大连理工大学船舶阻力与推进课程设计.docx
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大连理工大学船舶阻力与推进课程设计
船舶阻力与推进
课程设计
一、设计要求及船体主要参数
1.1设计要求:
航速:
V=14.75kn;排水量:
Δ=33200t
1.2船体主参数:
船型:
单桨、球首、球尾、流线型挂舵、中机型多用途远洋货船。
利用海军系数法,根据母型船主参数估算设计船体,如下:
单位
母型船
设计船
排水量Δ
t
20800
33200
设计水线长LWL
m
144.20
168.5221
垂线间长LPP
m
140.00
163.6137
型宽B
m
21.80
25.47699
型深H
m
12.50
14.60836
设计吃水T
m
8.90
10.40116
桨轴中心距基线ZP
m
2.95
3.447574
方形系数CB
1
0.743
0.725317
二、船舶阻力估算及有效马力预报
2.1有效马力预报
母型船的有效功率数据如下:
航速
Vm/kn
12
13
14
15
16
17
有效功率PEm/hp
满载
2036
2655
3406
4368
5533
7017
压载
1779
2351
3007
3642
4369
5236
110%满载
2239
2921
3747
4805
6086
7719
根据海军系数法对航速以及有效功率进行变换:
公式:
;
变换如下:
Vm(kn)
12
13
14
15
16
17
V(kn)
12.9726
14.05365
15.1347
16.21575
17.2968
18.37785
PEm(hp)
满载
2036
2655
3406
4368
5533
7017
压载
1779
2351
3007
3642
4369
5236
110%满载
2239
2921
3747
4805
6086
7719
PE(hp)
满载
2201.018
2870.188
3682.056
4722.027
5981.45
7585.728
压载
1923.188
2541.549
3250.717
3937.184
4723.108
5660.378
110%满载
2420.471
3157.747
4050.694
5194.445
6579.27
8344.625
根据以上数据可作出设计船的有效功率曲线如下:
从曲线上可读取,当V=14.75kn时,对应的有效马力为=5076.3105hp。
2.2阻力估算
根据公式,进行船舶阻力估算。
设计船在航速为14.75kn时的总阻力为50174.0248kgf。
三、螺旋桨图谱初步设计
3.1初步设计确定最佳转速
螺旋桨直径初步由缩尺比关系确定设计船直径D=4.78×α=7.6296m,取MAU4-55的
图谱计算如下:
名称
单位
数据
1
螺旋桨直径D
m
7.6296
2
ηH
1.182
3
VA
kn
10.1377
4
PE
hp
5076.3105
5
假定一组转速N
r/min
85
90
95
100
6
直径系数δ
63.97
67.73
71.50
75.26
7
由MAU4-55图谱插值得
P/D
0.78
0.76
0.74
0.724
η0
0.62
0.61
0.59
0.576
√BP
4.89
5.09
5.41
5.72
8
PD
hp
6201.80
7558.71
8873.26
11324.04
9
主机马力PS
hp
6393.61
7792.48
9147.69
11674.26
10
螺旋桨能克服的有效马力PTE
hp
4713.53
5548.26
6355.85
7937.31
将上表结果绘制成曲线图,由图中Ps与Pe曲线交点可知,设计船的最佳转速N=87.09608r/min,最佳主机功率为6997.6182hp。
3.2主机功率的确定
依据初定的转速与功率,查《中国船舶装备》船用动力推进系统YMD-MANB&W,选择主机参数如下:
型号
S35MC
最大持续功率hp
7939
最大持续功率kw
5920
转速(r/min)
173
旋向
右旋
供应商
宜昌船舶柴油机厂
Tel0086-717-6468689
四、螺旋桨图谱终结设计
4.1推进因子的决定(泰勒公式单螺旋桨船)
伴流分数
推力减额分数
相对旋转效率
船身效率
4.2可达到最大航速的计算
采用MAU4叶桨图谱进行计算。
取功率储备10%,轴系效率,
螺旋桨敞水收到马力:
PD=7939×0.9×ηS×ηR=6930.747(hp)
根据MAU4-40,MAU4-55,MAU4-70的
的图谱列表计算。
项目
单位
数值
V
kn
13
14
15
16
VA
kn
8.97
9.66
10.35
11.04
PD1/2
83.2511
83.2511
83.2511
83.2511
N
87
87
87
87
BP
30.05579
24.97275
21.0164
17.8849
BP1/2
5.482316
4.997275
4.584365
4.229054
δ
73.99946
68.71379
64.13287
60.12457
MAU4-40
η0
0.597
0.62
0.623
0.631
P/D
0.636
0.658
0.678
0.708
PTE
hp
4909.491
5198.356
5562.593
6690.513
D
7.762
7.673
7.582
7.391
MAU4-55
η0
0.588
0.601
0.612
0.62
P/D
0.645
0.668
0.691
0.718
PTE
hp
4708.972
4987.278
5308.481
6395.491
D
7.698
7.601
7.487
7.305
MAU4-70
η0
0.572
0.593
0.602
0.619
P/D
0.655
0.694
0.718
0.743
PTE
hp
4531.441
4699.514
5097.134
6209.413
D
7.604
7.487
7.374
7.278
根据上表计算结果,依据大连理工大学于雁云的《船舶与浮式海洋结构物参数化设计》,可绘制对V的曲线。
_spline
13000,5970
14000,6200
15000,6230
16000,6310
_spline
13000,6360
14000,6580
