吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算
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图’ 常规螺旋桨敞水特性曲线
新 678 桨 的 设 计 要 素 可 定 为 盘 面 比 # $ ’(- - ， 螺距 2
万方数据
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算— — —张庆文
王言英
比! " #$% % ， 毂径 比 ! " $& ， 对应的敞水特性曲线由 常规桨的敞水曲线图 % 来近似。 以上的分析仅仅针对吊舱推进螺旋桨进行， 而 吊舱推进器的效率需要考虑吊舱支架等的 影 响 因 素， 只有把吊舱推进器的效率和传统螺旋桨与舵的 整体效率相比， 其结 论 才 有 其 现 实 意 义。 ’()* 对
性曲线的方法， 根据已知 +,-桨的敞水特性资料， 通过 保 持 盘 面 比 不 变 改 变 螺 距 比 迭 代 计 算 得 到 等 效 常 规 螺 旋桨， 根据得到的螺距比变化规律和常规桨图谱， 设计 +,-桨和估算其敞水特性， 并给出算例。 关键词 吊舱推进器 .""* / ’’ 吊舱螺旋桨 螺旋桨图谱 0 螺旋桨敞水特性 中图分类号 文献标识码
［+］ 不同的吊舱推进器进行了一系列的模型试验 ， 把
K:=@39 =3 K39;>G =@: I76;< +,- 1231:55:2 :>>;<;:8<G <42C: =3 7 8:? +,- 1231:55:2 :>>;<;:8<G <42C: ;6 123136:9，;8 ?@;<@ =@: 72:7 27=;3 ;6 L:1= >;M:9，<@78F;8F =@: 1;=<@ 27=;3 =3 >;89 =@: :N4;C75:8= 1231:55:2 / OG =@: C72;:=G 245: 3> =@: 1;=<@ 27=;3 789 =@: <38C:8=;3875 1231:55:2 <@72=，7 +,- 1231:55:2 ;6 9:6;F8:9 789 ;=6 31:8 ?7=:2 <@727<=:2;6=;<6 72: <75<457=:9 / A3K: 84K:2;<75 2:645=6 72: F;C:8 / 3), (415/ +,- 123145632 +,- 1231:55:2 9:6;F8 <@72= 3> 1231:55:2 31:8 ?7=:2 <@727<=:2;6=;<6 3> 1231:55:2
+,- 推进器 是 () 世 纪 末 发 展 起 来 的 一 种 新 型的船舶推进装置， 由吊舱和螺旋桨两部分构成。 吊舱通过支架 悬 挂 在 船 体 下 面， 舱体内置电机直 接驱动舱体前端 或 后 端 的 螺 旋 桨 （单 桨 或 双 桨） 。 该装置把螺旋桨驱动电机置于一个能回转 ’")R 的 悬挂在船尾的 吊 舱 内， 整个装置集推进器和舵于 一体， 省去了通常所使用推进器轴系和舵， 从而增 加了 船 舶 设 计、 建 造 和 使 用 的 灵 活 性。 国 外 对 +,-推进器已有比较深入的 研究 和 广 泛 的 开 发 应 用。例 如， SAT0 及 D0UVBE 就 已 经 进 行 了 +,- 推 进器水动力性能等的测试和分析 方 法研 究。 VHHW 设立专门委员会， 研究 +,- 推 进 器 设 计、 试验等多 项技术。国内对 +,-推进器的 研 究 还 处 于 起 步 阶 段， 在分析设计、 性能试验和实船预报方法以及有 关理论研究等方面， 都有待开展深入的研究
+,- 123145632 789 12:9;<=;38 3> 1231:55:2 31:8 ?7=:2 <@727<=:2;6=;<6
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图( 船体有效功率曲线
2
应用实例
