螺旋桨图谱设计

第九章 螺旋桨图谱设计

§ 9-1 设计问题与设计方法

螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。在船舶线型初步设计完成后，通过有效马力的估算或船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机马力小；或者当主机已选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。因此，螺旋桨的设计问题可分为两类。

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。具体地讲就是：

① 已知船速V，有效马力PE，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速n、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps；

② 已知船速V，有效马力PE，根据给定的转速n，确定螺旋桨的最佳直径D、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps。

二、终结设计

主机马力和转速决定后(最后选定的主机功率及转速往往与初步设计所决定者不同)，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。具体地讲就是：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，螺旋桨的直径D、螺距比P/D及效率η0。新船采用现成的标准型号主机或旧船调换螺旋桨等均属此类问题。在造船实践中，一般采用标准机型，所以在实际设计中，极大多数是这类设计问题。

目前设计船用螺旋桨的方法有两种，即图谱设计法及环流理论设计法。

图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计。用图谱方法设计螺旋桨不仅计算方便，易于为人们所掌握，而且如选用图谱适宜，其结果也较为满意，是目前应用较广的一种设计方法。应用图谱设计螺旋桨虽然受到系列组型式的限制，但此类资料日益丰富，已能包括一般常用螺旋桨的类型。

环流理论设计方法是根据环流理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。用此种方法可以分别选择各半径处最适宜的螺距和切面形状，并能照顾到船后伴流不均匀的影响，因而对于螺旋桨的空泡和振动问题可进行比较正确的考虑。但由于此种方法计算繁复，加工工艺也较复杂，故目前在我国应用较少。随着电子计算机技术在造船事业中的应用，加上设计方法之优越，今后必然会得到广泛的应用。关于环流理论设计方法将在第12章中予以介绍。

§ 9-2 B-δ型图谱的设计方法与应用

目前各国已发表的螺旋桨设计图谱较多，有的只是表达形式不同而试验资料相同，有的则是螺旋桨形式不同。因此，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。这里主要讨论商船螺旋桨的设计，兼顾高速军舰螺旋桨设计。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。鉴于有关B型螺旋桨发表的资料较多，本节将以AU型螺旋桨为对象，进行较详细的介绍，对于B型螺旋桨仅就其最近归纳发表的新形式图谱作些介绍。我们认为，只要对于螺旋桨的设计问题理解清楚以后就能融会贯通，即使对于不同的图谱形式或不同的螺旋桨类型都能灵活应用。

一、AU型螺旋桨设计图谱及其应用

AU型螺旋桨是日本运输技术研究所发展的螺旋桨系列，近年来日本有关部门又对切面形状等作了改进，扩大了盘面比和螺距比范围，进行了3~6叶螺旋桨模型的系列试验，并作成了设计图谱。

1. B-δ型设计图谱的建立

如果将AU型5叶，盘面比= 0.50、螺距比分别为：P/D = 0.4，0.6，0.8，1.0，1.2的五个螺旋桨的敞水试验结果绘制在同一图上，则可以得到如图9-1所示的敞水性征曲线组。当知道进速系数J?VA/n D以后，即可得到不同

0.9螺距比螺旋桨的性能。在螺旋桨的设计问题中，一般不可能同时给定直径D和转速N，而敞水性征曲线图的横坐标进速系数J却同时包括了D和N二个参数，这给设计螺旋桨带来

KT , 10KAU5-500.8KT = T/ ρn D25KQ = Q/ ρn D 0 = KTJ/2π KηJ = VA/nD24Q0.7不便，为此需将这类性征曲线转绘成专用图谱，B-δ型图谱就是目前应用最广的一种图谱形式。

如前所述，通常遇到最多的是终结设计问题，即已知主机马力和螺旋桨转速，所以解决这类问题的计算系数应该不包含未知量D。为此需导出这类计算系数。 按定义有：

Q?KQρnD25Q0.6KQ0.5KTP/D =0 10.40..21.00.81.1.81.20.80.70.60P/D 0.30.0.66= 100.50.40.3.24D = 0.40.20.0.10.P/40.20.11.01.21.40?75PD2πn 0 0.2 0.4 0.6 0.8J又

