浅谈船舶螺旋桨的设计
目录
目录 (1)
2 摘要 ......................................................
关键词 (2)
引言 (2)
1结构与计算要素 ..........................................
1.1结构组成 ............................................
1.2计算要素 ............................................
2项目设计过程及结果与分析 ................................
2.1船体估算数据 .......................................
2.2螺旋桨要素选取及结果与分析 ..........................
2.3推力曲线及自由航行计算及结果与分析 ..................
2.4计算总结 ............................................
2.5螺旋桨模型的敞水实验 ................................
3螺旋桨设计的发展 .......................................
3.1节能减排促使螺旋桨加快创新 .........................
结束语 ...................................................
3 3 3 5 6 6 7 9 9 11 11
13
14 14 14
参考文献 ................................................. 致谢 ..................................................... 附录 .....................................................
摘要
螺旋桨是造船行业必备的推进部件，它的设计精度将直接影响船的推进速度，它为船的前进提供的推力。
螺旋桨设计是整个船舶设计的一个重要组成部分，它是保证船舶快速性的一个重要方面。一般螺旋桨设计是在初步完成了船舶线型设计，并通过估算或用船模试验的方法确定了船体有效功率之后进行的。影响螺旋桨推进性能的因素很多，在本设计过程中主要对螺旋桨的直径、螺距比、盘面比、桨叶轮廓形状等因素进行研究，并通过在工作中积累的经验，设计一艘内河 A级拖船的螺旋桨。
关键词螺旋桨直径螺距比盘面比桨叶轮廓形状
引言
船在水面或水中的航行时遭受阻力，为了使船舶能保持一定的速度向前航行，必须供给船舶一定的推力，以克服其所承受的阻力。作用在船上的推力是依靠专门的装置或机构通过吸收主机发出的能量并把它转换成推力而得，而这种专门吸收与转换能量的装置或转换能量的装置或机构统称为推进器。推进器种类很多，例如风帆，民轮，直叶推进器，喷水推进器及螺旋桨等，螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是目前应用最广的推进器。
1结构与计算
1.1结构组成
螺旋桨俗称车叶，通常由桨叶和浆毂组成。螺旋桨与尾轴连接部分叫浆毂，浆毂是一个锥形体。为了减小水的阻力，在浆毂后端加一
整流罩，与浆毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。
螺旋桨在水中产生推力的部分叫桨叶，桨叶固定在浆毂上。普通螺
旋桨常为 3叶或 4叶，2叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近年来有
些船舶（如大吨位大功率的油船），为避免震动而采用 5叶或 5叶以上的螺旋桨。
由船尾向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂连接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车
旋转时先入水的一边称为导边，另一边称为随边。螺旋桨旋转时叶梢
的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径，以 D表示。梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积以 Ao表示，可用下式表示它们之间的关2
系： Ao=πD/4
由船后向前看去，螺旋桨正车旋转为顺时针者称为右旋桨，反之，
则成为左旋桨。装于船尾两侧之螺旋桨，左桨左旋，右桨右旋称为外
旋桨，左桨右旋，右桨左旋称为内旋桨。
1.2结构计算要素
1）螺旋桨直径：首先考虑与尾型和吃水的关系，在绘制船体线型时，已基本决定了螺旋桨的轴线位置和可能的最大直径。从尾型和吃水条件看，普通船舶的螺旋桨直径大约在下列范围：单桨 D=(0.7~0.8)Tw; 双桨 D=(0.6~0.7)T w.式中 Tw为船舶满载时的船尾吃水。只要螺旋
桨直径未超过尾型和吃水条件的限制，就可以通过设计图谱求得敞水
效率最佳的螺旋桨直径。但是由于船后伴流不均匀性的影响，敞水最佳直径与船后最佳直径略有差别。随着伴流不均匀的程度，最佳直径
应有不同程度的减小：单桨所处的位置的伴流不均匀性较大，最佳直
