宁动柴油机配件-船用螺旋桨匹配船体振动性能图谱设计中需要注意的问题螺旋桨图谱设计举例

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第23卷第3期船舶柴油机配件，江苏船舶，2006年6月，常规螺旋桨设计要点分析，张平，杨辉，摘要：全面分析螺旋桨设计过程中需要考虑的一些关键问题及解决方法。螺旋桨设计是一个系统工程，必须结合船舶、发动机和螺旋桨的匹配关系，结合船舶的功能要求，抓住主要矛盾，力争设计出较为满意的螺旋桨。关键词：船用螺旋桨匹配，船体振动。螺旋桨设计一般包括图集设计和环量理论设计两种。采用图集法设计螺旋桨时，根据选定的螺旋桨系列数据确定桨叶形状和桨截面形状。采用环量理论设计螺旋桨时，往往结合螺旋桨模型敞水试验数据和船后伴流条件确定桨叶形状和桨截面形状。采用环量理论设计螺旋桨时，采用这两种方法螺旋桨的敞水效率差别不大。 环量理论设计法可以兼顾螺旋桨的空化和振动性能，图集设计法由于计算简单，使用方便而被广泛应用。本文就螺旋桨图集设计中需要注意的一些问题进行分析探讨。在船舶发动机螺旋桨系统中，船体是能量需求者，主机是能量发生器，螺旋桨是能量转换装置，三者之间密切相关，但同时又要遵从各自的变化特性。11.民用船舶使用的螺旋桨一般以荷兰B型螺旋桨和日本AU型螺旋桨为主，AU螺旋桨为等距螺旋桨，​​桨叶截面为翼型，B型螺旋桨叶根部为翼型，叶尖为弓形。 除四叶螺旋桨06R为至叶根线性变距外，其余为便于设计，均为后倾15°的等距螺旋桨。为方便起见，将KTKQJ敞水特性曲线换算成BP-δ谱。螺旋桨与船体在水中运动时，会形成水流场，水流场与螺旋桨的敞水工作性能以及船舶的阻力性能密切相关，当螺旋桨在船后运动时，两个原本独立的水流场必然会相互作用、互相影响。船体对螺旋桨的影响体现在两个方面：1、在船尾的螺旋桨盘处螺旋桨图谱设计，由于水的黏度等因素而形成尾流。 作者简介：张平1988年毕业于江苏科技大学，现就职于江苏省船舶设计研究院有限公司杨辉高级工程师、部门主任撰稿人：江苏科技大学1998年毕业于江苏科技大学，现就职于江苏省船舶设计研究院有限公司，工程师收稿日期：2005-09-21反方向的尾流使螺旋桨的前进速度小于船速，尾流的不均匀性使螺旋桨艉桨的前进速度在整个桨盘上是不相同的，在实际中相对旋转效率可以是1：12。螺旋桨对船体的影响。螺旋桨对水流的吸力作用，使螺旋桨盘处水流加速，根据伯努利原理，同一流线上水质点速度的加速，必然产生压力降，从而增大船舶的粘性压力阻力。 即将螺旋桨产生的推力的一部分用来克服船体产生的附加阻力。如果用伴流分数ω来表示伴流与船速的比值，用推力减量t来表示船体附加阻力与船体自身阻力的比值，则敞水螺旋桨与艉桨之间的差值为1-t1-ω的船体效率。可以看出，伴流分数ω越大，推力减量t越小，船体效率越高。从螺旋桨图谱中可以看出，横轴的参数为BP或BPBP称为接收功率系数或载荷系数，其值为：式中N为螺旋桨转速，PD为螺旋桨敞水接收功率，VA为螺旋桨进速。BP值越小，对应的螺旋桨敞水效率越高。反之，螺旋桨效率越低。 从个别因素来看，N值和值越小，BP值越小。PD和VA参数具有联动关系，在相对较低的航速范围内，PD值增大，BP值减小；在相对较高的航速范围内，PD值增大，BP值也增大。这取决于船舶的阻力特性。设计实船螺旋桨时，必须考虑以下几个前提条件：螺旋桨直径是否受限制，对船舶航速的具体要求。一般情况下，螺旋桨设计工况对应船舶满载航行的状态，在此航行状态下，主机发出预定功率，螺旋桨效率达到最佳，船机螺旋桨匹配理想。但是，如果设计参数选择不当，螺旋桨会出现轻载或重载的情况。轻载是指达到设计航速后，螺旋桨不能完全吸收主机的扭矩，主机不能发出预定功率。©1994-