D?VA/nJ

75PD2πn将上面两式消去直径D得：

KQρn(VA/nJ)?25图 9-1

η0.80.6或

2πρK75J2πρK75J5Q5?PDnVAPD52

n1/2两边开方得：

Q?VA2.5

式中，PD为螺旋桨收到马力(在设计图谱中常简单地用P表示，为避免与螺距P混淆，本书中仍用PD表示。)，其单位为公制马力(hp)；VA为螺旋桨进速，单位为米/秒(m/s)，n为螺旋桨转速，单位是转/秒。若将上式中VA以节(kn)来表示，转速以N(rpm)来代替n(转/秒)，ρ

24

为海水密度，取104.51 kgf·s/m，则可得:

BP?NPDVA0.52.5?33.30KJ0.5D2.5 (9-1)

BP就是B型图谱所采用的计算系数，称为收到马力系数(或简称功率系数)。

同时，还引入直径系数δ，定义如下：

δ?NDVA?30.86J (9-2)

BP和δ是螺旋桨设计中最根本的计算系数，为强调起见，将(9-1)和(9-2)式中有关参数的意义和单位重列于下：

N —— 螺旋桨转速(rpm)，

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)，

用KT、KQ-J图谱(如图9-1)就可以作出

BP?δ图谱。这类图谱的绘制方法如下：

① 在同一叶数和盘面比的螺旋桨敞水性征曲线组上(如图9-1)，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(9-1)和(9-2)式分别算出相应的③ 在纵坐标为螺距比P/D，横坐标为

BPBP和δ。

的图上，如图9-2所示，通过上述计算的P/D

0η= 0.6η=

δ= 3.570δ= 40δ= 50δ= 650

P / D1.21.11.0

0.90.80.70.6123456BP图 9-2

值作一平行横坐标的水平线，并在该线对应于每一

BP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

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，如图9-2中的点划线。

2．AU型螺旋桨型式

通常所指的AU型螺旋桨包括下列几种类型： ① AU型螺旋桨的原型

这是初始阶段发展的螺旋桨模型，为部分5叶和6叶螺旋桨所采用。 ② 改进AU型。以MAU表示之。

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4叶螺旋桨系列就是采用这种形式。实践证明，AU原型桨的面空泡裕度过大，因此少量减小叶切面前缘的高度(见图9-3(a))，适当降低面空泡的裕度，以增大叶背的抗空泡性能。这种改动反映在切面的拱线(或称中线)上表现为增大了拱度而减小了攻角，经计算比较，MAU型和AU原型的水动力性能是接近的，如图9-3(b)所示。

因此，AU原型5叶及6叶螺旋桨的设计图谱，完全能用于设计MAU型5叶及6叶螺旋 桨。

弦长的百分比弦长的百分比543210MAUAU0.8R4AUMAUAU的拱度MAU的拱度2050从导边算起的距离，以弦长百分比表示100MAU的攻角AU的攻角50100从导边算起的距离，以弦长百分比表示（a）（b）图 9-3

③ 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，称AUw型。

对于MAU型的叶切面后缘具有一定翘度(即MAUw)的设计，应用本图谱也具有相当精度。

AU型螺旋桨是等螺距螺旋桨，桨模的几何特征是：

① 4叶螺旋桨系列：属于本组的模型螺旋桨列于表9-1中。桨叶轮廓的尺寸见表9-4，轮廓形状如图9-4(a)及(b)所示。

② 5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 6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。

表9-1 四叶模型螺旋桨要素表

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 MAU4-40 0.250 0.180 0.400 0.226 0.192 0.050 10? MAU4-55 0.250 0.180 0.550 0.311 0.263 0.050 10? MAU4-70 0.250 0.180 0.700 0.398 0.050 10?