以船长 #8* 9 的渡船螺旋桨设计为例。 船体有效功率曲线见图 * 。
（&）
为实现 567 桨的设计， 依照如下程序进行计
［ *］ 选择修正 的 基 准 桨 几 何 尺 度 见 表 #， 敞水
特性曲线见图 2 。
万方数据
船海工程
（总第 .&2 期） %##( 年第 ’ 期 表! "#$ 基准桨几何参数 参数 # $ %& ’ 右旋 # $ %( )*+*(( )*+* , # $ # $ (# !! " , . $# # #
根据上述的吊舱推进器螺旋桨性能的修正方 法， 首先以基准 桨 的 几 何 参 数 和 敞 水 特 性 曲 线 为 基准， 将 678 桨 等 效 为 相 同 盘 面 比， 标 准 桨 毂， 螺 距比不同的常规螺旋桨。变化螺距比进行迭代过 程中， 中止的条件作如下规 定： 基 准 678 桨 的 敞 水 效率曲线和等效桨的敞水效率曲线对应不同的进 速下效率的标准差最小。不同螺距比时等效桨和 基准 678桨的敞水效率曲线标准差见图 0 ， 最终确 定的等效螺旋桨和 678桨的敞水曲线见图 ( 。
（2）
可计算对应一 定 盘 面 比、 螺距比的螺旋桨效率曲
图! 用 "#$ 图谱估算 %&’ 桨敞水曲线流程图
方法的前提 是 已 知 一 毂 径 比 + , 4 ) 0 # 基 准 567 桨 及 其 敞 水 特 性 曲 线。 保 持 其 盘 面 比 通过改变螺距比 （ (4 )） 应 用 !/ * （ ’ 3 4 ’1 ） 1 不变， 1， 型图谱进行迭 代 计 算， 直到新的敞水特性曲线中 效率曲线与基 准 桨 的 敞 水 特 性 曲 线、 效率曲线达 到最佳拟合， 则 可 将 567 桨 敞 水 曲 线 等 效 成 标 准 （ (4 ) ） 毂径比 1 ’ #8 、 盘面比 （ ’ 3 4 ’1 ） 1 与螺距比 # 常规螺旋桨的敞水特性曲线。比较螺距比和毂径 比变化， 可以得到 +, ( ） 0 （ ) ) 算。 #）首先 根 据 船 体 有 效 功 率 曲 线 和 应 用 +,图谱资料， 进行常规桨设计。 、 盘面比 （ + , 4 ) 0 1 ’ #8 ） *）根据该桨的毂径比 （ (4 )） 计算得到其 敞 水 特 性 （ ’ 3 4 ’1 ） * 与螺距比 *， *
收稿日期 修回日期 作者简介
())&$!!$(( ())"$)’$)% 张庆文 （!%P) Q ） ， 男， 硕士生。
渡， 所以把桨毂设计成圆锥形状， 随着桨毂直径和 桨毂圆锥段长 度 的 变 化， 螺旋桨的桨毂就有不同 的锥度。桨毂锥度角在高负荷条件下 （低进速） 对 !
万方数据
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算— — —张庆文
［ *］
曲线。 （&） ， 将 常 规 桨 转 化 成 毂 径 比 +, 4 ) 2）利用式 盘面比 （ ’ 3 4 ’1 ） （ (4 )） 0 #、 * 与螺距比 2 的 567 桨， 567桨的敞水特性曲线与设计的 常 规 桨 的 敞 水 特 性曲线近似。 &）若 567 桨的 敞 水 特 性 能 够 满 足 船 的 设 计 航速要求， 则 可 将 其 近 似 作 为 567 桨 的 敞 水 特 性 曲线。 求出 新 的 需要对 （ (4 )） $）否则， * 重新设定， （ (4 )） 直至满足设计要求为止。 2， 有关应用常规桨图谱 设 计 567 桨 与 估 算 其 敞 水性能的流程见图 # 。
［ (］ 别 。
对吊舱推进 器 来 说， 螺旋桨和吊舱之间的间 隙对螺旋桨的 推 力 测 量 有 很 大 的 影 响， 螺旋桨转 矩也受到一 定 的 影 响， 但 影 响 程 度 不 大。 对 整 个 吊舱推进装置 的 敞 水 特 性 而 言， 几乎不受螺旋桨
［ ’］ 和吊舱之间间隙的影响 。
。
吊舱推进器设计的螺旋桨和传统螺旋桨最大 的不同点就在于桨毂处的几何形状和桨叶根部连 接面上。由于螺旋桨桨毂和吊舱之间需要光顺过
［ !］
!
