第8章螺旋桨图谱设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章 螺旋桨图谱设计,(Propeller Design with Series Charts),单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大连海事大学,(Dalian Maritime University,DMU),轮机工程学院,(Marine Engineering College,MEC),8-1 螺旋桨的设计问题和设计方法,8-2 B-型图谱的设计及其应用,8-3 设计螺旋桨时应考虑的若干问题,8-4 船体-螺旋桨-主机的匹配问题,8-5 螺旋桨图谱设计举例,8-6 螺旋桨图谱设计-,补充问题,本章主要内容,8-1 螺旋桨的设计问题和设计方法 本章主,1,给定主机马力，使船舶能达到最高航速,船体的有效,马力曲线,船舶线型初步设计完成,8-,设计问题和设计方法,达到预定航速，消耗的主机马力小,设计一个螺旋桨？,初步设计,终结设计,船体的有效,马力曲线,海军系数,给定主机马力，使船舶能达到最高航速船体的有效船舶线型初步设计,2,一、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的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力，并据此订购主机。,船速,V,有效马力,P,E,选定桨的直径,D,选定桨的转速,n,确定桨的最佳转速,n,、效率,0,、螺距比,P/D,、主机马力,P,S,确定桨的最佳直径,D,、效率,0,、螺距比,P/D,、主机马力,P,S,一、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,3,二、终结设计,主机马力和转速决定后，求所能达到的最高航速及螺旋桨的尺度。,主机马力,P,S,，,转速,n,有效马力曲线,P,E,确定所能达到的最高航速,V,，,螺旋桨的直径,D,、,螺距比,P,/,D,及效率,o,（,1,）新船采用现成的标准型号主机,（,2,）旧船调换螺旋桨等,二、终结设计主机马力和转速决定后，求所能达到的最高航速及螺,4,船用螺旋桨的设计方法,图谱设计法,-,根据螺旋桨模型敞水性征系列试验绘制成专用的各类图谱进行设计。,如：,优点：,方便可靠；,缺点：,受图谱规定桨型的限制。,型图谱、,型图谱,船用螺旋桨的设计方法 图谱设计法-根据螺旋桨模型敞水性,5,环流理论设计法,-,根据环流理论及叶切面试验资料,对桨叶各半径处叶元体分别进行设计，得出各叶元体最佳的组合（桨叶最高效率）。,优点：,每个叶元体都是适合流场情况,（伴流不均匀、空泡现象）,叶元体的螺距不一定相同的，剖面形状也不,对称.,缺点：,方法繁杂，加工工艺也较复杂。,环流理论设计法-根据环流理论及叶切面试验资料,对桨叶,6,8-,B-型图谱的设计方法与应用,在进行螺旋桨设计时，必需针对船舶的特点和要求，根据实践经验，选用合适的螺旋桨图谱。,目前在商船螺旋桨设计中，应用较广泛的有：,荷兰的楚思德,B,型螺旋桨,日本,AU,型螺旋桨,8-B-型图谱的设计方法与应用 在进行螺旋桨,7,一、,AU,型螺旋桨设计图谱及其应用,1.B-型设计,图谱的建立,AU5-50,螺旋桨敞水性征曲线组,一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用 1.B-型设计 AU5,8,P,D,-,螺旋桨收到马力,(hp),V,A,-,螺旋桨进速,(,m/s),n,-,为螺旋桨转速,(,r,s),),B-,推导过程,PD -螺旋桨收到马力,(hp)B-推导过程,9,注意：,B,P,-,功率系数,直径系数,N,螺旋桨转速,(,rpm,即r,min,),，,P,D,螺旋桨敞水收到马力,(,hp,),，,V,A,螺旋桨进速,(,kn,),，,D,螺旋桨直径,(,m,),.,-为海水密度，取104.51 kgfs,2,m,4,注意：BP-功率系数 直径系数N 螺旋,10,图谱,图谱,图谱 图谱,11,图谱制作过程,（是敞水性征曲线的另一个表达形式）,给定螺距比,P,/,D,，变化,J,值,K,Q、,0,计算,和,绘图：横坐标为 ，纵坐标为螺距比,P,/,D,，通过上述计算的,P,/,D,值作一平行横坐标的水平线，并在该线对应于每一值的点上标明相应的,0,和,值，此线即能代表螺距比为,P,/,D,的螺旋桨水动力特性。,图谱制作过程（是敞水性征曲线的另一个表达形式）给定,12,对不同,P,/,D,的螺旋桨性征曲线都作上述处理，并绘在同一图上，然后将,0,和,值相同者分别连成光顺曲线，即得,0,和,的等值线。,将各 =常数时,(,在图谱上表现为垂直线,),效率最高的点连成光滑的曲线，即得最佳效率线。,对不同P/D的螺旋桨性征曲线都作上述处理，并绘在同一图上,13,2,AU,型螺旋桨型式,1、,AU型,螺旋桨的原型,2、,MAU型,-改进AU型（见下页）,3、,AU,w,型,-AU型桨叶切面的后缘具有一定翘度,(,这对于改善桨叶根部叶间干扰有一定效果,),，在六叶上采用这种型式。,4、,MAU,w,型,2AU型螺旋桨型式 1、AU型 螺旋桨的原型,14,AU,型螺旋桨和,MAU,型螺旋桨的叶梢附近切面区别,AU型螺旋桨和MAU型螺旋桨的叶梢附近切面区别,15,AU,型螺旋桨是等螺距螺旋桨,四叶螺旋桨系列：,属于本组的,模型螺旋桨要素列于表8-1中,。,桨叶轮廓的尺寸见表8-4,，,切面形状见表8-6.,轮廓形状如图8-4(,a,)及(,b,)所示,。,根据表8-1，8-4，8-6可以绘制螺旋桨的伸张轮廓和各半径处的叶切面形状。,？,表,8-1,和图,8-4,螺旋桨尺寸不一致,桨模的几何特征,:,AU型螺旋桨是等螺距螺旋桨 四叶螺旋桨系列：属于,16,表,8,四叶模型螺旋桨要素表,表8四叶模型螺旋桨要素表,17,图8-4 MAU4叶桨的轮廓形状,图8-4 MAU4叶桨的轮廓形状,18,3.图谱的应用,在进行设计时，应先确定伴流分数,、推力减额分数,t,、相对旋转效率,R,及传送效率,s,。然后可应用图谱来解决螺旋桨设计中不同类型的问题。,3.图谱的应用 在进行设计时，应先确定伴流分数、推,19,(1)螺旋桨的初步设计问题,已知船速,V,，有效马力曲线，根据选定的螺旋桨直径,D,，确定螺旋桨的最佳转速,N,，螺旋桨效率,0,，螺距比,P,/,D,和主机马力,P,s,。,首先需选定螺旋桨的型式，叶数和盘面比。例如选用MAU型，4叶，盘面比为0.55的螺旋桨，则可决定所用的图谱为MAU4-55的图谱。,在此类问题中，欲求的是转速,N,和主机马力,P,s,(,或螺旋桨收到马力,P,D,),，无法确定其中任一个参数，因此需要假设一组转速,N,来进行计算，具体步骤可用表8-9的形式进行。,(1)螺旋桨的初步设计问题 已知船速V，有效马力曲线,20,第8章螺旋桨图谱设计课件,21,已知,n,的初步设计图,已知,D,的初步设计图,已知n的初步设计图已知D的初步设计图,22,(,2,),螺旋桨的终结设计问题,已知主机马力,P,s,、转速,N,和,有效马力曲线,，确定所能达到的最高航速,V,及螺旋桨的,尺度与效率,。对于这类设计问题，在选定螺旋桨型式、叶数和盘面比,(,例如MAU4-55,),后，通常先假定,若干个船速,进行计算。终结设计是,经常遇到,的设计问题。,(2)螺旋桨的终结设计问题 已知主机马力Ps,23,例：,已知25000t装货船的主要数据为：,船长,L,PP,=l72m，船宽,B,=27.2m，吃水,T,=9.8m。