模型空泡实验或大量实船资料整理所得的图谱，或由统计数据归纳而成的近似公式进行空泡校核。

本文按波利尔空泡界限中商船上界限，计算不发生空泡的最小展面比：

0.20

0.19

0.18

0.7R

)

2

c=(T/AP)/(0.5V

0.17

0.160.15

0.14

0.13

0.35

0.400.450.50

20.7R

0.550.60

0.7R=p0/(0.5V

)

图4- 4波利尔空泡接线图

浆轴中心距基线 ZP3.68m

浆轴沉深 hsTZP10.823.687.14m

2

海水密度 104.6kgs/m4

标准大气压力 Pa10330kgf/m2 螺旋桨敞水收到马力 PD11567.25hp

表4- 6空泡校核计算结果

续表4- 7空泡校核计算结果

根据表4-5计算结果作图4-5，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的的最佳螺旋桨要素。

AE/A00.487 P/D0.72 D6.68m

Vmax17.73kn 00.592

图4- 5空泡校核计算结果

1.1.7 强度校核

为了保证船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。为此，在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定桨叶的厚度分布。

螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力油轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸。若桨叶具有测斜或纵斜，则离心力还要使桨弯曲。

按2001年《规范》校核t0.25R及t0.6R，如表4，应不小于按下式计算之值：

t

1.36A1NA2GAdN2D3 Y X 10

10ZbZbn

计算功率Ne132500.90.979453kw

3

NnAdAE/A00.487 P/D=0.72 10 G7.6g/cm102r/m in

b0.66R0.226DAd/0.1Z0.2266.680.487/0.41.8380m

b0.25R0.7212b0.66R=1.3256m b0.6R0.9911b0.66R1.8217m

表4- 8 强度校核计算表

续表4-6强度校核计算表

实际桨叶厚度按t1.0R0.0035D23.38mm与t0.25R=255.51mm连直线决定

t0.2R270.985mm,t0.3R240.035mmt0.4R209.084mm,t0.5R178.133mmt0.6R147.183mm,t0.7R116.232mmt0.8R85.2813mm,t0.9R54.331mm

1.1.8 螺距修正

螺旋桨设计中，有些参数旺旺与所用系列螺旋桨不同，例如按上述强度计算所得到的桨叶厚度小于所选用的系列桨的厚度时，尚可直接采用系列桨的厚度及厚度分布，其缺点是浪费材料。有的设计螺旋桨的毂径比不同于系列螺旋桨。在这种情况下，不许对螺旋桨的螺距进行修正，使两者的性能相同。

根据尾轴直径大小，确定觳径比dh/D0.18，此值比与MAU标准觳径比相同，故对此项不需要进行螺距修正 0.7R处标准桨厚度：

t0.70.0171D112.86mm

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。

t设计桨：



0.1162

0.06345 

0.99641.8380b0.7R

0.0171Dt

标准桨0.05523（取MAU4-55为基准桨）

b0.7R0.99640.31075D

1s

VA(1)V30.8660.59617.7330.866

=0.66485 NPNP1024.8096

t0.55tt=-0.75=0.00081 b0.7Rb0.7设b0.7标0.487

PPt

2(1s)20.720.664850.000810.00775DtD0b0.7R

修正后的螺距比：

PPP

0.720.007750.71225 DD0Dt

1.1.9 重量及惯性矩计算

在螺旋桨设计中，必须进行重量和惯性矩的估算，以提供轴系计算、工厂备料以及离心力计算等需要。

根据中国船舶及海洋工程设计研究院提出的公式：

桨叶重： Gb10.169Zbmax(0.5t0.2t0.6)(1d/D)D(kgf) （4-1） 桨毂重： G2n(0.880.6d0/d)Lkd(kgf) 螺旋桨重： GGb1Gn 螺旋桨惯性矩：