8.800.30MAU4-401.00R0.90RMAU4-552.600.70R0.50R4.403.300.30Rφ13.405.0010.0410.04(a)MAU4-701.00R0.95R0.80R0.70R0.60R0.50R0.40R8.800.302.604.403.320.30R0.20Rφ13.605.0013.4014.80(b)图 9-4

φ20.40φ20.40

表9-7 AUw型叶切面尺寸表

1) X坐标值以叶宽的%表示；2）Y坐标值以Y的%表示

最大

r/R 0.20 0.30 X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 30.46 0 0 2.00 51.85 24.25 2.00 51.85 24.25 2.00 51.85 24.25 2.03 51.85 24.25 2.18 51.85 24.25 2.51 51.85 24.25 2.84 51.85 24.25 3.06 43.22 23.10 3.13 15.88 4.00 59.75 19.05 4.00 59.75 19.05 4.00 59.75 19.05 4.06 59.75 19.05 4.36 59.75 19.75 5.03 59.75 19.05 5.68 59.75 19.75 6.11 55.33 19.04 6.25 25.99 6.00 66.15 15.00 6.00 66.15 15.00 6.00 66.15 15.00 6.09 66.15 15.00 6.54 66.15 15.10 7.54 66.15 15.00 8.51 66.15 15.00 9.17 62.44 15.23 9.78 34.66 10.00 76.05 5.40 10.00 76.05 5.40 10.00 76.05 10.00 10.16 76.05 10.00 10.91 76.05 10.00 12.56 76.05 10.00 14.19 76.05 10.00 15.28 74.10 10.15 15.63 50.55 15.00 85.25 2.35 15.00 85.25 2.35 15.00 85.25 5.40 15.23 85.25 5.40 16.36 85.25 5.40 18.84 85.25 5.40 21.28 85.25 5.40 22.92 85.25 5.40 23.44 68.36 20.00 92.20 20.00 92.20 20.00 92.20 2.35 20.31 92.20 2.35 21.87 92.20 2.35 25.12 92.20 2.35 28.38 92.20 2.35 30.56 92.20 2.35 31.25 83.25 30.00 32.00 40.00 99.80 100.00 97.80 30.00 32.00 40.00 99.80 100.00 97.80 30.00 32.00 40.00 99.80 100.00 97.80 30.47 32.50 40.44 99.80 100.00 97.80 32.72 34.90 42.56 99.80 100.00 97.75 37.69 40.20 47.23 99.80 100.00 97.75 42.56 45.40 51.82 99.80 100.00 97.75 45.85 48.90 54.91 99.80 100.00 97.75 46.87 50.00 55.88 99.80 100.00 97.75 50.00 91.10 50.00 91.50 50.00 90.30 50.37 90.00 52.13 89.95 56.03 89.95 59.85 89.95 62.42 89.95 63.23 89.95 60.00 81.25 2.25 60.00 79.85 1.00 60.00 78.50 60.29 78.20 61.76 78.15 64.82 78.15 67.88 78.15 69.94 78.15 70.59 78.15 70.00 69.35 5.00 70.00 66.95 4.00 70.00 63.95 0.25 70.22 63.20 71.28 63.15 73.62 63.15 75.91 63.15 77.46 63.15 77.94 63.15 80.00 56.60 10.00 80.00 52.40 7.50 80.00 47.95 2.30 80.15 45.65 80.85 45.25 82.41 45.25 83.94 45.25 84.97 45.25 85.30 45.25 90.00 42.00 15.80 90.00 37.40 12.15 90.00 31.16 5.75 90.07 26.25 0.25 90.43 25.30 91.21 25.30 91.97 25.30 92.49 25.30 92.65 25.30 95.00 100.00 34.20 25.55 19.55 95.00 100.00 29.55 19.80 14.85 95.00 100.00 22.40 12.80 8.05 95.04 100.00 16.35 5.60 1.20 95.21 100.00 15.00 4.50 95.60 100.00 15.00 4.50 95.99 100.00 15.00 4.50 96.24 100.00 15.00 4.50 96.32 100.00 15.00 4.50 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 表9-8 改进AU(MAU)型叶切面尺寸表