江苏船23号速率超载是指螺旋桨还未达到设计转速，主机扭矩就已经达到最大值，主机也不能发出预期的功率。螺旋桨设计是否产生轻载、重载现象主要取决于两个方面：1、伴流分数ω和推力减量t的取值是否正确2、船舶阻力计算有无误差。如果选定的伴流分数ω大于船后实际值，螺旋桨就不能吸收预期的功率和发出所需的推力，从而不能达到预定的转速，螺旋桨处于轻载状态，反之螺旋桨则处于重载状态。如果选定的推力减量t大于实际值，这种情况类似于船舶轻载航行，螺旋桨达到额定转速后，不能吸收主机的额定扭矩，螺旋桨处于轻载状态，反之螺旋桨则处于重载状态。船舶阻力的大小与船舶尺度、线型等因素密切相关。 同一艘船舶采用不同的公式计算出来的阻力值可能有很大的差异，如果计算出来的阻力值大于实际船舶阻力，那么在试航过程中实际船舶的航速就会大于估算的航速。螺旋桨处于轻载状态，反之螺旋桨处于重载状态，以上参数的数值都与螺旋桨的轻载有关。其轻载-重载关系分别如图1和图2所示。图1螺旋桨轻载与各项参数关系。图2螺旋桨重载与各项参数关系。在螺旋桨设计时，由于各项参数的理论值与实际值之间必然会存在综合误差，因此螺旋桨不可避免地会出现轻载、重载现象。无论螺旋桨是轻载还是重载，主机功率都不能得到充分利用。相比较而言，当螺旋桨重载时，主机工作在超负荷、恶劣的环境中，影响其使用寿命。 一般船舶在使用过程中都会有压载航行、空载航行、满载航行、超载、底污或者风浪大等情况，为船舶满载航行工况设计的螺旋桨在超载时就会出现过载的情况。同时考虑到主机额定功率会因为老化磨损而逐渐下降，为了保证一定的安全裕度避免过大负荷，需要有功率储备。根据我自己的设计经验，笔者建议在考虑100额定航速下的功率储备后，设计功率如下。对于海船，85-90主机功率。对于内河船，90-95主机功率。如果主机是高升程大功率机型，功率储备取下限，相对来说，该型机外特性曲线与推进特性曲线的差距，比常规飞机的潜在功率要小。2、螺旋桨与船体之间的振动。船体振动会带来以下不利影响：1、对人体的影响。 长期处于振动环境中，会出现头痛、乏力、食欲不振、烦躁不安等症状，影响身体健康和工作效率。 2、对船体结构的影响。振动特别是高频振动，易导致结构疲劳，严重时损伤焊缝，会造成结构破坏，引发事故。 3、对机电设备精密仪器的影响。振动给机电设备精密仪器的正常工作创造不利的环境，影响设备的使用寿命和工作精度。螺旋桨在制造过程中不可避免地会产生不平衡，螺旋桨的重心会产生径向和轴向的误差，螺旋桨制造完成后必须进行静、动平衡试验船舶柴油机配件，将不平衡缺陷控制在精度范围内。螺旋桨在船尾工作的水流场一般为湍流环境，有制造精度误差的螺旋桨在不均匀流场中工作时，不可避免地会产生振动。 既然振动是不可避免的船体振动的控制应包括两个方面：1、采取减振措施，将振动控制在可以接受的水平；2、避免螺旋桨与船体发生共振，包括全船共振和局部共振。2.1减振措施。如果采取得当，可以取得明显的减振效果。根据螺旋桨的工作特点，以下措施是有效的方法：1、增大螺旋桨与船体的安装间隙。数据介绍：间隙应在0.12D~0.2D以上，螺旋桨直径越大，间隙应越大。这样可以减小传递到船体的表面激振力。考虑到船舶的实际情况，如果无法增大间隙，可以设置船体减振孔。即在船体对应螺旋桨的上方凹进一个孔，孔的大小和凹进的大小与螺旋桨直径相对应，相当于利用水质点的弹簧效应来减小传递到船体的表面激振力。 2.铺设阻尼材料。在船体内部螺旋桨上方足够大的区域铺设钢或橡胶阻尼材料。铺设时一定要注意钢结构表面。

