船舶螺旋桨的设计

摘 要

螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为船的前进提供的推力。

螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶线型设计，并通过估算或用船模试验的方法确定了船体有效功率之后进行的。影响螺旋桨推进性能的因素很多，在本设计过程中主要对螺旋桨的直径、螺距比、盘面比、桨叶轮廓形状等因素进行研究，并通过在工作中积累的经验，设计一艘内河A 级拖船的螺旋桨。

关键词

螺旋桨 直径 螺距比 盘面比 桨叶轮廓形状

Abstract

Propeller is a necessary promoting components of shipbuilding industry, which be used to providing thrust for ship moving. Its design precision will directly affect the forward speed of the ship.

The propeller design the whole ship design is a vital part of the ship, it is to guarantee an important aspect of the swiftness. General propeller design is in preliminary finished ship lines design, and through the estimation or with model test method to determine the hull effective power after. Affect the propeller to advance performance in the many factors in the design process of the propeller diameter, mainly pitch than, than, disk blades factors such as profile, and through the experience in work, design an inland ship class A tug propeller

Keywords

Propellers diameter pitch of screws ratio pie area ratio paddle outline

目 录

摘要 ................................................................................ I 关键词............................................................................... I Abstract . ............................................................................ I Keywords . ............................................................................ I 0 引言............................................................................... 1 1 结构与计算要素 ...................................................................... 1 1.1 结构组成 ........................................................................ 1 1.2理论基础 . ........................................................................ 1 1.3 工作原理 ........................................................................ 2 1.4 计算要素 ........................................................................ 2 2 项目设计过程及结果与分析 ........................................................... 3 2.1 船体估算数据 .................................................................... 3 2.2 螺旋桨要素选取及结果与分析 ...................................................... 4 2.3 推力曲线及自由航行计算及结果与分析 .............................................. 6 2.4 强度计算结果与分析 .............................................................. 7 2.5 计算总结 ........................................................................ 9 2.6 螺旋桨模型的敞水实验 ............................................................ 9 3螺旋桨设计的发展 .................................................................. 10 3.1 节能减排促使螺旋桨加快创新 ..................................................... 11 4结论 .............................................................................. 11 致谢 ............................................................................... 12 参考文献 . ........................................................................... 12 附录 ............................................................................... 13

0 引言

船在水面或水中的航行时遭受阻力，为了使船舶能保持一定的速度向前航行，必须供给船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠专门的装臵或机构通过吸收主机发出的能量并把它转换成推力而得，而这种专门吸收与转换能量的装臵或转换能量的装臵或机构统称为推进器。推进器种类很多，例如风帆，民轮，直叶推进器，喷水推进器及螺旋桨等，螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是目前应用最广的推进器。

螺旋桨为船的前进提供的推力，但影响螺旋桨推进性能的因素很多，在处理这些因素时，往往会出现得此失彼，互相矛盾又互相统一的复杂现象，所以都会从螺旋桨的效率、空泡、强度、工艺和振动等方面作统盘考虑。但是一般螺旋桨装在船后，流体经过船体是要受到影响，其速度和方向与船前面的流体比较都不相同：另一方面，螺旋桨的工作对船体的阻力也有影响，如何考虑它们之间的相互影响是设计存在的问题。本设计的指导思想是把最能满足船舶性能要求的那些因素作为主要矛盾加以解决。

1 结构与计算

1.1结构组成

螺旋桨俗称车叶，通常由桨叶和浆毂组成。螺旋桨与尾轴连接部分叫浆毂，浆毂是一个锥形体。为了减小水的阻力，在浆毂后端加一整流罩，与浆毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。

螺旋桨在水中产生推力的部分叫桨叶，桨叶固定在浆毂上。普通螺旋桨常为3叶或4叶，2叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近年来有些船舶（如大吨位大功率的油船），为避免震动而采用5叶或5叶以上的螺旋桨。

由船尾向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂连接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时先入水的一边称为导边，另一边称为随边。螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径，以D 表示。梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积以Ao 表示，可用下式表示它们之间的关系： Ao=πD 2/4