实船的有效马力如表9-11所示。估计的伴流分数,=0.340，推力减额分数,t,=0.260，相对旋转效率,R,=0.982。主机马力,P,s,=12000 hp，主机转速,N,=118.5 rpm。,例：已知25000t装货船的主要数据为：,24,实船的有效马力表,实船的有效马力表,25,第8章螺旋桨图谱设计课件,26,第8章螺旋桨图谱设计课件,27,结 论,可达航速,螺旋桨直径,D,=5.897m,螺旋桨螺距比,P,/,D,=0.731,螺旋桨效率,0,=0.569,kn,结 论可达航速 螺旋桨直径,28,8-3,螺旋桨设计时应考虑的若干问题,推进效率，空泡、振动及强度,螺旋桨类型、叶数、直径、转速、展开面积比,8-3 螺旋桨设计时应考虑的若干问题 推进效率，空泡、振动,29,一、螺旋桨的数目,Z,P,推进性能：单桨,三桨双桨,振动、操纵性能：双桨单桨,单桨：低速商用船舶,双、多桨：大型商用船、客船、军舰,推进性能、振动、操纵性能及主机能力,船舶尾部线型,螺旋桨数目,一、螺旋桨的数目ZP推进性能、振动、操纵性能及主机能力船舶尾,30,二、螺旋桨叶数的选择,效率：,叶数少者叶数多者(螺旋桨的直径及展开面积相同),振动：,叶数多者好,空泡：,叶数少者好,双桨船、低速船：,三或四叶,高速军舰：,3叶,大型商用船,：4-6叶,船型、吃水、推进性能、振动和空泡,螺旋桨叶数,二、螺旋桨叶数的选择 效率：叶数少者叶数多者(螺旋桨的直径,31,单桨商船螺旋桨叶数的选择需要考虑因素,1.根据造船统计资料选择螺旋桨叶数,2.螺旋桨叶数对推进性能的影响,3综合考虑螺旋桨效率与空泡性能,4螺旋桨叶数的选择与振动的关系,单桨商船螺旋桨叶数的选择需要考虑因素1.根据造船统计资,32,直径 ，转速 效率,船舶吃水、尾框间隙 有限船舶直径,设计图谱,螺旋桨直径,船后间隙等因素,三、螺旋桨的直径,修正,直径 ，转速 效率三、螺,33,常处于压载航行的船舶，宜采用直径较小的螺旋,桨，以照顾压载时的效率和避免叶梢露出水面。,从振动方面考虑，螺旋桨与船体间的间隙不宜过,小，否则可能引起严重振动。,常处于压载航行的船舶，宜采用直径较小的螺旋,34,如最佳直径受到限制时，则按右表步骤重新进行设计。,由,和第,6,项的,如最佳直径受到限制时，则按右表步骤重新进行设计。由和第,35,四、螺旋桨的转速,效率：螺旋桨转速低、直径大者效率较高,对机器来说，转速越大效率越高，且机器的重量，尺寸都可减小。,螺旋桨效率,主机类型、重量、价格、机器效率,船体振动问题,螺旋桨转速,四、螺旋桨的转速 螺旋桨效率主机类型、重量、价格,36,船体振动,共振：,当主机或某辅机在一定转速时，整个船体处于振动状态，从而使得整个船体结构振动，应避免。,局部振动：,船舶局部或某些装置处于振动状态，可增设扶强材、支柱等措施消除,螺旋桨的转速,：,80-150 rpm,二节点垂向振动频率,船体振动,37,五、桨叶外形和叶切面形状,桨叶外形轮廓：,展开轮廓近于椭圆形者为良好的叶形。对于具有侧斜的桨叶，各半径处叶切面弦长也应大致按椭圆规律变化为佳。,弓形切面：,空泡性能好，低载荷效率略低：军舰,机翼型切面：,改善中线形状，效率和空泡性能都好：商船,螺旋桨外形和切面：,系列资料图谱设计绘制,后倾角：,增加螺旋桨与船体间隙，减小振动,五、桨叶外形和叶切面形状 桨叶外形轮廓：展开轮廓近于椭圆形者,38,8-4 船体-螺旋桨-主机的匹配问题,船体、螺旋桨和主机的关系,定义：,主机为机械能的发生器；螺旋桨为能量的转换器(将主机的旋转能转换为推力能)；而船体则为能量的需求者(螺旋桨的推力能消耗于船体的做功),平衡关系,当船速与转速达到适当的关系后，螺旋桨发出的推力能克服船体的阻力，螺旋桨所遭受的转力矩恰为主机所能供应，此时船以等速前进，螺旋桨在一定的进速系数下工作。