I2mp0.0948Zbmax(o.5t0.2t0.6)D3(kgf.cm.s)(d/D0.18)式中：最大宽度bmax1.8380m

主机最大持续功率情况下螺旋桨的收到马力PD11567.25hp 螺旋桨在相应收到马力下的转速：N102r/min

0.2R和0.6R处切面的最大厚度t0.20.27098m,t0.60.14718m 轴毂配合的锥度：K1/13 毂长：Lkd0.11.3m

材料重量密度：7.6g/cm37600kg/m3 桨毂直径：d=1.2m 桨叶数：z=4

螺旋桨直径：D=6.68m 桨毂长度中央处轴径：

d00.0450.108(PD/N)1/3KLk/20.51776m

代入4-1、4-2、4-3、4-4计算得到：

桨叶重量 Gb11462.09578k9gf 桨毂重量 Gn8836.79846kgf 螺旋桨总重 G23347.75645kgf

4-2） 4-3）

4-4）

（ （ （

螺旋桨惯性矩 Imp44630.914kgf3cms2

1.1.10 敞水特征曲线之确定

由MAU4-40、MAU4-55，P/D=0.712的敞水特征曲线内插得到MAU4-48.7，P/D=0.712的敞水性特征曲线，见图4-6，其数据见表

4-7

图4- 6设计桨的敞水特征曲线 表4- 9设计桨敞水特征数据表

1.1.11 系柱特性计算

有图4-6得J=0时， KT0.322 ,KQ0.035计算功率 PD132500.9712852.5hp 系柱推力减额分数取 t00.04

主机转矩 Q

PD607512852.56075

90244.36kgfm

2N2102

系柱推力 T

KTQ0.32290244.36

124288.64kgf KQD0.0356.68

螺旋桨转速 N60/D4KT

87.67r/min

1.1.12 航行特征计算

取转速为102r/min，94r/min，86r/min进行计算，结果如下表所示：

表4- 10航行特性计算表

续表4- 11航行特性计算表

由上述结果可绘制图4-7。

由图中可求超满载航行时可达最大航速约为V=15.31kn.，主机马力为12320hp。满载航行时，可达到最大航速约为V=17.731，主机马力为12080hp，与设计要求基本一致。

图4- 7航行特征曲线

1.2 螺旋桨绘图

在螺旋桨的设计计算后，即需绘制螺旋桨的总图，以供制造需要。在螺旋桨总图上需画出桨叶的伸张轮廓、投射轮廓、以及侧投影轮廓。在伸张轮廓上画出若干半径处的切面形状（一般画8~9个切面），在侧投影轮廓图上画出桨叶的最大厚度线，桨叶的界限轮廓线，并需要注出桨毂的主要数据。此外，在总图上尚需注明螺旋桨的主要尺度、各种比值以及必要的说明。

1.2.1 投射原理

螺旋桨的投射原理是螺旋桨绘图的基础。

图4-8是一机翼型切面的螺旋桨水平放置且叶面向下的情形。

图4- 8机翼型切面螺旋桨投影原理图

由4-8可知，如果以半径r（与螺旋桨同轴）的圆柱面和桨叶相交，则得螺旋线B0A0C0；在图4-8（b）的螺距三角形中，螺距角arctan为螺距(m)；r为切面所在半径（m）。

对于图4-8所示的机翼形切面来说，从正投影方向所见到的是切面最外边的两点J0和H0，从侧投影方向所见到的则是切面最外边的两点S0和H0，即图4-8（b）上的J、H和S、H对应的点。因此在制图时应该根据J点和H点求正投影轮廓(或称投射轮廓)，而据S点和H点求侧投影轮廓。

P

；式中：P2r

1.2.2 伸张轮廓的绘制

螺旋桨的设计计算决定了螺旋桨各半径处切面形状和桨叶的伸张轮廓。根据设计得到的螺旋桨直径、叶数、螺距，查MAU型螺旋桨桨叶轮廓表，计算出各半径处的叶片宽度、母线到叶片导边的距离以及母线到叶片随边的距离；根据设计决定的各半径处的桨叶厚度，查MAU型叶切面尺寸表，计算叶厚随叶宽的分布情况，决定设计桨的叶切面形状。

表4- 12设计螺旋桨桨叶轮廓尺寸表

根据表4-9以及叶切面尺寸表可绘制伸张轮廓以及最大厚度线。

图4- 9螺旋桨伸张轮廓图

1.2.3 投射轮廓的绘制

根据投影原理，可以从伸张轮廓上的切面长度求出正投影图上相应半径的圆弧长度，从而作出投射轮廓。参阅图4-10，以半径r = OA处的切面为例，其作图的具体步骤说明如下：