吊舱推进器螺旋桨性能影响因素
吊舱支架的形状尺寸对螺旋桨的性能有很大
的影响， 带有吊 舱 的 螺 旋 桨 推 力 和 转 矩 系 数 明 显 比单独的螺 旋 桨 敞 水 性 能 中 的 对 应 值 高。但 是， 在确定整个吊 舱 装 置 的 推 力 时， 由于吊舱和螺旋 桨之间作用引 起 推 力 减 额 以 及 吊 舱、 支架自身的 阻力因素， 吊舱 装 置 的 推 力 与 螺 旋 桨 的 推 力 有 区
船海工程 文章编号
（总第 !#’ 期） ())" 年第 * 期 （())"） !"#!$#%&’ )*$)))!$)*
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算
张庆文 王言英
大连 !!")(* 大连理工大学船舶工程系 摘 要
对影响吊舱推进器螺旋桨性能的因素进行了分析， 提出应用常规螺 旋 桨 图 谱 估 算 +,- 桨 敞 水 特
王言英
推进系数 ! ! 和 转 矩 系 数 ! " 的 影 响 要 比 低 负 荷 下 （高进速） 的大。同在 #$%锥度角的情况下， 低进 速时推式 结 构 螺 旋 桨 提 供 的 推 力 要 比 拖 式 结 构 螺旋桨低。 从 数 值 上 讲， 拖式结构 （螺 旋 桨 位 于 吊舱首 部 ） 和推式结构 （螺 旋 桨 位 于 吊 舱 尾 部） 螺旋桨 相 比， 推 进 系 数 高 & ’ ()， 转矩系数高 $ ’*)
项目 直径 !" 螺旋桨叶数 螺旋桨旋向 毂径比 叶型 基准形状 展开盘面比 螺距比 纵斜 侧斜
图%
基准吊舱螺旋桨敞水特性曲线
图(
"#$ 桨与不同螺距比的等效桨标准差
通过常规 图 谱 法 设 计 螺 旋 桨， 取功率储备为 结果见表 % ， 对应的敞水效率曲线见图 ’ 。 %# / ，
表& 常规螺旋桨设计结果 设计结果 # $ ’(# 0 # $ 101 0 2 $ (& .- $ %. # $ &%. # .& $ 1( % 1%# $ ’# 图) "#$ 桨和最优等效常规桨的敞水特性曲线 设计要素 设计盘面比 设计螺距比 螺旋桨直径 !" 最大设计航速 !34 螺旋桨效率 航速值 !34 功率值 !35
［ &］ 归公式如下 ## #* #2 $%&
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于是， 毂径比 为 # $ %( ， 盘 面 比 为 # $ (， 螺距比 为 . $ # 的 678 桨 可 等 效 毂 径 比 为 # $ .- ， 盘面比为 螺距比为 . $ #2- 的常规螺旋 桨。由 毂 径 比 为 # $ (， # $ .- 到 # $ %( 的螺 旋 桨 的 效 率 变 化 引 起 的 螺 距 比 的变化为 !. $ #2- , 2 $ -/ ! , （. $ #2- 9 . $ ##） 渡船所设 计 的 常 规 螺 旋 桨 盘 面 比 为 # $ ’(- - ， 螺距比为 # $ 101 0 ， 毂 径 比 # $ .- ， 敞 水 曲 线 见 图 ’。 毂径比不同引起螺距变化的系数 ! 计算 678 桨的 螺距比 （ !! "） （. : 2 $ - / ）, # $ 1%’ ’ ， 即 , # $ 101 0!
