第9课 图谱设计

第九章
螺旋桨图谱设计
本章主要内容

§9-1 设计问题和设计方法 §9-2 B-δ型图谱的设计及其应用 §9-3 K-J型设计图谱 §9-4 设计螺旋桨时应考虑的若干问题 §9-5 螺旋桨图谱设计举例
§9-１
设计问题和设计方法
船舶线型初步设计完成
船体的有效马 力曲线
设计一个 螺旋桨？ 达到预定航 速，消耗的 主机马力小

K T , 10K Q
1. B-δ型设计 图谱的建立
KQ
0.5 0.4 0.3 0.2 0 .4 0.1
0.6
KT
P/
D
=1
.2
1.0
8 0.
1.0
0.8
1.2
0.8 0.7 0.6 0.4 0.3 0.5
P /D
0.6
=1 .2
=0
.4
P /D
0.4
0.2 0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0

若马力相同，则单螺旋桨船之推进效
率常高于双螺旋桨船，这是因为单螺旋桨
位于船尾中央，伴流较大，且单桨的直径
较双桨为大，故其效率较高。现代散装货
船、干货船和油船等均采用单桨。

随着船舶的大型化、高速化，由于主
机能力所限，船速超过25kn者一般采用多 桨。
二、螺旋桨叶数的选择

叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、
10
10
10
图9-4 MAU4叶桨的轮廓形状
8.80 0.30
0 2.6
MAU4-40 1.00R 0.90R 0.70R 0.50R
MAU4-55
4.4
3.3 0
0.30R
φ 20.40
φ 13.40
5.00 10.04 10.04
0
(a)
8.80 0.30
0 2.6
MAU4-70
1.00R 0.95R 0.80R 0.70R 0.60R 0.50R 0.40R
1.2
1.4
0
J
η
0
1.0
0.8
0.6
Q KQ ρ n D
2
5
D VA / nJ
75 PD Q 2πn
75PD K Q ρ n (VA / nJ ) 2πn
2 5
2 πρ K Q
PD --- 螺旋桨收到马力， ( hp )
75J 5
PD n 2 V A5
VA --- 螺旋桨进速， ( m/s )
BP
N1
N2
N3
N4
8
9 10
PD
主机马力Ps 计算螺旋桨能克服的有效马力PTE
P D
P D
P D
P D
PS
PS P TE
P S，P TE (hp)
P TE
P S，P TE (hp)
PE
η η
0 0
PE
η η
0 0
N
N2
N3
N4
D1
D2
D3
D4

② 已知船速V，有效马力PE，根据给定的转 速 N，确定螺旋桨效率最佳的直径 D，螺距 比P/D及主机马力Ps。
列就是采用这种形式。
弦 长 的 百 分 比
5 4 3 2 1 0
AU MAU
0.8R
弦 长 的 百 分 比
4 2
50
从导边算起的距离，以弦长百分比表示
100
0 M
（a）
AU型螺旋桨是等螺距螺旋桨
桨模的几何特征: ① 四叶螺旋桨系列：属于本组的模型螺 旋桨要素列于表 9-1 中。桨叶轮廓的尺 寸见表8-4，轮廓形状如图9-4(a)及(b)所 示。
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、 AUw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、MAUw型

这种型式是对原型AU桨在叶梢部分切面的前
缘形状进行了局部修正。AU型的四叶螺旋桨系
表9－１
四叶模型螺旋桨要素表
MAU4-40 MAU4-55 0.25
0.18 0.55
MAU4-70 0.25
0.18 0.70
直径／m
毂径比 盘面比
0.250
0.18 0.40
最大叶宽比
平均叶宽比 叶厚比
0.226
0.192 0.050
0.311
0.263 0.050
0.398
0.050
后倾角/（°）

图谱
① 在同一叶数和盘面比的螺旋桨敞水性征曲线组上，
取一定值的螺距比P/D，并设定一系列的J值，在同
一P/D的性征曲线上读取与J相应的一系列KQ及η0值。

② 据 δ和
P
式分别算出相应的值。 的图上，通
P
B ③ 在纵坐标为螺距比 P/D，横坐标为
B 过上述计算的P/D值作一平行横坐标的水平线，并在

表9-4给出了AU型(MAU，AUw)模型螺
旋桨的伸张轮廓尺寸。表9-5，表9-6，表
9-7，表9-8分别给出AU型、MAU型、AUw 型及MAUw型的叶切面尺寸，据此可以求 出螺旋桨的伸张轮廓和各半径处的叶切面 形状。
3. 图谱的应用

在进行设计时，应先确定伴流分数ω、
推力减额分数t、相对旋转效率ηR及传送
66.2
0.567 0.728 5.90 7340
62.0
0.588 0.752 5.87 7615
η0 P/D D PTE
P D
0.82 0.78
P D
0.62 0.58 0.54
0.74 0.70
η
0
0.66
η
0
PE
9000 8000
0.50
PE
P TE 0 5 5 U A
6.0 5.9 5.8

为了设计出最合理的螺旋桨，设计者必须从 推进效率，空泡、振动及强度等方面作统盘的考 虑。
一、螺旋桨的数目ZP

选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进
性能、振动、操纵性能及主机船力等各方
面的因素源自文库。

通常习惯按母型船来选取螺旋桨数目，
且螺旋桨数目与船舶尾部线型直接有关，
故在船舶初步设计时已决定其螺旋桨数目。

同样在选定螺旋桨型式、叶数和盘面比
(例如MAU4-55)后，按表9-10的步骤进行
计算，此时需假设一组螺旋桨直径。
(2)