图4- 10螺旋桨作图步骤示意

（1）在图4-10（c）中，取OFP/2，连接AF，则得tanOAFP/2；故OAF为半径r处的螺距角。

（2）在伸张面上过A点作直线NN'AF，则有N'ACOAF。从J、H两点分别作垂直于NN'的直线JJ'1和HH'1，则

'

AH'1a AJ1b

（3）在正投影图（4-10（b））以O为圆心，r为半径画圆弧，并在圆弧

'

量取： 弧长A1J1AJ1b

弧长A1H1AH'1a

则J1和H1即为投射轮廓上的两点。

（4）按照上述方法做出其他半径处各投射轮廓上的相应的点，用光顺的曲线连接各点即可得到投射轮廓图。

图4- 11投射轮廓图

1.2.4 侧投影图的绘制

在绘制侧投影图时，如图4-10(b)或图4-10（c）所示，应注意在侧投影方向见到的是S 点和H点，且S点在A点之前的距离为α，H点在A点之后的距离为β。作图步骤如下：

（1）在侧投影图上先画出参考线OU，然后由正投影图上A1点引水平线与侧投影图上的参考线OU交于 A'点，则A'点即为A1点的侧投影位置。

（2）在侧投影图上从A'点向前水平量取A'L，向后水平量取A'L'，其中和的数值可直接从伸张轮廓上量得。在正投影图上取圆弧A1S1b'，则S1即为S点在正投影图上的位置。从正投影图上S1点引水平线与A'L线上从L点所作的垂线相交于S'，则S'点即为S点在侧投影轮廓上的一点。从正视图上H1点引水平线与A'L'线的垂线相交于H'，则H'点即为H点在侧投影轮廓上随边处的一点。

（3）用上述方法做出其他半径处侧投影轮廓上的相应之点，并以光顺的曲线连接各点，即可得到桨叶的侧投影轮廓。把不同半径处相当于L的各点练成曲线，即得桨叶的限界轮廓线，如图4-10(1)中的虚线所示。

图4- 12侧视图

1.2.5 桨毂尺寸及形状

毂和毂帽的形状必须使水流顺滑地流过,避免产生漩涡。其形状及尺度可根据船舶实际情况和造船经验确定。

螺旋桨桨轴的轴径(mm)

500

螺旋桨桨轴的轴径d(mm)

600

300200

4- 14l1

100

l（1）dt——D0

l0

01(P2D/N)3456

PD为最大持续功率时的受到马力；N为最大连续功率时的螺旋桨每分钟转速。

(PD/N)

dt550mm

（2）dh——螺旋桨的毂径。一般可根据螺旋桨轴径dt确定。

对于组合式螺旋桨： dh2.62.8dt 对于整体式螺旋桨： dh1.82.1dt 本设计螺旋桨取 dh1200mm

（3）d1、d2——毂前后端的直径。

d1/dh(1.05~1.15) d2/dh(1.05~1.15)

取d1=1320mm,d2960mm

(4) r1、r2——叶面、叶背与毂连接的圆弧半径：

r10.033D0.0336680220.44mm r10.033D0.0446680293.92mm

（5）l0——桨毂长度。取l0dh100mm1300mm （6）K——轴孔锥度，

图4- 15桨毂形状及尺寸

1.3 本章总结

本章在进行阻力估算后，对达到的设计航速所需的螺旋桨进行设计。通过初步设计确定所需的主机马力和主机转速，并由此选定主机为苏尔寿5RTA68柴油机。根据选定的主机进行终结设计并进行空泡校核、强度校核等。

本章采用了MAU系列桨图谱进行设计，所得的螺旋桨参数如下：

螺旋桨直径 D=6.68m 螺距比 P/D=0.712 型式 MAU 叶数 Z=4

盘面比 AE/A00.487 纵倾角 

10 螺旋桨效率 00.59 2设计航速 Vmax17.73kn 毂径比 dh/D0.18 旋向 右旋 材料 Cu3镍铝青铜 重量 G23347.75645kgf

2惯性矩 Imp446309.9143kgf.cm. s

螺旋桨总图如下：

侧视图

正视图

图4- 16螺旋桨总图