。
*
吊舱推进器螺旋桨敞水性能估算
考虑到目前尚无吊舱推进器螺旋桨敞水特性
图谱， 故尝试采 用 常 规 螺 旋 桨 敞 水 特 性 图 谱 计 算 吊舱推进器螺旋桨敞水特性。 在已发表的 螺 旋 桨 的 系 列 实 验 材 料 中， 以日 本的 +,-图谱最为著名。模型试验的结果都 已 经 绘制成 " ./ 该图谱还 ! 型 图 谱 可 供 使 用。 另 外， 运用回归分 析 方 法， 对 敞 水 试 验 进 行 了 整 理。 回
新 678 桨 的 设 计 要 素 可 定 为 盘 面 比 # $ ’(- - ， 螺距 2
万方数据
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算— — —张庆文
王言英
比! " #$% % ， 毂径 比 ! " $& ， 对应的敞水特性曲线由 常规桨的敞水曲线图 % 来近似。 以上的分析仅仅针对吊舱推进螺旋桨进行， 而 吊舱推进器的效率需要考虑吊舱支架等的 影 响 因 素， 只有把吊舱推进器的效率和传统螺旋桨与舵的 整体效率相比， 其结 论 才 有 其 现 实 意 义。 ’()* 对
性曲线的方法， 根据已知 +,-桨的敞水特性资料， 通过 保 持 盘 面 比 不 变 改 变 螺 距 比 迭 代 计 算 得 到 等 效 常 规 螺 旋桨， 根据得到的螺距比变化规律和常规桨图谱， 设计 +,-桨和估算其敞水特性， 并给出算例。 关键词 吊舱推进器 .""* / ’’ 吊舱螺旋桨 螺旋桨图谱 0 螺旋桨敞水特性 中图分类号 文献标识码
［+］ 不同的吊舱推进器进行了一系列的模型试验 ， 把
K:=@39 =3 K39;>G =@: I76;< +,- 1231:55:2 :>>;<;:8<G <42C: =3 7 8:? +,- 1231:55:2 :>>;<;:8<G <42C: ;6 123136:9，;8 ?@;<@ =@: 72:7 27=;3 ;6 L:1= >;M:9，<@78F;8F =@: 1;=<@ 27=;3 =3 >;89 =@: :N4;C75:8= 1231:55:2 / OG =@: C72;:=G 245: 3> =@: 1;=<@ 27=;3 789 =@: <38C:8=;3875 1231:55:2 <@72=，7 +,- 1231:55:2 ;6 9:6;F8:9 789 ;=6 31:8 ?7=:2 <@727<=:2;6=;<6 72: <75<457=:9 / A3K: 84K:2;<75 2:645=6 72: F;C:8 / 3), (415/ +,- 123145632 +,- 1231:55:2 9:6;F8 <@72= 3> 1231:55:2 31:8 ?7=:2 <@727<=:2;6=;<6 3> 1231:55:2
+,- 推进器 是 () 世 纪 末 发 展 起 来 的 一 种 新 型的船舶推进装置， 由吊舱和螺旋桨两部分构成。 吊舱通过支架 悬 挂 在 船 体 下 面， 舱体内置电机直 接驱动舱体前端 或 后 端 的 螺 旋 桨 （单 桨 或 双 桨） 。 该装置把螺旋桨驱动电机置于一个能回转 ’")R 的 悬挂在船尾的 吊 舱 内， 整个装置集推进器和舵于 一体， 省去了通常所使用推进器轴系和舵， 从而增 加了 船 舶 设 计、 建 造 和 使 用 的 灵 活 性。 国 外 对 +,-推进器已有比较深入的 研究 和 广 泛 的 开 发 应 用。例 如， SAT0 及 D0UVBE 就 已 经 进 行 了 +,- 推 进器水动力性能等的测试和分析 方 法研 究。 VHHW 设立专门委员会， 研究 +,- 推 进 器 设 计、 试验等多 项技术。国内对 +,-推进器的 研 究 还 处 于 起 步 阶 段， 在分析设计、 性能试验和实船预报方法以及有 关理论研究等方面， 都有待开展深入的研究