由船后向前看去，螺旋桨正车旋转为顺时针者称为右旋桨，反之，则成为左旋桨。装于船尾两侧之螺旋桨，左桨左旋，右桨右旋称为外旋桨，左桨右旋，右桨左旋称为内旋桨。

1. 2 理论基础

螺旋桨理论按其内容发展阶段可分为动量理论、叶元体理论和环流理论。在这里主要介绍动量理论。

推进器的动量理论早在19世纪末已确立，它认为螺旋桨的推力是因其使水产生动量变化所致的，所以可通过水的动量变更率来计算推力。由于忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有一定的距离，不能用作计算或设计的依据。但是，由于推进器的动量理论还能简略地说明推进器产生推力的原因，而且某些结论也有一定的实际意义。 先简要的分析螺旋桨在水中的运转的情况。我们通常把由于螺旋桨运转使水流产生的运动速度称为诱导速度。为了便于分析研究问题，把诱导速度分解为两个分量：一个是平行于桨轴方向，另一个是垂直于轴平面内的圆周方向。沿圆周方向的诱导速度分量称为周向诱导速度，其方向与螺旋桨轴向运动方向相反。沿圆周方向的诱导速度分量称为周向诱导速度，其方向与螺旋桨旋转方向相同。对于负荷（指螺旋桨承担的推力）较重的螺旋桨常可以发现螺旋桨尾流有较严重的收缩现象，这时水质点还存在径向诱导速

度。

往往由于对诱导速度的处理不同，产生了不同的螺旋桨理论，例如忽略了周向诱导速度的影响，应用动量定理可得到理想推进器理论，若同时考虑周向诱导速度应用动量矩定理便可得到理想螺旋桨理论。

1.3工作原理

螺旋桨的工作是靠桨叶向后拨水来实现的。它在工作时，一面随主机驱动而旋转，一面随船舶前进而前进，这两种运动的组合即为螺旋运动。

螺旋桨工作时，发出的推力用以克服船的阻力，推船前进。遭受的阻力矩由主机发出的旋转力矩克服之。可见，当螺旋桨以转速n 进行旋转时，必须吸收主机所供给的转矩Q ，才能克服力矩。螺旋桨吸收的功率为2πnQ 。螺旋桨在运动中产生推力T, 且以进速V A 推船前进，其所发挥作用的功率为TV A . 故螺旋桨的效率为 ηo = 推功率/吸收功率=TVA/2πnQ

为了提高螺旋桨的效率，总是力求使螺旋桨所产生的推力增大，而使运动中所遭受的阻力矩减少，从而使主机供给的转矩减小。

1.4结构计算要素

1）螺旋桨直径：首先考虑与尾型和吃水的关系，在绘制船体线型时，已基本决定了螺旋桨的轴线位臵和可能的最大直径。从尾型和吃水条件看，普通船舶的螺旋桨直径大约在下列范围：单桨D=(0.7~0.8)Tw;双桨D=(0.6~0.7)T w. 式中Tw 为船舶满载时的船尾吃水。只要螺旋桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水效率最佳的螺旋桨直径。但是由于船后伴流不均匀性的影响，敞水最佳直径与船后最佳直径略有差别。随着伴流不均匀的程度，最佳直径应有不同程度的减小：单桨所处的位臵的伴流不均匀性较大，最佳直径要减3~5%；双桨所处的位臵伴流比较均匀，最佳直径约减少2~4%。

2）螺距比H\D：在进速系数相同时，螺距比越大，推力系数和转矩系数也越大，这是因为螺距比大时具有较大的攻角的缘故。当进速系数较小时，螺距比小者效率较高，而在进速系数较大时，则螺距比大者效率较高。在螺距比小于1.5的范围内，H\D越大，螺旋桨的最高效率越大。而在螺距比大于1.5时，螺旋桨的最高效率大致不变。