螺旋桨的终结设计问题
已知主机马力 Ps、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
该线对应于每一值的点上标明相应的η0和δ值，此线 即能代表螺距比为P/D的螺旋桨水动力特性。

④ 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η0和δ值相同者分别连
成光顺曲线，即得η0和δ的等值线。 ⑤ 将各
线。

BP
= 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
给定主机条件下 使船舶能达到最 高航速
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。
选定桨的直径D 确定桨的最佳转速n、效率 η0、螺距比P/D、主机马力PS
船速 V
有效马力 PE
确定桨的最佳直径D、效率 η0、螺距比P/D、主机马力PS 选定桨的转速n

MAU4-55的图谱。

在此类问题中，欲求的是转速 N 和主机马力Ps(或螺旋桨收 到马力 PD )，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9-9的形式进行。
序号
1 2 3 4 5 6 7
名称
螺旋桨直径 D(给定) ηH VA
单位
数据
(已知)P
E
假定一组转速N 直径系数δ 查图谱，由δ等值线与最佳效率曲线 的交点得 P/D ; η0
4.4
3.3 2
0
0.30R 0.20R
φ 13.60
5.00 13.40 14.80
φ 20.40
(b)

②
五叶螺旋桨系列：其要素列于表9-2
中。桨叶轮廓的尺寸见表9-4，轮廓形状 如图9-5(a)及(b)所示。

③
六叶螺旋桨系列：其要素列于表9-3
中。桨叶轮廓的尺寸见表9-4，轮廓形状 如图9-6(a)及(b)所示。
7000 6000 5000 4000
D
5.7
15
16 16.11
17
V (kn)
D (m )
结
可达航速 螺旋桨直径
论
Vmax 16.11 kn
D = 5.897m
螺旋桨螺距比 P / D = 0.731
螺旋桨效率
η0 = 0.569
§9-4 螺旋桨设计时应考虑的若干问题

如何选定螺旋桨类型、叶数及展开面积比 ？ 这些参数在应用图谱之前是必须首先确定 。这些 因素之间有相互制约作用，在考虑某一问题时， 常出现相互矛盾相互依存的现象。
实船的有效马力表
船速 V / kn
E
14.0
14.5
15.0
15.5
16.0
16.5
有效马力 4050 4570 P / hp
5200
6090
7120
8330
假定航速
VA PD1/2 VA2.5 N BP
BP
单位
kn
14
9.23 107.4 259 118.5 49.2 7.02
15
9.90 107.4 308.5 118.5 41.3 6.43
16
10.56 107.4 362 118.5 35.2 35.2
17
11.22 107.4 422 118.5 30.2 30.2
δ
查AU5-50 图谱，由 与 B 最 佳效率线 的交点得 到
P
76.5
0.519 0.672 m 5.95 6720
71.0
0.544 0.700 5.93 7040
设计是经常遇到的设计问题。

例： 已知25000t装货船的主要数据为：
船长LPP = 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ω = 0.340，推力减额分数 t =
0.260，相对旋转效率ηR = 0.982。主机马力Ps
=12000 hp，主机转速N = 118.5 rpm。
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。 确定所能达到的最高航速
主机马力PS(n) 有效马力曲线PE
V，螺旋桨的直径D、螺距
比P/D及效率ηo
（1）新船采用现成的标准型号主机 （2）旧船调换螺旋桨等
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。 优点：方便可靠； 缺点：受图谱规定桨型的限制。
PD —— 螺旋桨敞水收到马力(hp)， VA —— 螺旋桨进速(kn)， D —— 螺旋桨直径(m).
BP δ 图谱 图谱
0.57 η = 0.65 η =
30 = δ
1.2 1.1 1.0
40 = δ
50 = δ
60 = δ
P/D
0.9 0.8 0.7 0.6 1 2 3 4 5 6
BP
BP δ
n ---为螺旋桨转速，( r／s )
2 πρ K Q 75J 5 PD n V A2.5
1/ 2
注意： VA ---节(kn)， N --- (rpm) ， ρ --- 为海水密度，取104.51 kgf· s2／m4

BP --- 功率系数
NP V
0.5 D 2.5 A
K BP 33.30 J
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，则叶数少者效率常
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。通常双桨船多采用三或四叶，高速 军舰以三叶为宜。

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，以： 荷兰的楚思德B型螺旋桨和 日本AU型螺旋桨 应用最为广泛。
一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用
0.9 0.8 0.7 0.6
AU5-50 2 4 K T = T /ρ n D 2 5 K Q = Q/ ρnD η 0 = K TJ /2πK Q J = V A/nD
0.5 D 2.5
直径系数δ
ND 30.86 δ VA J
ND 30.86 δ VA J
NP BP V
0 .5 D 2 .5 A
K 33.30 J
0 .5 D 2 .5

BP和 δ是螺旋桨设计中最根本的计算系数，
为强调起见，式中有关参数的意义和单位重列
于下：

N —— 螺旋桨转速(rpm)，
效率 ηs。然后可应用图谱来解决螺旋桨
设计中不同类型的问题。
(1)

螺旋桨的初步设计问题
① 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η0，螺距比P/D和主机 马力Ps。 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

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） 所以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。
§9-２ B-δ型图谱的设计方法与应用