船用螺旋桨设计方法比较研究
  
作者：李娟, 郭永松   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：船舶工程
   发布时间：2012/3/15 12:47:34

摘要：随着造船界的日益发展，常规螺旋桨设计由于受到图谱相关系列螺旋桨几何参数局限性的影响，在螺旋桨诱导的船体振动、螺旋桨噪声、螺旋桨空泡和效率等问题处理上有所欠缺，而新型理论设计螺旋桨有着明显的优势。通过对绿色35,000吨散货船螺旋桨两种设计方法的研究，对其理论计算结果与试验结果比较，表明该理论设计螺旋桨既能满足工程设计的要求，又在改善桨叶的空泡性能，从而避免空泡引起的船体振动和桨叶剥蚀等诸多问题有着显著效果。

关键词：螺旋桨；图谱设计；理论设计

1.总述

  随着造船工业的不断发展，现代船舶的大型化、高速化，对船舶螺旋桨的性能要求也越来越高。螺旋桨工作在非均匀流场中，由于流场的非均匀性，螺旋桨在运转的过程中，往往难以避免桨叶上出现空泡现象，从而引起船尾的剧烈振动，导致螺旋桨空泡剥蚀，引发噪声等有害影响。因而，螺旋桨在设计阶段应充分考虑并兼顾桨叶效率、空泡、振动和剥蚀等多种性能要求。

2.常规螺旋桨设计方法

  常规图谱设计方法是根据螺旋桨敞水系列模型试验结果绘制成的专用图谱进行设计的方法。按照图谱法设计螺旋桨，是根据给定条件在图谱所提供的螺旋桨资料范围内选择最适宜的方案。该方法具有计算简单，结果可靠的优点，对于一些典型的船舶螺旋桨设计可较为准确和迅速地获得理想的方案，曾对螺旋桨的设计起过重要作用。直至今天，对常规船而言，该方法仍不失为一种简单可靠的方法。然而，图谱设计方法存在很多缺点，该方法不仅需通过大量的试验绘制图谱，耗费大量的人力、物力和财力。更重要的是图谱设计螺旋桨，受到图谱相关系列螺旋桨几何参数局限性的影响，不可能对桨叶诸多几何参数做出选择，设计出适合特定船舶和主机性能的高质量的螺旋桨。

3.螺旋桨理论设计方法

  理论设计方法是根据环流理论以及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计的方法。螺旋桨诱导的船体振动、螺旋桨噪声、螺旋桨空泡和效率等问题一直是人们普遍关注的问题。因此，为了不同的使用目的，各种不同桨叶形状和桨叶剖面形状的螺旋桨广泛应用于实船。例如，为了减少船尾振动而采用大侧斜螺旋桨，为了提高螺旋桨效率而采用理论方法设计最佳螺旋桨等。近几年来，民用高速船不断地投入使用，高速船螺旋桨的设计必须兼顾效率、空泡、振动、剥蚀等多种性能要求，常规的螺旋桨图谱设计方法已无法兼顾这些性能要求，因而理论方法设计螺旋桨逐步成为高速船螺旋桨设计的主流。

  最早的升力线理论是应用Goldstein因子及正交条件进行处理，该方法仅在特殊条件下成立，在一般情况下，只能将其当作是工程上的近似方法。Lerbs于1952 年提出的诱导因子法，从理论上解决了升力线理论求解螺旋桨性能计算问题和任意环量分布下的设计问题，并且适用于轴对称伴流场中求解螺旋桨的正逆问题。1968 年Morgan 等按规定的螺旋桨系列几何形式和环量分布形式，计算了该系列螺旋桨的升力面修正因子。但是，螺旋桨叶叶片是一个扭曲的小展弦比机翼，在升力线理论中把桨叶负荷集中在一根升力线上，没有考虑弦向影响。只是在考虑了诱导速度后借用二维翼剖面特性来处理问题，不是从满足物面边界条件出发，因此算出的螺旋桨总推力、转矩和效率是正确的，而叶片的几何形状却是近似的，特别是桨叶越宽误差就越大。为此用升力面修正的方法对拱度及攻角进行修正。 

  上世纪五六十年代，美国MIT 的Kerwin对基于机翼理论中的Falker 思想的离散化涡格法做了进一步发展，其方法考虑了桨叶厚度影响，使之适用于有纵斜和大侧斜变螺距的螺旋桨。该方法用升力线理论结果，避免了求诱导速度计算中无限积分而大大减少了工作量，而且，附着涡的分布形式可任意选择，并可求出整个拱弧线的形状和攻角。现在升力面理论方法已日益成为船用螺旋桨理论分析的一个非常有效的工具。