,8-4 船体-螺旋桨-主机的匹配问题船体、螺旋桨和主机,39,三者关系的平衡表示图,校核曲线(航行特性曲线)：,（,要求）,会看会画校核曲线,（p136-137）,不同载况下（压载、满载、超载）船体有效功率,不同载况下,（压载、满载、超载）,螺旋桨的有效推进功率,不同载况下,（压载、满载、超载）,主机的功率需求,不同航速下,不同转速下,不同航速下,不同航速下,不同转速下,相等,对应,船体,螺旋桨,主机,有效马力曲线,有效推进功率曲线,主机特性曲线,三者关系的平衡表示图校核曲线(航行特性曲线)：（要求）会看会,40,系泊状态螺旋桨推力,主机,额定转速、额定功率,螺旋桨,J=0,时螺旋桨的有效推力,船舶,螺旋桨的系柱推力,转矩相等,考虑推力减额,计算流程见,P138.,表,8-25,系泊状态螺旋桨推力主机额定转速、额定功率螺旋桨J=0时螺旋桨,41,8-5,螺旋桨图谱设计举例,1.已知船体的主要参数,2.主机参数,3.推进因子的决定,4.可以达到最大航速的,计算,5.空泡校核,6.强度校核,7.螺距修正,8.重量及惯性矩计算,9.敞水性征曲线之确定,10.系柱特性计算,11.航行特性计算,12螺旋桨计算总结,8-5 螺旋桨图谱设计举例 1.已知船体的主要参数 7.,42,1.已知船体的主要参数,船型：单桨、球首、球尾、流线型挂舵、中机型多用途远洋货船。,设计水线长,L,WL,=144.20 m,垂线间长,L,PP,=140.00 m,型宽,m,型深,m,设计吃水,m,方形系数,C,B,=,0.743 m,排水量,t,桨轴中心距基线,Z,P,=2.95,m,1.已知船体的主要参数船型：单桨、球首、球尾、流线型挂舵、,43,由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下：,由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下：,44,2.主机参数,型 号 苏尔寿6RLB56柴油机 一台,最大持续功率 8,460hp,转 速 155rpm,旋 向 右 旋,2.主机参数型 号 苏尔寿6R,45,3.推进因子的决定,据型船资料选取伴流分数 按经验公式决定推力减额分数 取相对旋转效率 船身效率,3.推进因子的决定据型船资料选取伴流分数,46,4.可以达到最大航速的计算,采用MAU 4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：,P,D,=8,4600.9,S,R,=,8,4600.90.971.0=7,385.58 hp,根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的图谱列表计算：,4.可以达到最大航速的计算 采用MAU 4叶,47,第8章螺旋桨图谱设计课件,48,据上表中的计算结果可绘制,P,TE,、,、,P,/,D,及,0,对,V,的曲线，如下图,据上表中的计算结果可绘制PTE、P/D,49,从,P,TE,f,(,V,),曲线与船体满载有效马力曲线之交点，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,、,0如下表所列。,从PTE f(V)曲线与船体满载有效马力,50,5.空泡校核,按柏利尔空泡限界线中商船上限线，计算不发生空泡之最小展开面积比。,桨轴沉深,计算温度,t,=15，,p,v,=174 kgf/m，,P,D,=7,385.58hp，,=104.63 kgfs/m,2,2,4,m,5.空泡校核 按柏利尔空泡限界线中商船上限,51,第8章螺旋桨图谱设计课件,52,据上述计算结果作图8-27，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的最佳螺旋桨要素。