通常，螺距比是指也梢处或0.7R 处的螺距与直径之比。实践证明，采用等螺距桨叶并不很好，单桨尤其如此。桨叶沿径向处于不同的伴流区，每一切面在不同的伴流中工作，若采用等螺距分布，叶根切面可能遇到很大的攻角，负荷较大，影响螺旋效率。因此，为了使桨叶不同半径处的切角不致相差过大，以保持各切面的效率大致相等，减小尾流中的能量损失，从而提高效率，最好采用径向变螺距的螺距分布形式。

3）盘面比： 若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和转距均随盘面比的增加而增大。但盘面比大时，翼栅作用较甚，桨叶的摩擦阻力也较大，螺旋桨的效率就较低。盘面比太小时，因强度需要，势必增加桨叶厚度，这时桨叶单位面积所发出的推力较大，容易发生空泡，且会增加涡旋阻力，致使效率反而降低。所以在设计螺旋桨时，均选择不发生空泡的最小盘面比。

4）桨叶轮廓形状：桨叶的外形轮廓多螺旋桨的效率和空泡性都能有影响。但是通过我们现场反馈的意见表明，对一般接近椭圆形的桨叶，叶形的变化对螺旋桨效率影响不大。 5）叶数：螺旋桨叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和空泡多方面加以考虑。一般认为若螺旋桨的直径及展开面积相同，则叶数少者效率略高，叶数多者因叶片与叶片间产生的相互干扰作用较大，效率常略低。叶数多者对减小振动有利，叶数少者对避免空泡有利。

6）螺旋桨转速：螺旋桨转速低一些，则直径可以较大，效率也会较高，但对主机来说，转速高，则机器效率高，主机的重量和尺寸也可以减小，从这里可以看出螺旋桨转速和主机转速要求之间是相互对立而又互相联结。因此就需要螺旋桨的转速和主机的转速之间要匹配好。但在进行一般民用船舶的螺旋桨设计时，主机往往是从现已生产的一定功率的几种船用主机中加以比较选取，更多的情况是先有主机再进行船舶设计。因此在设计螺旋桨时，螺旋桨的转速常是给定的。

7）螺旋桨的数目：一艘船是选用一个螺旋桨好还是选用两个螺旋桨好，必须综合考虑推进性能、操作性能及主机性能或数目等各方面的因素，需要根据各类船舶的不同特点来选取。通常习惯是按同航线同类型的船来选取螺旋桨数目，且螺旋桨数目与船尾线型直接有关，故在船舶初步设计时已决定了螺旋桨的数目。

在功率相同的情况下，则但螺旋桨船的推进效率高于双螺旋桨，这时因为单螺旋桨位于船尾纵中剖面上，伴流较大，而且单桨的直径较双桨大，故其效率较高。

2 项目设计过程及结果与分析

船体主尺度及船型系数

这个螺旋桨设计来自于一艘内河A 级拖船，以下是与该设计有关的船体的主尺度及船型系数：

总 长 23.7米 水线长 23米 型 宽 5.30米 型 深 2.0米 设计吃水 1.25米 设计排水量 ~88.7吨 艏舷高 2.55米 艉舷高 2.25米 方形系数 0.578 水线面系数 0.809 中剖面系数 0.917 纵向菱形系数 0.630 浮心纵向位臵 -0.651

2.1 船体估算数据

该船体有效效率估算（兹万科夫法），见表1

垂线间长 L 22.0 m 型宽 B 5.3 m 吃水 T 1.25 m 方形系数 Cb 0.57 摩擦阻力系数 f 0.1497 有隧道 m 1.2 水温 t 1.5 ℃ 舯横剖面面积 Am 6.0884 m² 浸水面积 Ω 99.462m 剩余阻力系数 ξ 2.2350