4图谱方法和理论方法设计螺旋桨实例比较

  以上海佳豪绿色35,000DWT散货船为例。

4.1设计条件

4.1.1常规图谱方法设计螺旋桨

本船的螺旋桨如采用常规MAU螺旋桨图谱设计，设计条件如下：

        设计功率（CSR）                5076kW

        设计转速                        110.0r/min（含3.5%转速裕度）

        伴流分数                        w = 0.301

        推力减额分数                    t = 0.189

        相对旋转效率                   ηr = 0.995

4.1.2理论方法设计螺旋桨

螺旋桨设计条件如下：

        设计功率（CSR）                4970Kw（88.1%的SMCR 5640kW）

        设计转速                        109.2r/min（含4.09%转速裕度）

        伴流分数                        w = 0.301

        推力减额分数                    t = 0.189

        相对旋转效率                   ηr = 0.995

适伴流螺旋桨理论设计需要螺旋桨各半径处的轴向伴流分布，每个半径上的轴向伴流值是该半径上轴向伴流的周向分布的修正平均值。

本船伴流测量试验结果如图1所示，为5.8m直径螺旋盘面各半径处的轴向伴流分布，各半径轴向伴流周向平均值如下表所示：

图1 轴向伴流分数等值线&切向伴流矢量图

表：轴向伴流的径向分布

螺旋桨设计参数选择

  本船的理论设计桨的直径设定为5.8m，4叶，要求在船速为14.30kn的条件下，产生605212kgf的推力，桨转速为109.2r/min, 要求功率不超过4970kw。

  叶切面形式为NACA66 mod.和a=0.8的拱线。

  设计空泡裕度取值0.52，该值对桨叶空泡在船后不均匀流场中诱导的脉动压力不会引发船体剧烈振动给于了足够的考虑。设计桨采用24.57°的侧斜。

  为有利于桨叶效率，纵倾采用曲线前倾型式。桨叶强度按LR船级社规范进行校核。

  对适伴流螺旋桨来说，螺距和切面拱度的径向分布设计是最重要的，它们的设计选择不仅满足主机功率和转速的匹配要求，还充分考虑了切面的效率和空泡性能。

4.2设计结果

常规螺旋桨设计结果

        螺旋桨直径                      D = 5.83m

        螺距比                          P/D = 0.6931

        盘面比                          Ae/A0 = 0.4176

在主机功率CSR/1.15和船舶设计吃水条件下，螺旋桨转速为104.5r/min时的船舶航速为13.67kn。

螺旋桨数值升力面理论设计结果

     直径                     D = 5.80m

     桨叶数                   Z=4

     0.7R处螺距比             0.7622

     桨叶盘面比               0.4176

     毂径比                   Dh/D = 0.1600

各半径处切面弦长、厚度直径比，切面拱度弦长比，螺距比和纵倾比如下表所示：

理论设计螺旋桨的几何参数

理论设计螺旋桨图

5 理论设计方法的试验验证和航速功率预报

5.1理论设计螺旋桨水动力性能

理论设计螺旋桨实桨和桨模的敞水水动力性能预报如下表所示：

表：实桨水动力性能预报

表：桨模水动力性能预报

5.2桨模敞水试验结果

理论设计螺旋桨桨模直径为200.8mm，试验转速为16.0r/s，敞水试验结果如下表所示：

表：设计螺旋桨桨模敞水试验结果

  通过比较设计螺旋桨模型水动力性能预报试验结果，可知在设计点J = 0.487，试验值Kt=0.1523和Kq=0.01927，与设计螺旋桨水动力性能预报结果非常接近，验证了螺旋桨理论设计结果的可靠性。

5.3航速功率预报

  根据理论设计螺旋桨水动力性能敞水结果，可给出本船在10.8m吃水下的船舶功率航速预报如下：

表 10.8m吃水下功率航速预报

6.分析和结论

由上述船舶性能预报结果，图谱设计和理论设计螺旋桨对船舶快速性的影响比较如下：

如果船舶在相同功率5076kw/1.15运行，由上表格可知，常规螺旋桨设计和适伴流螺旋桨对应的航速分别为13.67kn和13.76kn，理论航速增加1.4%。应归功于螺旋桨理论设计的结果。

由此得出结论，船用螺旋桨应用理论设计方法，就提高桨叶效率而言，带来了较大的提高。特别要指出的是，理论设计螺旋桨方法更大的优越性在于改善桨叶的空泡性能，从而避免空泡引起的船体振动和桨叶剥蚀等诸多问题。