+,- 123145632 789 12:9;<=;38 3> 1231:55:2 31:8 ?7=:2 <@727<=:2;6=;<6
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图( 船体有效功率曲线
2
应用实例
以船长 #8* 9 的渡船螺旋桨设计为例。 船体有效功率曲线见图 * 。
（&）
为实现 567 桨的设计， 依照如下程序进行计
［ *］ 选择修正 的 基 准 桨 几 何 尺 度 见 表 #， 敞水
特性曲线见图 2 。
万方数据
船海工程
（总第 .&2 期） %##( 年第 ’ 期 表! "#$ 基准桨几何参数 参数 # $ %& ’ 右旋 # $ %( )*+*(( )*+* , # $ # $ (# !! " , . $# # #
根据上述的吊舱推进器螺旋桨性能的修正方 法， 首先以基准 桨 的 几 何 参 数 和 敞 水 特 性 曲 线 为 基准， 将 678 桨 等 效 为 相 同 盘 面 比， 标 准 桨 毂， 螺 距比不同的常规螺旋桨。变化螺距比进行迭代过 程中， 中止的条件作如下规 定： 基 准 678 桨 的 敞 水 效率曲线和等效桨的敞水效率曲线对应不同的进 速下效率的标准差最小。不同螺距比时等效桨和 基准 678桨的敞水效率曲线标准差见图 0 ， 最终确 定的等效螺旋桨和 678桨的敞水曲线见图 ( 。
（2）
可计算对应一 定 盘 面 比、 螺距比的螺旋桨效率曲
图! 用 "#$ 图谱估算 %&’ 桨敞水曲线流程图
方法的前提 是 已 知 一 毂 径 比 + , 4 ) 0 # 基 准 567 桨 及 其 敞 水 特 性 曲 线。 保 持 其 盘 面 比 通过改变螺距比 （ (4 )） 应 用 !/ * （ ’ 3 4 ’1 ） 1 不变， 1， 型图谱进行迭 代 计 算， 直到新的敞水特性曲线中 效率曲线与基 准 桨 的 敞 水 特 性 曲 线、 效率曲线达 到最佳拟合， 则 可 将 567 桨 敞 水 曲 线 等 效 成 标 准 （ (4 ) ） 毂径比 1 ’ #8 、 盘面比 （ ’ 3 4 ’1 ） 1 与螺距比 # 常规螺旋桨的敞水特性曲线。比较螺距比和毂径 比变化， 可以得到 +, ( ） 0 （ ) ) 算。 #）首先 根 据 船 体 有 效 功 率 曲 线 和 应 用 +,图谱资料， 进行常规桨设计。 、 盘面比 （ + , 4 ) 0 1 ’ #8 ） *）根据该桨的毂径比 （ (4 )） 计算得到其 敞 水 特 性 （ ’ 3 4 ’1 ） * 与螺距比 *， *
收稿日期 修回日期 作者简介
())&$!!$(( ())"$)’$)% 张庆文 （!%P) Q ） ， 男， 硕士生。
渡， 所以把桨毂设计成圆锥形状， 随着桨毂直径和 桨毂圆锥段长 度 的 变 化， 螺旋桨的桨毂就有不同 的锥度。桨毂锥度角在高负荷条件下 （低进速） 对 !