,m,kn,据上述计算结果作图8-27，可求得不发生空泡的最小盘面比以及,53,6.强度校核,按规范校核,t,0.25R,及,t,0.6R,，应不小于按下式计算之值：,计算功率,hp,gf/cm,3,rpm,=1.4692m,6.强度校核 按规范校核t0.25R及t0.6,54,实际桨叶厚度按线性分布取：,mm,t,0.2,=199.6 mm,，,t,0.3,=176.8 mm,，,t,0.4,=153.9 mm,，,t,0.5,=131mm,，,t,0.6,=108.2 mm,，,t,0.7,=85.3 mm,，,t,0.8,=62.4 mm,，,t,0.9,=39.6 mm,。,m,m,mm,55,7.螺距修正,根据尾轴直径大小，决定毂径比,d,h,/,D,=0.18，此值与MAU桨标准毂径比相同，故对此项螺距无需修正。,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。,设计桨,标准桨,7.螺距修正 根据尾轴直径大小，决定毂径比d,56,(取MAU4-55为基准桨),修正后的螺距比,：,(取MAU4-55为基准桨)修正后的螺距比：,57,8.重量及惯性矩计算,根据MAU桨切面的面积数据用积分方法计算得：,桨叶重量,G,b,=5,532.75 kgf,桨毂重量,G,h,=2,874 kgf,螺旋桨总重,G,=8,406.75 kgf,桨叶惯性矩,I,b,=89,453.4 kgfcms,桨毂惯性矩,I,b,=8,440 kgfcms,螺旋桨总惯性矩,I,=97,893.4 kgfcms,2,2,2,8.重量及惯性矩计算根据MAU桨切面的面积数据用积分方法计,58,9.敞水性征曲线之确定,由MAU4,-,40，MAU4,-,55，,P,/,D,=0.6825的敞水性征曲线,内插,得到 MAU 4,-,54.4，,P,/,D,=0.6825的敞水性征曲线,(,图,9-26),其数据如下：,9.敞水性征曲线之确定 由MAU4-40，,59,10.系柱特性计算,由图9-26得,J,=0时，。,计算功率 hp，,系柱推力减额分数取 ，,主机转矩 kgfm,敞水螺旋桨系柱推力,kgf,车叶转速 rpm,船后螺旋桨系柱推力,T,（,1-t0,）,=69,984,kgf,10.系柱特性计算 由图9-26得J=0时，,60,11.航行特性计算,取转速为155rpm，145rpm，135rpm进行计算：,将上述结果绘成图9-27。,由图中可求得压载航行时可达最大航速约为,V,=16.6 kn，主机马力为7,150 hp。,110%超载航行时可达最大航速约为,V,15.10 kn，主机马力为7,800 hp。,满载航行，,N,=155 rpm时，可达最大航速约为,V=,15.45kn，主机马力为7,620 hp，与设计要求基本一致。,11.航行特性计算取转速为155rpm，145rpm,61,P,S,中压载、满载、,110%,满载曲线是如何绘制的？,PS中压载、满载、110%满载曲线是如何绘制的？,62,12螺旋桨计算总结,螺旋桨直径,D,=4.78m,螺距比,P,/,D,=0.6825,型 式 MAU,叶 数,Z,=4,盘面比,A,E,/,A,0,=0.544,纵倾角,=8,螺旋桨效率,0,=0.545,设计航速,V,max,=15.48 kn,毂径比,d,h,/,D,=0.18,旋 向 右 旋,材 料 铝镍青铜,重 量 8,406.75 kgf,惯性矩 97,893.4 kgfcms,2,12螺旋桨计算总结螺旋桨直径,63,第8章螺旋桨图谱设计课件,64,精品课件,！,精品课件！,65,精品课件,！,精品课件！,66,大作业,螺旋桨设计计算,大作业螺旋桨设计计算,67,