15000,6780
16000,7080
_spline
13000,4909.491
14000,5198.356
15000,5562.593
16000,6690.513
_spline
13000,7762
14000,7673
15000,7582
16000,7391
_spline
13000,5880
14000,6010
15000,6120
16000,6200
_spline
13000,6450
14000,6680
15000,6910
16000,7180
_spline
13000,4708.972
14000,4987.278
15000,5308.481
16000,6395.491
_spline
13000,7698
14000,7601
15000,7487
16000,7305
_spline
13000,5720
14000,5930
15000,6020
16000,6190
_spline
13000,6550
14000,6940
15000,7180
16000,7430
_spline
13000,4531.441
14000,4699.514
15000,5097.134
16000,6209.413
_spline
13000,7604
14000,7487
15000,7374
16000,7278
_spline
13000,3444.2256
14000,4418.4672
15000,5666.4324
16000,7177.74
从PTE-V曲线与船体满载有效马力曲线的交点,可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D、D及η0,如下:
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
Vmax/kn
14.981
14.813
14.152
D/m
7.653
7.970
7.988
P/D
0.6629
0.7521
0.7018
η0
0.581
0.571
0.554
δ
72.784
71.634
70.362
4.3空泡校核
按柏利尔空泡限界线中的商船上限线,计算不发生空泡的最小展开面积比。
桨轴沉深hs=T-ZP=5.53p0-pv=15824.25
计算温度t=15°pv=174kgf/m2PD=7385.58hpρ=104.63kgf*s2/m4
标准大气压pa=10330kgf/m2
项目
单位
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
浸没深度
m
7.98
8.31
8.33
海水压力
kgf/m^2
8176.01
8514.67
8533.90
p
18506.01
18844.67
18863.90
Vmax
kn
14.98
14.81
14.15
VA
kn
5.30
5.24
5.01
(0.7πND/60)2
(m/s)2
594.91
645.22
648.14
V0.7R2
(m/s)2
623.03
672.71
673.23
σ
0.57
0.54
0.54
τ
0.17
0.17
0.18
T
kgf
54797.24
55418.71
58007.16
Ap
m2
9.72
9.05
9.41
AE
m2
10.62
10.12
10.39
AO
m2
45.98
49.86
50.09
AE/AO
0.23
0.20
0.21
项目
单位
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
浸没深度
m
7.98
8.31
8.33
海水压力
kgf/m^2
8176.01
8514.67
8533.90
p
18506.01
18844.67
18863.90
Vmax
kn
14.98
14.81
14.15
VA
kn
5.30
5.24
5.01
(0.7πND/60)2
(m/s)2
594.91
645.22
648.14
V0.7R2
(m/s)2
623.03
672.71
673.23
σ
0.57
0.54
0.54
τ
0.17
0.17
0.18
T
kgf
54797.24
55418.71
58007.16
Ap
m2
9.72
9.05
9.41
AE
m2
10.62
10.12
10.39
AO
m2
45.98
49.86
50.09
AE/AO
0.23
0.20
0.21
根据上表中的计算结果,可作出空泡校核结果图如下:
从图中可得不发生空泡的最小盘面比,以及其所对应的最佳螺旋桨要素如下:
AE/AO
P/D
D
η0
Vmax
0.356
0.670
7.823
0.571
14.76
4.4强度校核
计算功率Ne=6997.6182×0.97=6787.6896hp
盘面比Ad=AE/AO=0.356
螺距比P/D=0.670
纵斜角ε=8°
密度G=7.5g/cm3
螺旋桨转速N=ne=87r/min
0.66R处弦长b0.66R=0.226DAd/(0.1Z)=1.5735
0.25R处弦长b0.25R=0.7212b0.66R=1.1348
0.6R处弦长b0.6R=0.9911b0.66R=1.5595
计算表格如下:
项目
单位
0.25R
0.6R
b
m
1.1348
1.5595
K1
634
207
K2
250
151
K3
1410
635
K4
4
34
A1
2489.829361
886.3386
Y
34233.30841
8867.739
K5
82
23
K6
34
12
K7
41
65
K8
380
330
A2
1236.358209
1027.612
K(Cu3镍铝青铜)
1.38
1.38
X
1.055943754
0.638645
t
mm
325.0231072
109.3688
标准t'
mm
253.8
158.8
校核结果
满足
满足
实取桨厚度
mm
253.8
158.8
4.5螺距修正
毂径比不同对螺距的修正
由,根据教材中图8-40查得桨轴直径dt=465mm,毂径dh=(1.8~2.1)dt=837~976.5(mm),取为850mm则毂径比dh/D=850÷7823=0.1087,故需对此项螺距进行修正:
叶厚比不同对螺距的修正
由于实桨厚度大于标准桨厚度,故需对厚度差异进行螺距修正.
