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螺旋桨设计内河货船解析
6螺旋桨设计及航速预报
螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。
在船舶型线初步设计完成后,通过有效马力的估算,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,又使消耗的主机马力小;或是当主机已经选定时,要求设计一个在给定主机条件下使船舶达到最大航速的螺旋桨。
本设计采用螺旋桨图谱设计,就是根据螺旋桨模型敞水试验绘制而成的专用图谱来进行设计。
在获得设计船的有效马力曲线以后,主要分以下几步进行:
1.初步设计:
确定螺旋桨的最佳转速,进而确定之前选择的主机是否满足要求,通过最佳转速,求得减速比,选取合适的减速齿轮箱。
2.终结设计:
确定螺旋桨的转速后,通过一系列的图谱设计计算,确定螺旋桨的直径,盘面比等尺度要素,并进行空泡校核。
3.若计算结果直径超过限制直径,则做限制直径螺旋桨。
6.1设计螺旋桨时应考虑的若干问题
6.1.1螺旋桨的数目
选择螺旋桨的数目应该综合考虑推进性能、振动、操纵性能及主机能力等各方面的因素。
一般来说,在总布置合理的情况下,增大螺旋桨直径可以提高敞水效率。
对于本货船,由于吃水有限制,船型选择为双尾船,采用双螺旋桨。
6.1.2螺旋桨的桨叶数的选取
叶数的选择应根据船型,吃水,推进性能,振动和空泡等多方面加以考虑。
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,叶数多者因叶栅干扰作用增大,故效率下降。
但叶数多者对减小振动有利,叶数少者对避免空泡有利。
同时,螺旋桨叶数与主机缸数不能为整倍关系,否则容易发生共振现象。
本船选用6缸主机,故采用4叶桨,避免共振。
6.1.3设计图谱
可供采用的图谱很多,对中低速船舶,通常采用MAU系列或B系列,其中MAU空泡性能较好。
本船采用MAU系列图谱。
6.2已知条件
(1)船型参数
表6.1船型参数
总长Loa(m)
24.19
水线长Lwl(m)
23.63
型宽B(m)
5
吃水T(m)
1
排水量Δ(t)
88.369
方形系数Cb
0.761
(2)有效马力曲线
根据型线特征,本船采用爱尔法估算船舶有效功率比较合适,结果见下表:
表6.2有效马力曲线表
Vs(kn)
6
7
8
9
10
Pe(kw)
8.1778
16.4159
36.1017
91.7437
246.24
(3)部分取值
推进因子:
根据船型按经验公式决定伴流分数:
ω=0.55Cb-0.20=0.2186。
按经验公式决定推力减额分数:
t=0.325Cb-0.1885D×(BT)^0.5
计算得t=0.1293。
(参考文献【6】,P60)
取值相对旋转效率:
ηR=0.98;
船身效率:
ηH=(1-t)/(1-ω)=1.1143;
轴系效率:
ηs=0.98;(参考文献【6】,P48)
功率储备:
10%;
所用图谱:
MAU4系列图谱。
6.3用MAU图谱进行设计
6.3.1初步设计
初步设计的计算见下表:
表6.3初步设计计算表
初步设计确定最佳转速的计算
单位
数据
螺旋桨直径D
m
0.8000
ηH=(1-t)/(1-w)
1.1143
VA=V(1-w)
kn
6.7513
PE
44.4000
假定一组转速N
r/min
400.0000
500.0000
600
700
直径系数δ=ND/VA
47.3983
59.2478
71.0974
82.9470
查图谱MAU4-40,P/D
0.8330
0.7260
0.662
0.613
η0
0.6900
0.6300
0.576
0.529
√Bp
3.7800
4.9500
6.11
7.25
PD=Bp^2VA^5/N^2
17.8972
33.6835
54.2999
79.0848
主机马力Ps=PD/(ηsηR)
18.6351
35.0724
56.5389
82.3457
有效推力PTE=PD.η0.ηH.Z
13.7605
23.6462
34.8517
46.6177
查图谱MAU4-55,P/D
0.88
0.764
0.7
0.652
η0
0.673
0.608
0.555
0.505
√Bp
3.88
5.08
6.18
7.41
PD=Bp^2VA^5/N^2
19.86753346
37.36387185
56.83141024
86.30059407
主机马力Ps=PD/(ηsηR)
20.68672788
38.90448964
59.17472953
89.8590109
有效推力PTE=PD.η0.ηH.Z
14.89913818
