第8章_螺旋桨图谱设计

第8章 螺旋桨图谱设计 (Propeller Design with Series Charts)
§8-１ 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
2 3V 3 C
海军系P数e
设计一个 螺旋桨？
达到预定航 速，消耗的 主机马力小
船体的有效 马力曲线
给定主机马 力，使船舶 能达到最高
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表8－１四叶模型螺旋桨要素表
MAU4-40 MAU4-55 MAU4-70
直径／m 毂径比 盘面比 最大叶宽比 平均叶宽比 叶厚比 后倾角/（°）
0.250 0.18 0.40 0.226 0.192 0.050 10
B-δ推导 过程
2 πρ KQ PDn2
75J 5
V5 A
PD --- 螺旋桨收到马力,(hp) VA --- 螺旋桨进速,(m/s) n ---为螺旋桨转速,(r／s))
2 πρ KQ
P n 1/ 2 D
75J 5
V 2.5 A
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第8章 螺旋桨图谱设计 (Propeller Design with Series Charts)
实船的有效马力表
船速 V / kn 有效马力 PE / hp
14.0 14.5 4050 4570
15.0 5200
15.5 6090
16.0 7120
16.5 8330
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0.25 0.18 0.55 0.311 0.263 0.050 10
0.25 0.18 0.70 0.398
0.050 10
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φ13.40 φ20.40
图8-4 MAU4叶桨的轮廓形状
0.30
2.60
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AU型螺旋桨和MAU型螺旋桨的叶梢附近切面区别
弦
长5
的 百
4
AU MAU
0.8R
分3
比2
1
0
50
从导边算起的距离，以弦长百分比表示
（a）
弦
长
的 百
4
分
比2
0
100
MA
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ND 30.86
δ
VA
J
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BP δ 图图谱谱
η= 0.57 η= 0.65
P/D
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6
1
δ= 30
2
3
δ= 40
δ= 50
δ= 60
4
5
6
BP
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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
2
ηH
3
VA
4
(已知)PE
5
假定一组转速N
6
直径系数δ
N1 N2 N3 N4
7
查图谱，由δ等值线与最佳效率曲线
的交点得
BP P/D ; η0
8
PD
9
主机马力Ps
10
计算螺旋桨能克服的有效马力PTE
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PD PD
BP δ 图谱制作过程 （是敞水性征曲线的另一个表达形式）
① 给定螺距比P/D，变化J值
KQ、η0
② 计算δ和 BP ③ 绘图：横坐标为 BP ，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η0和δ 值，此线即能代表螺距比为P/D的螺旋桨水动力
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(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 MAU4-55的图谱。
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ηo
（1）新船采用现成的标准型号主机 （2）旧船调换螺旋桨等
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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。
8.80
1.00R 0.90R
0.70R
MAU4-40
MAU4-55
0.50R
3.30
4.40
5.00 10.04 10.04
0.30
2.60
8.80
3.32
5.00 13.40
4.40
14.80
0.30R
(a)
1.00R 0.95R 0.80R 0.70R 0.60R 0.50R 0.40R 0.30R 0.20R
(b)
MAU4-70
φ13.60 φ20.40
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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 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。
确定桨的最佳转速n、效率η0、 螺距比P/D、主机马力PS
确定桨的最佳直径D、效率 η0、螺距比P/D、主机马力PS
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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PS，转速n 有效马力曲线PE
J = V A/nD
图谱的建立
AU5-50螺旋 桨敞水性征 曲线组
K T , 10K Q
0.6
KQ
0.5
K T P/D = 1.2
0.4
1.0
0.3
0.8
0.8
0.6
0.6 0.2 0.4
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P/D = 0.4
0.1
0.4
0.6
0.8
1.0
1.0 1.2
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
J
• 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8-9的形式进行。
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序号
名称
单位
数据
1
螺旋桨直径 D(给定)
P/D = 1.2
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.4 0
η0
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Q KQ ρ n2D5 Q 75PD 2πn
D VA / nJ
KQ
ρ n2 (VA
/ nJ)5
75PD 2πn
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。
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。
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§8-２ B-δ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。
大连海事大学(Dalian Maritime University, DMU)
第8章 螺旋桨图谱设计
(Chapter 8 Propeller Design with Series Charts)
吴利红(Lihong Wu) 2010.5.26
轮机工程学院(Marine Engineering College, MEC)
• 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
第8章 螺旋桨图谱设计 (Propeller Design with Series Charts)
一、AU型螺旋桨
0.9
设计图谱及其应用 0.8
1. B-δ型设计
0.7
AU5-50 K T = T /ρn D2 4 K Q = Q/ρn2D 5 η0 = KTJ /2πKQ
• 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。终结设计是经常遇到的设计问题。
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如： B 型图谱、 K J 型图谱
优点：方便可靠； 缺点：受图谱规定桨型的限制。
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• 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）。
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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
PD PD
PS PTE
PS PTE
PS，PTE (hp) S， P PTE (hp)
PE η0 η0
N
N2
N3
N4
已知n的初步设计图
PE η0 η0
D1
D2
D3
D4
已知D的初步设计图
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(2) 螺旋桨的终结设计问题
航速
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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
船速 V 有效马力 PE
选定桨的转速n
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本章主要内容
§8-1 螺旋桨的设计问题和设计方法 §8-2 B-δ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
假定航速
VA
PD1/2 VA2.5
N
BP
BP
δ
查AU5-50 图谱，由
η0
与 BP 最
P/D
佳效率线 的交点得
D
到
PTE
单位 kn
m
14 9.23 107.4 259 118.5 49.2 7.02 76.5 0.519 0.672 5.95 6720
特性。
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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 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，即得最佳效率线。
注意：
N —— 螺旋桨转速(rpm,即r／min)，
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).
ρ --- 为海水密度，取104.51 kgf·s2／m4
BP --- 功率系数 直径系数δ
NPD0.5 VA2.5
BP
33.30
K
0.5 D
J 2.5