1、清理表面，保证阻尼材料与钢结构的贴合。利用阻尼材料在其内部产生拉伸、弯曲、剪切等变形，吸收大量的入射能量，将振动能转化为热能并消耗掉。2、增加叶片数量。一般来说，增加叶片数量可以改善螺旋桨的平衡性，从而减小螺旋桨对主船体产生的表面力。3、改善船体艉部的线型，改善艉部尾流的分布，提高尾流场的均匀性。当然考虑到尾流场的复杂性，需要结合船模试验才能更好地做到这一点。从定性的角度看，采用双尾线、增加尾鳍等措施，可以很好地改善艉部尾流。5、避免空化。 空化现象产生的根本原因是桨叶横截面上水流速度过快，压力下降明显，螺旋桨单位面积压力过大而产生的空化现象，不仅会造成螺旋桨的蚀损，而且会诱发螺旋桨的振动。改善螺旋桨的空化现象，可以通过增大螺旋桨的盘面比、降低螺旋桨的转速来缓解。6、安装导管。对载荷较大的螺旋桨，可采用导管。螺旋桨导管一方面可以提高螺旋桨的效率，另一方面可以改善尾流，使螺旋桨的分配和原来作用在螺旋桨上的相当一部分载荷同时承担，从而避免螺旋桨的空化和振动。22、避免共振。螺旋桨振动一般有两种情况。 一种是螺旋桨制造不平衡，主要是重心偏差、制造精度差，产生振动，振动频率值等于螺旋桨转速N。另一种是螺旋桨在不均匀流场中工作，产生振动，振动频率值等于螺旋桨转速N与叶片数Z的乘积NZ。船体振动也分为整船振动和局部振动两种情况。整船垂向振动的频率主要与船舶的长、宽、高以及船舶质量密切相关。《内河钢质船舶入级与建造规范2002》第4章提出了60m以上客船一阶谐波固有频率、二阶谐波固有频率和局部振动一阶谐波固有频率的计算公式。其中，整船振动的一阶谐波固有频率是所有振动频率中最低的。实际上，船舶是弹性结构。 在低频振动时，阻尼很低，功率放大倍数很大，这种情况下，即使很小的干扰力也会引起共振。当振幅很大，发生高频振动时，阻尼增大，共振峰低且分布在较大的频率范围内，功率放大倍数小，共振影响温和。因此，对于一般船舶来说，避免最低频率振动非常重要。根据规范的要求，在避免整船共振时，螺旋桨振动的两个频率N和NZ应与一阶谐波固有频率相差±15以上，与二阶谐波固有频率相差±20以上。在避免局部共振时，螺旋桨区域上方底板网格的一阶谐波固有频率应大于15NZ。从共振概率上讲，大型船舶更容易发生全船共振，因为螺旋桨的振动频率N更接近整船的振动频率。 小型船舶更容易发生局部共振，因为螺旋桨的振动频率NZ与局部振动频率比较接近。前者是危险状态，应尽量避免。后者可采取一些局部措施，如增加加强筋、改变板格长宽等，改变振动频率来消除。螺旋桨除与船体发生共振外，还要避免螺旋桨与轴系、主机发生共振，即避免叶片频率NZ等于或接近轴系转动频率，避免主机汽缸数和冲程数等于或为叶片数的整数倍。3、螺旋桨设计时还应结合船舶操纵性要求和所选主机型式等因素考虑其他因素。例如螺旋桨片数的选取等。 单从推进效率角度看，由于伴流的特点，单螺旋桨船的效率最高，三螺旋桨船次之螺旋桨图谱设计，双螺旋桨船的效率最低。当船舶吃水受到很大限制或采用单螺旋桨时螺旋桨上的载荷很大时，双螺旋桨设计的推进效率会高于单螺旋桨。如果设计内河船舶，特别是内河客船，考虑到船舶操纵性的特殊要求，必须牺牲一部分推进效率来保证操纵性。例如螺旋桨直径的选择。一般来说，直径越大，航速越低，效率越高。有时直径过大，螺旋桨盘处的平均伴流减小，使船体效率降低，对整体的推进效率可能不利。4.结论。总之，螺旋桨的设计是一个系统工程，考虑问题的出发点不能是单向的、唯一的。 必须结合船舶的类型和用途、主机类型、船东的要求等，突出关键要素，最终设计出船舶、发动机、螺旋桨三者匹配良好的螺旋桨。©1994-

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