25.31381394
35.14661844
48.56319974
查图谱MAU4-70,P/D
0.912
0.775
0.703
0.652
η0
0.633
0.577
0.53
0.486
√Bp
3.96
5.14
6.29
7.53
PD=Bp^2VA^5/N^2
21.5574702
39.16061474
60.98697807
92.02818528
主机马力Ps=PD/(ηsηR)
22.44634548
40.7753173
63.50164314
95.82276684
有效推力PTE=PD.η0.ηH.Z
15.20560257
25.17836032
36.01762852
49.83784533
可画出转速功率图如下:
图6.1转速功率图
由图上可读出:
螺旋桨的最佳转速分别为662.4r/min,671r/min,681.2r/min。
综合考虑,转速值N=663r/min。
所需有效功率为:
Ps=83hp,因此之前选取的主机满足要求,但功率过大,重新选取主机为:
型号6135Ca,功率88.3kw(单机),额定转速1500r/min。
由主机转速得减速比i=4.0486:
1。
配套的减速齿轮箱选择:
型号:
杭齿MB270A。
减速比:
4.05:
1。
最终取螺旋桨转速:
N=1500/4.05=370.37r/min。
6.3.2终结设计
根据初步设计得到的螺旋桨转速进行终结设计,其中η0为MAU4-40/55/70图谱中最佳效率曲线上相应Bp处所对应的敞水效率:
终结设计见下表:
表6.4终结设计计算表
终结设计的计算表
假定若干船速V
7
8
8.5
9
10
VA=V(1-w)
5.4698
6.2512
6.6419
7.0326
7.814
PD1/2
8.928224908
8.928224908
8.928224908
8.928224908
8.928224908
VA2.5
69.9726976
97.70313175
113.6922422
131.1564916
170.680347
N
663
663
663
663
663
84.59603983
60.58570496
52.0652333
45.13244478
34.68128122
√BP
9.19761055
7.783681967
7.215624249
6.71806853
5.889081526
MAU4-40
δ
101
88.5
82.8
78
68.7
η0
0.467
0.512
0.531
0.549
0.585
P/D
0.57
0.596
0.615
0.633
0.668
D
0.833257617
0.834436199
0.829486154
0.827364706
0.809685973
PTE
41.48100356
45.47810241
47.16576636
48.7646059
51.96228497
MAU4-55
δ
99.7
87
81.3
76.5
68
η0
0.449
0.492
0.513
0.533
0.57
P/D
0.607
0.64
0.658
0.677
0.714
D
0.822532519
0.820293213
0.814459231
0.811453846
0.801435897
PTE
39.88216402
43.70161403
45.56692682
47.3434152
50.62991869
MAU4-70
δ
98.8
85.6
80.3
75.5
67.4
η0
0.438
0.468
0.496
0.514
0.547
P/D
0.61
0.645
0.664
0.684
0.725
D
0.815107451
0.807093092
0.804441282
0.800846606
0.794364404
PTE
38.90509542
41.56982798
44.0569117
45.65575124
48.58695706
计算所得的结果中直径均超过限制直径0.8m,故改作限制直径螺旋桨。
6.3.3限制直径
限制直径螺旋桨设计表如下所示:
表6.5限制直径计算表
限制直径的螺旋桨设计步骤表
名称
单位
数值
假定若干船速V
kn
7
8
8.5
9
10
VA=V(1-w)
kn
5.4698
6.2512
6.6419
7.0326
7.814
PD1/2
8.928224908
8.928224908
8.928224908
8.928224908
8.928224908
VA2.5
69.9726976
97.70313175
113.6922422
131.1564916
170.680347
N
r/min
663
663
663
663
663
84.59603983