径要减 3~5%；双桨所处的位置伴流比较均匀，最佳直径约减少 2~4%。2）盘面比：若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和
转距均随盘面比的增加而增大。但盘面比大时，翼栅作用较甚，桨叶
的摩擦阻力也较大，螺旋桨的效率就较低。盘面比太小时，因强度需要，势必增加桨叶厚度，这时桨叶单位面积所发出的推力较大，容易
发生空泡，且会增加涡旋阻力，致使效率反而降低。所以在设计螺旋
桨时，均选择不发生空泡的最小盘面比。
3）桨叶轮廓形状：桨叶的外形轮廓多螺旋桨的效率和空泡性都能有
影响。但是通过我们现场反馈的意见表明，对一般接近椭圆形的桨叶，
叶形的变化对螺旋桨效率影响不大。
4）叶数：螺旋桨叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和
空泡多方面加以考虑。一般认为若螺旋桨的直径及展开面积相同，则
叶数少者效率略高，叶数多者因叶片与叶片间产生的相互干扰作用较
大，效率常略低。叶数多者对减小振动有利，叶数少者对避免空泡有
利。
5）螺旋桨转速：螺旋桨转速低一些，则直径可以较大，效率也会较
高，但对主机来说，转速高，则机器效率高，主机的重量和尺寸也可
以减小，从这里可以看出螺旋桨转速和主机转速要求之间是相互对立
而又互相联结。因此就需要螺旋桨的转速和主机的转速之间要匹配
好。但在进行一般民用船舶的螺旋桨设计时，主机往往是从现已生产
的一定功率的几种船用主机中加以比较选取，更多的情况是先有主机
再进行船舶设计。因此在设计螺旋桨时，螺旋桨的转速常是给定的。
在功率相同的情况下，则但螺旋桨船的推进效率高于双螺旋桨，这时因为单螺旋桨位于船尾纵中剖面上，伴流较大，而且单桨的直径较双桨大，故其效率较高。
2 .项目设计过程及结果与分析
船体主尺度及船型系数
这个螺旋桨设计来自于一艘内河 A级拖船，以下是与该设计有关的船体的主尺度及船型系数：
总长型宽23.7
5.30
米
米
水线长
型深
23 米
2.0 米
设计吃水 1.25 米设计排水量 ~88.7 吨艏舷高 2.55 米艉舷高 2.25 米
方形系数 0.578 中剖面系数 0.917 水线面系数 0.809 纵向菱形系数 0.630
浮心纵向位置 -0.651
2.1船体估算数据
该船体有效效率估算（兹万科夫法），见表 1
垂线间长 : L 22.0 m 型宽: B 5.3 m 有隧道 : m 1.2 水温: t 1.5 ℃
吃水: T 1.25 m 舯横剖面面积 : Am 6.0884 m 2
浸水面积 :Ω 99.462m
方形系数 : Cb 0.57
摩擦阻力系数 :f 0.1497 1船速 Vs
剩余阻力系数 :ξ 2.2350
kn 7 8 9 10 11
2 V
3 V1.83
4 f*Ω*V1.83 m/s 3.6008
10.43
4.1152
13.31
198.2
0.280
1.121
2.821
54.104
419.6
617.8
4.6296
16.52
245.9
0.315
1.261
2.961
93.497
725.2
971.0
5.144
20.03
298.1
0.350
1.401
3.101
160.683
1246.3
1544.4
5.6584
23.85
355.0
0.385
1.541
3.241
275.308
2135.4
2490.3 155.2
5 Fn 0.245
6 4Fn自航船
7 X=1.7+（6）
8 V
9 ξ*Cb*Am*(8)
10 R=(4)+（9）
0.981
2.681
31.021
240.6 kgf 395.8
11 EHP=(10)(2)/75 12 1.2*R hp kgf 475.0 19.0 33.9
741.4 40.7 59.9 1165.3 71.9 105.9 1853.3 127.1 187.9 2988.4 225.5
13 1.2*EHR hp 22.8
表 1
2.2螺旋桨要素选取及结果与分析 2.21螺旋桨要素选取（见表 2）
静深水状态下 的设计拖带航速 :Vs=13km/h ≈ 7.0kn 螺旋桨直径： D=1.10m 主机型号： NT/NTA885-M 数量： 2台
螺旋桨转速 :N=436rpm 轴系效率：ηs=0.96 齿轮箱传递效率：ηg=0.97 伴流分数： w=0.13 MCR:200hp x1744rpm 功率储备： 10%
推力减额： f=0.14 设计点 工况： 180hp x1744rpm 齿轮箱减速比： 4 : 1
船身效率：ηh=0.989
项
目 单位 数值 伴流分数 w
0.13
7 拖航状态设计航速 V kn kn hp kn rqm m
V =V(1-w)
A
6.09 16
7.6 6.09 436 1.10
P =MCR x 0.9 x ηs x ηg
D
V
A
N D
2.5
Bp x ρ /ρ =( N x
P ) / VA x ρ /ρ淡水
海水 淡水 海水 D (MAU 图谱为海水中图谱，本船为内河船 ) 7.95 δ=(N x D)/ V
78.75
A
表 2
根据δ，Bp查 MAU图谱得（如表 3所示）：
图谱类型MAU4~40 MAU4~55 MAU4~70 螺距比 P/D
0.84
敞水效率
0.475
0.82 0.469
0.80 0.457
表 3
2.22结果与分析
经计算分析可知满足空泡要求的最小盘面比约为 Ae/Ao=0.65
根据 MAU4~40、MAU4~55、MAU4~70查得结果内插可知：
在该盘面比下的螺距 P/D=0.807,敞水效率ηo=0.461
