螺旋桨的强度计算

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第八章 螺旋桨的强度校核

为了船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。为此，在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定桨叶的厚度分布。螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸，若桨叶具有侧斜或纵斜，则离心力还要使桨叶产生弯曲。此外，桨叶上也可能受到意外的突然负荷，例如：碰击冰块或其他飘浮物体等。同时螺旋桨处于不均匀的尾流场中工作，使桨叶受力产生周期性变化，故较难精确地算出作用在桨叶上的外力。

在计算桨叶的强度时，我们可以把桨叶看作是扭曲的、变截面的悬臂梁，而且其横截面是非对称的，故计算较为复杂，即使能正确地求得桨叶上的作用力，要精确地进行强度计算也是很困难的。目前，对于动态负荷(即计及伴流不均匀性影响)下螺旋桨的强度计算方法虽然有所发展，但计算繁复，付之实用还为时尚早。故在螺旋桨设计的实践中，一般都用理论和实验相结合的近似方法来进行螺旋桨的强度计算。

计算螺旋桨强度的近似方法很多，中国船级社于2001年颁发的《钢质海船入级与建造规范》（以下简称《规范》）中对螺旋桨的强度也有了规定，因为比较偏于安全，用近似方法计算的厚度未必一定能满足规范的要求，因此对“入级”海船应采用规范规定的方法计算。本章中主要介绍我国2001年《规范》的规定，由此确定桨叶厚度。为了使读者了解桨叶上的受力情况，对于分析计算方法也作必要的介绍。

§ 8-1 《规范》校核法

一、螺旋桨桨叶厚度的确定

为了保证螺旋桨的安全，中国船级社2001年《钢质海船入级与建造规范》第三分册第三篇第十一章中，对螺旋桨的强度要求作了明确具体的规定。

螺旋桨桨叶厚度t (固定螺距螺旋桨为0.25R 和0.6R 切面处，可调螺距螺旋桨为0.35R 和0.6R 切面处)不得小于按下式计算所得之值：

X

K Y

t -=

(mm ) (8-1) 式中 Y —— 功率系数，按(8-2)式求得；

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K —— 材料系数，查表8-1；

X —— 转速系数，按(8-3)式求得。

1．功率系数

e

e

136.1Zbn N A Y =

(8-2) 表8-1 材料系数

式中 47

.037.0211)(K P D K P D K K P D A -+-=

对于随缘上翘的机翼型切面，上式求得之A 1值应增加30%； D —— 螺旋桨直径(m )；

P —— 所计算切面处的螺距(m )； P 0.7—— 0.7R 切面处的螺距(m )； R —— 螺旋桨半径(m )；

K 1，K 2，K 3，K 4 —— 系数，查表8-2； N e —— 主机的额定功率(kw )， Z —— 桨叶叶数，

B —— 所计算半径处切面的弦长(m )；

n e —— 螺旋桨在主机额定功率时的转速(rpm )。

表 8-2

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2. 转速系数

Zb

D n GA A X 103

2

e d 210= (8-3)

式中 87652)(K εK εK K P

D

A +++=

； D 、P 、N 、Z 和b 同前；

ε —— 桨叶后倾角，(º)；

K 5，K 6，K 7，K 8 —— 系数，查表8-2；

G —— 桨叶材料的重量密度(g/cm 3

)； A d —— 螺旋桨的盘面比。

对航行于冰区的船舶，螺旋桨桨叶还需进行加强，具体办法在《规范》第三分册第三篇第十四章中有明确规定。因限于篇幅，这里不再进行介绍。

《规范》还规定，对于特殊设计的螺旋桨，允许用其他计算方法来确定螺旋桨桨叶的厚度，但需取得验船部门的同意。 二、计算实例

某3.5×104

t 散装货船，船长L PP = 185m ，型宽B = 28.4m ，设计吃水T = 11.0m ，方形系数

C B = 0.821。主机额定功率N e = 1.11×104

hp ，转速n e = 124 rpm ，按MAU 型4叶螺旋桨设计图谱求得：螺旋桨的直径D = 5.6m ，螺距比P/D = 0.7，敞水效率η0 = 0.521，盘面比A E /A 0＝0.586，航速V = 14.68 kn 。桨叶的纵斜角ε = 10 º，螺旋桨的材料为ZQALl2-8-3-2，其重量密

度为G = 7.4g/cm 3

。现要求按《规范》进行强度校核。

根据已知条件可算出：

0.7R 切面处的螺距P 0.7 = 3.92m ， 0.25R 及0.6R 处切面的弦长为：

m 342.16.5

332.07212.07212

.0m ax

25.0=⨯⨯=⋅=D D b b ； m 843.16.5332.09911.09911.0m ax 6.0=⨯⨯=⋅=D D

b

b ；

由表8-1可查得材料系数K ，由表8-2可查得K 1、K 2、K 3、K 4、K 5、K 6、K 7、K 8诸系数。 计算可按表8-3形式进行。

表8-3 计算结果

由表8-3的计算结果可见，满足《规范》要求的最小厚度为：

t0.25R＝211.6 mm

t0.6R＝101.6 mm

而标准桨在相应半径处切面的厚度为:

t n0.25R= 214.2 mm

t n0.6R= 122.1 mm

大于《规范》的要求。若采用标准桨的厚度及其分布，则可以满足强度的要求，且略有裕度。

§8-2 分析计算法

本节讨论在静态负荷下螺旋桨强度的计算问题。所谓静态负荷，就是假定作用于桨叶上的外力负荷不变。在应用这种方法进行计算时，把桨叶作为简单的悬臂梁，首先计算出每一桨叶上的推力、旋转阻力及离心力对计算切面的弯矩，然后根据切面的几何特性确定所受的应力。

螺旋桨工作时，桨叶根部所受的应力最大。实践证明，螺旋桨桨叶常在叶根附近断裂，所以应用计算分析法来校核桨叶强度时，主要计算叶根处切面的强度(略去填角料)。

一、推力和旋转阻力所产生的弯矩

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