60.58570496
52.0652333
45.13244478
34.68128122
√BP
9.19761055
7.783681967
7.215624249
6.71806853
5.889081526
D*
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
δ*=ND*/VA
96.96881056
84.84770924
79.85666752
75.42018599
67.87816739
由δ*和√BP的交点在MAU4-40上读取
η0
0.463
0.507
0.529
0.548
0.584
P/D
0.648
0.672
0.677
0.692
0.707
有效推力PTE=PD.η0.ηH.Z
41.12570589
45.03398031
46.98811752
48.67578148
51.87346056
由δ*和√BP的交点在MAU4-55上读取
η0
0.447
0.492
0.513
0.533
0.569
P/D
0.66
0.684
0.685
0.7
0.716
有效推力PTE=PD.η0.ηH.Z
39.70451519
43.70161403
45.56692682
47.3434152
50.54109427
由δ*和√BP的交点在MAU4-70上读取
η0
0.437
0.477
0.496
0.514
0.547
P/D
0.648
0.664
0.666
0.69
0.709
有效推力PTE=PD.η0.ηH.Z
38.816271
42.36924775
44.0569117
45.65575124
48.58695706
6.4螺旋桨要素的确定
根椐表6.2有效马力曲线和表6.5中各盘面比下的有效功率进行作图(如图6.2),取有效马力曲线与各盘面比下的有效功率曲线的交点,即可得到不同盘面比下所能达到的航速,结果见表6.6:
表6.6螺旋桨设计已知参数
盘面比
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
可达航速Vmax
kn
8.73
8.70
8.66
螺旋桨直径D
m
0.8
0.8
0.8
螺旋桨螺距比P/D
0.683
0.690
0.672
螺旋桨效率ηo
0.538
0.521
0.502
图6.2螺旋桨计算图
图6.2螺旋桨计算结果图
6.5空泡校核
根据柏利尔限界限校核(参考文献【6】,P78),空泡校核过程如表6.7所示。
表6.7螺旋桨空泡校核
螺旋桨空泡校核
序号
项目
单位
数值
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
1
淡水密度
kgf*s2/m4
102
2
螺旋桨轴线沉默深度hs
m
0.62
3
标准大气压pa
kgf/m2
10330
4
p0
kgf/m2
10950
5
PTE
47.795
46.2813
44.5726
6
η0
0.538
0.521
0.502
7
PD
79.72564836
79.71970732
79.68234752
8
P/D
0.683
0.69
0.672
9
Vmax
kn
8.73
8.7
8.66
10
VA=0.5144Vmax(1-w)
m/s
3.509042357
3.496983792
3.480905706
11
(0.7πND/60)2
(m/s)2
377.5373353
377.5373353
377.5373353
12
(m/s)2
389.8507136
389.7662309
389.6540398
13
0.550738718
0.550858092
0.551016698
14
Τc(查图6-20)
0.188
0.188
0.188
15
T=PD*η0*75/VA
kgf
916.7543689
890.7812414
861.8562632
16
AP
m2
0.245259947
0.238362992
0.230689397
17
AE=AP/(1.067-0.229P/D)
m2
0.269340909
0.262228398
0.252640855
18
AE/A0
0.536108498
0.52195143
0.502867945
由表6.7作空泡校核图6.3。
由图取在不会发生空泡现象的最小盘面比时的对应相关数据,见表6.8。
表6.8螺旋桨设计结果
D(m)
P/D
Ae/A0
η0
Vs(km/h)
0.8
0.694
0.525
0.524
16.12
故所能达到的最大航速为16.12km/h。
图6.3空泡校核图
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