2.3推力曲线及自由航行计算
拖船有两种典型的航行状态：自航状态和拖航状态。拖船在自由航行状态时，螺旋桨发出的推力只用于克服船体阻力 ;拖船在拖带航行时，除了克服船体自身阻力外，还需要克服拖钩上的拉力。两种不同工况螺旋桨的工作状态相差很明显，因此，设计状态的选取需要进行具体的分析比较。
2.31设计航速时有效推力（如表 5所示）：
扭矩： M=75 x 60 x Po/2πN= 275.3kgf.m
序号项目单位数值
1 2 3 4 5 6 假定航速 Vs kn 7
VA=Vsx (1-w) x 0.5144 m/s
J
3.133
0.392
0.227
0.0305
3205.3 K
T
K
Q T
T=2x(K /K Q )(M/D)(1-t) kgf
表 5
当拖船高于设计拖速航行时，相当于阻力减小，由于进速 V ’ A
比原设计状态有所增加 ,即 V ’＞V 此时螺旋桨发出 的推力与吸收 的
A A 转矩减小，因而螺旋桨负荷变轻，则主机就可毫不费力地转动螺旋桨， 使转速越转越快并超过额定转速而出现飞车现象。长时间 的使主机在 超过额定转速下 工作时不允许 的，所以只有采取减小主机喷油量来控 制转速，使之不超过额定转速。由于喷油量减小，主机转矩减小，其 功率发挥不足。所以高于设计航速时，螺旋桨与主机配合 的特点是保 持原设计转速不变，而主机功率发挥不出来。 2.32高于设计航速时 的有效推力（如表 6所示）： n=7.267转/秒
序号
项目 单位 数值 1 假定航速 Vs
kn
8.0 9.0 10.0 4.475 0.560 0.155 2105.9
11.0 2 3 4 5
VA=Vs x (1-w) x m/s 0.5144 3.580 4.923 4.028 0.504 0.180 2437
J 0.448 0.616 0.204 0.130 2761.8 1764.9
K
T
2 4
T=2 x K T ρn D (1-t)
kgf 表 6
当拖船低于设计拖速航行时，相当于阻力增加，由于进速
V ’ A
比原设计状态有所下降 ,冲角增加，使螺旋桨 工作时遇到 的阻力矩增 加。因机器 的转力矩不能再增加，就出现主机带不带螺旋桨现象。此 时只能采取降低转速 的方法，使螺旋桨收到 的转力矩下降，直至与主 机 的额定转力矩相等。总之，在此状态下，螺旋桨与主机配合 的特点
为转力矩保持设计状态不变，而螺旋桨转速下降，使螺旋桨不能充分吸收主机的额定功率。
计算此状态下螺旋桨发出的有效推力，由于转速时变化的，而且是未知的，因而在假设航速下并不能求得进速系数 J，故计算直接从假设进速系数 J开始，反求相应的转速及航速。
2.33低于设计航速时的有效推力（如表 7所示）：
M=75 x 60 x Po/2πN=275.3 kgf.m
序号项目单位系泊
低于设计航速0.2 0.3 0.4
0.3801
1 2 假定进速系数 J 0.1
K
Q
0.0449 0.0415
0.0323
0.0343
0.2641
0.12
3 4 5 6 7 K T 0.3719
0.05
0.3719
0.2443
0.07
0.3015
0.09
推力减额 t
0.13
rpm
kn
366.8
0.00
381.4
432.5
1.56
398.2
3.26
419.5
5.16
5
N=60x M / ( x D x K Q)
相应航速 Vs(kn)
6.20
T=2x(K T/K Q )(M/D)(1-t) kgf 3945.2 3781.9
3300.3
3611.1 3395.1
表 7
2.34自由航行速度的确定
将表格计算结果画成推力速度曲线（ T~V）
推力曲线与船体阻力曲线之交点对应的速度为自由航行速度见附录（图 1）
V=10.14kn=18.78km/h
2.4计算总结
直径： D=1.10m 桨数： 2只螺距比： P/D=0.807
盘面比： Ae/Ao=0.65
叶型： MAU 叶数： Z=4
重量： ~170kg 自由航速： ~18.8km/h
材料镍铝青铜（ Cu3）
2.5螺旋桨模型的敞水实验
螺旋桨模型单独在静水中的实验称为敞水实验，实验可以在船
模实验池或空泡水筒中进行。它是检定和分析螺旋桨性能较为简便的
方法。
螺旋桨敞水实验的目的有以下几条：
1）进行螺旋桨模型的系列实验，将所得的结果绘制成图谱，以供螺
旋桨设计之用；
2）根据系列选取的结果，可以全面系统地分析螺旋桨各种几何要素
对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能
提供方便；
3）为配合自航实验和进行同一螺旋桨的敞水实验时，以分析推进效
率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。
由设计和实验证明，要使几何相似的螺旋桨成为动力相似，主
要具备的条件是进速系数 J相等。就是说，不论实际螺旋桨与模型螺旋桨旋桨之间的绝对尺度和运动速度怎么不同，只要保持它们之间的
几何相似、进速系数 J相等，则无因次系数 K、K和ηo均相等，因
T Q
此可将螺旋桨的模型实验结果应用于其几何相似的实际螺旋桨中。当
几何形状或进速 J改变时，则无因次系数 K、K和ηo亦随之改变；
T Q
因此对于几何形状一定的螺旋桨来说，其水动力性能只与进速系数J
有关，而 K、K和ηo为进速系数 J 的函数，因此可以写成下列三式：T Q
2 4
K = T / ρn D = f (J)
T 1