表1

2.2 螺旋桨要素选取及结果与分析

2.21 螺旋桨要素选取（见表2）

静深水状态下的设计拖带航速： Vs=13km/h≈7.0kn 螺旋桨直径： D=1.10m 主机型号： NT/NTA885-M 数量： 2台

MCR: 200hp x1744rpm 功率储备： 10%

设计点工况： 180hp x1744rpm 齿轮箱减速比： 4 : 1 螺旋桨转速： N=436rpm 轴系效率： ηs=0.96 齿轮箱传递效率：

ηg=0.97 伴流分数： w=0.13 推力减额： f=0.14 船身效率： ηh=0.989

根据δ，Bp 查MAU 图谱得（如表3所示）：

表3

空泡校核 （伯利尔限界线）（如表4所示）： 设 计 功 率

Pd= 167.6 hp 设计转速 N= 436 r/min

3

淡水重度 γ= 1000 kgf/m 桨 轴 沉 深

h s = 0.6 m 标 准 大 气 压 力

Pa= 10330 kgf/m2 水15℃气化压力 Pv= 174 kgf/m2 伴 流 分 数

W= 0.13 相 对 旋 转 效 率

ηg= 1.0 螺 旋 桨 直 径 D= 1.1 m

盘 面 比 Ae/Ao= 0.4 螺旋桨螺距比 P/D= 0.84 叶数 Z= 4

2.22 结果与分析

经计算分析可知满足空泡要求的最小盘面比约为Ae/Ao=0.65 根据MAU4~40、MAU4~55、MAU4~70查得结果内插可知： 在该盘面比下的螺距P/D=0.807,敞水效率ηo=0.461

2.3 推力曲线及自由航行计算

拖船有两种典型的航行状态：自航状态和拖航状态。拖船在自由航行状态时，螺旋

桨发出的推力只用于克服船体阻力; 拖船在拖带航行时，除了克服船体自身阻力外，还需要克服拖钩上的拉力。两种不同工况螺旋桨的工作状态相差很明显，因此，设计状态的选取需要进行具体的分析比较。

一般来说，可以根据拖船的使用情况来决定螺旋桨的设计工况。例如，专门用于拖带驳船队的拖船，其大部分工作时间用于拖带，对拖力的要求特别高，则以拖带状态设计螺旋桨为主。本设计项目就以拖带状态设计螺旋桨。

拖船的螺旋桨通常是按设计航速Vs 设计的。要计算设计航速时螺旋桨发出的推力，首先需要根据设计航速确定此螺旋桨的进速系数J ，有螺旋桨的叶数、盘面比、螺距比及进速系数查螺旋桨的性征曲线图，可得螺旋桨在此工况下的K T . 根据K T 就可以求出敞水推力，考虑推力减额后即可得螺旋桨在船后发出的有效推力。 2.31 设计航速时有效推力（如表5所示）：

当拖船高于设计拖速航行时，相当于阻力减小，由于进速V ’A 比原设计状态有所增加, 即V ’A ＞V A 此时螺旋桨发出的推力与吸收的转矩减小，因而螺旋桨负荷变轻，则主机就可毫不费力地转动螺旋桨，使转速越转越快并超过额定转速而出现飞车现象。长时间的使主机在超过额定转速下工作时不允许的，所以只有采取减小主机喷油量来控制转速，使之不超过额定转速。由于喷油量减小，主机转矩减小，其功率发挥不足。所以高于设计航速时，螺旋桨与主机配合的特点是保持原设计转速不变，而主机功率发挥不出来。

2.32 高于设计航速时的有效推力（如表6所示）：

当拖船低于设计拖速航行时，相当于阻力增加，由于进速V ’A 比原设计状态有所下降, 冲角增加，使螺旋桨工作时遇到的阻力矩增加。因机器的转力矩不能再增加，就出现主机带不带螺旋桨现象。此时只能采取降低转速的方法，使螺旋桨收到的转力矩下降，直至与主机的额定转力矩相等。总之，在此状态下，螺旋桨与主机配合的特点为转力矩保持设计状态不变，而螺旋桨转速下降，使螺旋桨不能充分吸收主机的额定功率。 计算此状态下螺旋桨发出的有效推力，由于转速时变化的，而且是未知的，因而在假设航速下并不能求得进速系数J ，故计算直接从假设进速系数J 开始，反求相应的转速及航速。