设计桨
标准桨(取MAU4-55为基准螺旋桨)
=-0.007
修正后的螺距比为
4.6重量及惯性矩计算
螺旋桨重量
螺旋桨材料为Cu3镍铝青铜,重量密度γ=7500kgf/m³;桨叶最大宽度bmax=1.940m。
(1)叶片重量(未计及填角料的重量)
每片叶重量=[1/3×R/10×∑(6)+0.166×0.02R]γ=2610.8kgf
式中0.166×0.02R是考虑桨毂至0.2R切面间的重量。
4个叶片重量=4×2610.8=10443.2kgf
(2)桨榖重量
按我国船舶与海洋工程设计院提出的公式计算桨榖重量Gh=3250kgf
(3)螺螺旋桨总重=10443.2+3250=13693.2kgf
转动惯性矩
按设计院提出的公式计算整个螺旋桨的惯性矩为97893.68kgf·cm·s²
4.7敞水性征曲线确定
由MAU4-30、MAU4-40的敞水性征曲线内插MAU4-35.6,P/D=0.6638的敞水性征数据如下:
J
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
KT
0.29490
0.27139
0.24143
0.20977
0.11302
0.13381
0.08242
0.04262
KQ
0.03409
0.02807
0.02532
0.02266
0.01958
0.01642
0.01717
0.00755
并得到MAU4-35.6,P/D=0.6638的敞水性征曲线如下:
4.8系柱特性计算
由敞水性征曲线得:
当J=0时,KT=0.300,KQ=0.0305。
计算功率PD=6930.25×0.97=6722.6456hp
系柱推力减额分数t0=0.04
主机转矩Q=PD*60*75/2πN=47083.8924kgf.m
系柱推力T=KTQ/KQD=71771.9713kgf
螺旋桨转速
4.9航行特性计算
取转速为148r/min、138r/min、128r/min进行计算,计算表格如下:
项目
单位
数据
V
kn
12
13
14
15
16
17
VA
m/s
4.259
4.614
4.969
5.324
5.679
6.034
148r/min
J
0.398
0.431
0.463
0.495
0.527
0.56
KT
0.186
0.176
0.165
0.154
0.141
0.126
KQ
0.0234
0.0234
0.0233
0.0232
0.0231
0.0229
PTE
hp
3942
3992
4008
3970
3855
3631
PS
hp
6146
5859
5570
5269
4958
4627
138r/min
J
0.426
0.46
0.495
0.529
0.564
0.598
KT
0.176
0.165
0.152
0.138
0.122
0.106
KQ
0.0225
0.0224
0.0222
0.022
0.0217
0.0214
PTE
hp
3317
3337
3299
3197
2997
2746
PS
hp
4865
4617
4349
4080
3792
3498
128r/min
J
0.457
0.494
0.531
0.569
0.606
0.643
KT
0.164
0.151
0.136
0.118
0.1
0.084
KQ
0.0214
0.0212
0.0209
0.0205
0.0201
0.0195
PTE
hp
2753
2727
2632
2448
2221
1985
PS
hp
3786
3562
3328
3076
2817
2540
将上述计算结果绘成图4.9.1,并从得到航行特性总结。
由图可得:
(1)压载航行时最大航速Vmax=15.35kn,主机马力PS=6643.76hp;
(2)110%超载航行时最大航速Vmax=14.97kn,主机马力PS=7031.01hp;
(3)满载航行,N=128r/min时,最大航速Vmax=14.83kn,主机马力
PS=6926.35hp;
综上,与设计要求基本一致。
4.10螺旋桨计算总结
螺旋桨直径D
7.823m
螺距比P/D
0.6638
型式
MAU
叶数Z
4
盘面比AE/A0
0.356
纵倾角ε
8°
螺旋桨效率η0
0.571
设计航速Vmax
14.75kn
毂径比dh/D
0.1087
旋向
右旋
材料
Cu3镍铝青铜
重量G
13693.2kgf
惯性矩I
97893.68kgf.cm.s²
五、参考资料
[1]盛振邦.刘应中.《船舶原理(上)(下)》.[M].上海:
上海交通大学出版社.2010..
[2]《中国船舶装备》[M].北京.人民交通出版社
[3]于雁云.林焰《船舶与浮式海洋结构物参数化设计》[M].国防工业出版社
六、课程设计的收获
本次课程设计让我把船舶阻力推进的课本知识从头捋顺了一边,把在课堂上没有弄懂的知识,重新掌握了一遍。
同时本次课程设计让我用上了跟于雁云老师学的CAD和Excel结合的方法,真的很快,以后再画一组很多条格子线或者样条曲线就很快了。
同时,课程设计是一个复杂麻烦的过程,这个过程锻炼了我的耐心与细心,一遍一遍地修改,不断提高。
课程设计还是很有趣的。
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- 关 键 词:
- 大连理工大学 船舶 阻力 推进 课程设计
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