万方数据
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算— — —张庆文
［ *］
曲线。 （&） ， 将 常 规 桨 转 化 成 毂 径 比 +, 4 ) 2）利用式 盘面比 （ ’ 3 4 ’1 ） （ (4 )） 0 #、 * 与螺距比 2 的 567 桨， 567桨的敞水特性曲线与设计的 常 规 桨 的 敞 水 特 性曲线近似。 &）若 567 桨的 敞 水 特 性 能 够 满 足 船 的 设 计 航速要求， 则 可 将 其 近 似 作 为 567 桨 的 敞 水 特 性 曲线。 求出 新 的 需要对 （ (4 )） $）否则， * 重新设定， （ (4 )） 直至满足设计要求为止。 2， 有关应用常规桨图谱 设 计 567 桨 与 估 算 其 敞 水性能的流程见图 # 。
［ (］ 别 。
对吊舱推进 器 来 说， 螺旋桨和吊舱之间的间 隙对螺旋桨的 推 力 测 量 有 很 大 的 影 响， 螺旋桨转 矩也受到一 定 的 影 响， 但 影 响 程 度 不 大。 对 整 个 吊舱推进装置 的 敞 水 特 性 而 言， 几乎不受螺旋桨
［ ’］ 和吊舱之间间隙的影响 。
。
吊舱推进器设计的螺旋桨和传统螺旋桨最大 的不同点就在于桨毂处的几何形状和桨叶根部连 接面上。由于螺旋桨桨毂和吊舱之间需要光顺过
［ !］
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吊舱推进器螺旋桨性能影响因素
吊舱支架的形状尺寸对螺旋桨的性能有很大
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船海工程 文章编号
（总第 !#’ 期） ())" 年第 * 期 （())"） !"#!$#%&’ )*$)))!$)*
吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算
张庆文 王言英
大连 !!")(* 大连理工大学船舶工程系 摘 要
对影响吊舱推进器螺旋桨性能的因素进行了分析， 提出应用常规螺 旋 桨 图 谱 估 算 +,- 桨 敞 水 特
王言英
推进系数 ! ! 和 转 矩 系 数 ! " 的 影 响 要 比 低 负 荷 下 （高进速） 的大。同在 #$%锥度角的情况下， 低进 速时推式 结 构 螺 旋 桨 提 供 的 推 力 要 比 拖 式 结 构 螺旋桨低。 从 数 值 上 讲， 拖式结构 （螺 旋 桨 位 于 吊舱首 部 ） 和推式结构 （螺 旋 桨 位 于 吊 舱 尾 部） 螺旋桨 相 比， 推 进 系 数 高 & ’ ()， 转矩系数高 $ ’*)
项目 直径 !" 螺旋桨叶数 螺旋桨旋向 毂径比 叶型 基准形状 展开盘面比 螺距比 纵斜 侧斜
图%
基准吊舱螺旋桨敞水特性曲线
图(
"#$ 桨与不同螺距比的等效桨标准差
通过常规 图 谱 法 设 计 螺 旋 桨， 取功率储备为 结果见表 % ， 对应的敞水效率曲线见图 ’ 。 %# / ，
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［ &］ 归公式如下 ## #* #2 $%&
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于是， 毂径比 为 # $ %( ， 盘 面 比 为 # $ (， 螺距比 为 . $ # 的 678 桨 可 等 效 毂 径 比 为 # $ .- ， 盘面比为 螺距比为 . $ #2- 的常规螺旋 桨。由 毂 径 比 为 # $ (， # $ .- 到 # $ %( 的螺 旋 桨 的 效 率 变 化 引 起 的 螺 距 比 的变化为 !. $ #2- , 2 $ -/ ! , （. $ #2- 9 . $ ##） 渡船所设 计 的 常 规 螺 旋 桨 盘 面 比 为 # $ ’(- - ， 螺距比为 # $ 101 0 ， 毂 径 比 # $ .- ， 敞 水 曲 线 见 图 ’。 毂径比不同引起螺距变化的系数 ! 计算 678 桨的 螺距比 （ !! "） （. : 2 $ - / ）, # $ 1%’ ’ ， 即 , # $ 101 0!
。
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吊舱推进器螺旋桨敞水性能估算
考虑到目前尚无吊舱推进器螺旋桨敞水特性
图谱， 故尝试采 用 常 规 螺 旋 桨 敞 水 特 性 图 谱 计 算 吊舱推进器螺旋桨敞水特性。 在已发表的 螺 旋 桨 的 系 列 实 验 材 料 中， 以日 本的 +,-图谱最为著名。模型试验的结果都 已 经 绘制成 " ./ 该图谱还 ! 型 图 谱 可 供 使 用。 另 外， 运用回归分 析 方 法， 对 敞 水 试 验 进 行 了 整 理。 回