2.33 低于设计航速时的有效推力（如表7所示）： M=75 x 60 x Po/2πN=275.3 kgf.m

2.34 自由航行速度的确定

将表格计算结果画成推力速度曲线（T~V）

推力曲线与船体阻力曲线之交点对应的速度为自由航行速度见附录（图1） V=10.14kn=18.78km/h

2.4 强度计算结果与分析

我们所设计与制造出来的螺旋桨，应该具有较高的效率和足够的强度，以便保证船舶安全航行和充分发挥螺旋桨的效能，另一方面使船在正常航行状态下，桨叶不致破损或断裂。但是不能单纯追求强度大、桨叶厚，这样不仅浪费材料，而且对螺旋桨的性能也没有好处。所以，在设计螺旋桨时，必须进行强度校核，其目的是确定足以保证强度的叶片厚度，及沿径向的分布规律。

螺旋桨桨叶可看作固定于浆毂的悬臂梁。当螺旋桨在水中操作时，作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力（T/Z）及转向相反的阻力（F/Z），两者都使桨叶产生弯曲和扭转。此外由于螺旋桨桨叶在旋转时产生离心力（C ），使桨叶受到拉伸作用，若桨叶具有

侧斜或者纵斜，则离心力还有受桨叶产生弯曲。螺旋桨的强度校核就是核算在这些外力作用下，桨叶切面强度是否满足需要。若不能满足需要时，则需增加叶片的厚度。但随着厚度的增加螺旋桨效率下降，所以应当在满足强度的前提下选取较薄的叶片。由于桨叶是扭曲的变截面悬臂梁，且其横截面并不对称，同时作用在桨叶上的外力也难精确算出，故在螺旋桨设计中，一般都用理论和实验相结合的近视办法来进行螺旋桨的强度计算。这里介绍内河船螺旋桨强度校核方法。

逻姆逊强度校核法

逻姆逊强度校核法是内河船舶螺旋桨强度校核中常用的一种方法。此法是以切面所收的最大压应力来校核桨叶的强度。并且认为在只有半径为0.2R 和0.6R 处的切面能满足强度要求，则整个桨叶就能满足强度要求，所以只需校核上述两个切面的最大压应力。最大压应力由两部分组成，一是推力和选择阻力引起，即收到功率直接相关的压应力ς1，另一个是由离心力引起的压应力ς2，故总的最大压应力ς为：

ς = ς1 + ς2

2.41 强度计算结果

螺旋桨材料 镍铝青铜（Cu3） 最小抗拉强度ςb 590N/mm2 材料比重 G 7.6g/cm3 材料系数 K 1.38

主机输出功率 Ne 200hp(147kw) 螺旋桨转速 ne 436rpm 螺旋桨直径 D 1.100m 螺旋桨盘面比 Ae 0.650 螺旋桨螺距比 P/D0.70R 0.807 螺旋桨螺距比 P/D0.60R 0.807 螺旋桨螺距比 P/D0.25R 0.807 螺旋桨后倾角 ε 10.00 螺旋桨叶数 Z 4 2.42结果分析

根据中国船级社≤钢质海船入级与建造规范（2001）≥及≤修改通报≥（2004）

由表8得出此计算结果满足规范对强度的要求。 2.5 计算总结

直径 D=1.10m 桨数 2只

螺距比 P/D=0.807 盘面比 Ae/Ao=0.65 叶型 MAU 叶数 Z=4

材料 镍铝青铜（Cu3） 重量 ~170kg 自由航速 ~18.8km/h

2.6 螺旋桨模型的敞水实验

螺旋桨模型单独在静水中的实验称为敞水实验，实验可以在船模实验池或空泡水筒中进行。它是检定和分析螺旋桨性能较为简便的方法。 螺旋桨敞水实验的目的有以下几条：

1）进行螺旋桨模型的系列实验，将所得的结果绘制成图谱，以供螺旋桨设计之用； 2）根据系列选取的结果，可以全面系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能提供方便；

3）为配合自航实验和进行同一螺旋桨的敞水实验时，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。

由设计和实验证明，要使几何相似的螺旋桨成为动力相似，主要具备的条件是进速系数J 相等。就是说，不论实际螺旋桨与模型螺旋桨旋桨之间的绝对尺度和运动速度怎么不同，只要保持它们之间的几何相似、进速系数J 相等，则无因次系数K T 、K Q 和ηo 均相等，因此可将螺旋桨的模型实验结果应用于其几何相似的实际螺旋桨中。当几何形状或进速J 改变时，则无因次系数K T 、K Q 和ηo 亦随之改变；因此对于几何形状一定的螺旋桨来说，其水动力性能只与进速系数J 有关，而K T 、K Q 和ηo 为进速系数J 的函数，因此可以写成下列三式：

24

KT = T / ρn D = f1(J)

K Q = Q/ ρn 2D 5 = f2(J)\

ηo = (KT / KQ ).(J/2π) = f3(J)

螺旋桨实验的目的就是要测定螺旋桨的性能数据，即求出上述K T 、K Q 和ηo 与J 的变化规律，一般是采用保持模型的转速n 不变，而以不同的进速V A 进行实验来改变进速系数J 的值。

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3螺旋桨设计的发展

3.1节能减排促使螺旋桨加快创新

减少排放和节省燃油成本促使越来越多的船东将注意力转向螺旋桨。目前，有两款新技术应用于船舶螺旋桨。 具有顺桨功能的双螺旋桨

单一主机在较低的功率水平时会损失效率，而依*采用较小双主机的双螺旋桨操作可提供更大的灵活性，在船舶需要以略低的航速航行时可以仅使用一组推进装臵，在需要时可起动余下的另一台主机。除了增加冗余外，双桨配臵由于较少的排放而对环境有益。Berg Propulsion公司最近推出带有对双螺旋桨船有顺桨功能的Berg 可调螺距螺旋桨。该公司认为，这个解决方案特别适合沿海液货船。

船舶在较低航速航行时使双螺旋桨中的一只螺旋桨处于顺桨状态的概念是，将2只螺旋桨中不工作的螺旋桨桨叶旋转90度，使它们与水流平行，从而使阻力降到最小并进一步节省工作主机燃烧的燃油。顺桨是连接和脱开不需工作的轴系的更有效替代方法。 首批具有顺桨功能的BCP 安装于中国的鼎衡（江苏）造船建造的船长100米的化学品运输船上，以及在佛罗利达Eastern Shipbuilding Group 建造的船长85.5米的渡船上。Berg 公司认为，对现有船舶改装这种设计的螺旋桨也有极大的潜力，投资可得到快速回收，同时可减少污染。

Promas 概念螺旋桨

提高效率和满足新的环境挑战的另一种解决方案是Rolls-Royce Marine 公司的Prom as 概念。它的特色是螺旋桨的桨毂能使水流光顺地流向装有Costa 舵球的扭曲舵。吸引人的是其推进效率可提高6%，这种技术对于中小型船舶和化学品运输船特别有吸引力。 光顺螺旋桨流入带扭曲导边舵的水流，可以回收漩涡能量，并消除毂涡。扭曲程度不是固定的，应适合于螺旋桨的旋转方向。螺旋桨桨叶上的负荷也可以重新分布，以达到更高的效率，同时降低噪声和振动。压力脉动的实际减少预计平均约为25％。 在正常转舵时，失速临界角可减小3～4度，而在机动操纵时可提供较大的角度和较高的升力，并限制舵的空化现象。因此，可减小普通舵的面积，在低速时产生15％的额外侧向力。一个光顺的盖帽有助于产生更好的水流和减少损耗。

Rolls-Royce声称，安装Promas 后，船东可以在2年内收回成本。正在研究的1艘载重量为8000dwt 的普通化学品运输船或成品油船，方形系数为0.81，服务航速计划为15kn 。考虑3种不同的舵扭曲，舵对功率的需求可减小6.5％～9.5%，且船体仅需较小的导流鳍。如果需要，船东还可要求在舵上装臵襟翼。

如果需要，现有船舶也可改装成套Promas 装臵。对载重量约在40000dwt/50000dwt以下的单螺旋桨油船（及散货船），不论是新建船舶还是在航船舶．此概念都显示出较好的远景。

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