W

W

1) X坐标值以叶宽的%表示；2）Y坐标值以Y的%表示

最大

r/R 0.20 0.30 X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu X Y0 Yu 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 35.00 0 34.00 0 30.00 0 21.00 0 8.30 0 6.00 2.00 51.85 24.25 2.00 51.85 24.25 2.00 51.85 24.25 2.03 51.85 24.25 2.18 49.60 23.60 2.51 42.90 20.50 2.84 32.45 14.00 3.06 21.10 4.00 3.13 19.65 4.00 59.75 19.05 4.00 59.75 19.05 4.00 59.75 19.05 4.06 59.75 19.05 4.36 58.00 18.10 5.03 52.20 15.45 5.68 41.70 10.45 6.11 31.50 2.70 6.25 30.00 6.00 66.15 15.00 6.00 66.15 15.00 6.00 66.15 15.00 6.09 66.15 15.00 6.54 64.75 14.25 7.54 59.90 11.95 8.51 50.10 8.05 9.17 40.90 2.05 9.38 39.60 10.00 76.05 10.00 10.00 76.05 10.00 10.00 76.05 10.00 10.16 76.05 10.00 10.91 75.20 9.45 12.56 71.65 7.70 14.19 64.60 5.05 15.28 57.45 1.20 15.63 56.75 15.00 85.25 5.40 15.00 85.25 5.40 15.00 85.25 5.40 15.23 85.25 5.40 16.36 84.80 5.00 18.84 82.35 4.10 21.28 78.45 2.70 22.92 74.70 0.70 23.44 74.30 20.00 92.20 2.35 20.00 92.20 2.35 20.00 92.20 2.35 20.31 92.20 2.35 21.81 91.80 2.25 25.12 90.60 1.75 28.38 88.90 1.15 30.56 87.45 0.30 31.25 87.30 30.00 32.00 40.00 99.80 100.00 97.80 30.00 32.00 40.00 99.80 100.00 97.80 30.00 32.00 40.00 99.80 100.00 97.80 30.47 32.50 40.44 99.80 100.00 97.80 32.72 34.90 42.56 99.80 100.00 97.75 37.69 40.20 47.23 99.80 100.00 97.75 42.56 45.40 51.82 99.80 100.00 97.75 45.85 48.90 54.91 99.70 100.00 98.65 46.87 50.00 55.88 99.65 100.00 99.00 50.00 91.10 50.00 90.50 50.00 90.30 50.37 90.00 52.13 89.95 56.03 89.95 59.85 89.95 62.42 92.75 63.23 93.85 60.00 81.25 2.25 60.00 79.85 1.00 60.00 78.50 60.29 78.20 61.70 78.15 64.82 78.15 67.88 78.15 69.94 83.05 70.59 84.65 70.00 69.35 5.00 70.00 66.95 4.00 70.00 63.95 0.25 70.22 63.20 71.28 63.15 73.62 63.15 75.91 63.15 77.46 69.35 77.94 71.65 80.00 56.60 10.00 80.00 52.40 7.50 80.00 47.95 2.30 80.15 45.65 80.85 45.25 82.41 45.25 83.94 45.25 84.97 51.85 85.30 54.30 90.00 42.00 15.80 90.00 37.40 12.15 90.00 31.16 5.75 90.07 26.25 0.25 90.43 25.30 91.21 25.30 91.97 25.30 92.49 30.80 92.65 33.50 95.00 100.00 34.20 25.55 19.55 95.00 100.00 29.55 19.80 14.85 95.00 100.00 22.40 12.80 8.05 95.04 100.00 16.35 5.60 1.20 95.21 100.00 15.00 4.50 95.60 100.00 15.00 4.50 95.99 100.00 15.00 4.50 96.24 100.00 19.40 6.85 96.32 100.00 21.50 8.00 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 表 9-9

序号 1 2 3 4 5 6 名 称 螺旋桨直径D (给定) ηH = (1- t)/(1-ω) VA = V（1-ω） 单位 m kn rpm N1 δ1 (P/D)1 η01 BP1数 据 N2 δ2 (P/D)2 η02 BP2PE (给定) 假定一组转速 N 直径系数 δ?NDVAN3 δ3 (P/D)3 η03 BP3N4 δ4 (P/D)4 η04 BP4查MAU4-55图谱，由δ等值线 7 与最佳效率曲线的交点得到： P/D ；η0 ； 8 9 PD?BPVAN225BP PDηS?ηRPD1 Ps1 PD2 Ps2 PD3 Ps3 PD4 Ps4 主机马力 Ps? 10 计算螺旋桨能克服的有效马力 PTE = PD·η0·ηH P PTE1 PTE2 PTE3 PTE4 在以后的讨论中将会看到，B?δ图谱中的最佳效率曲线按理应为最佳直径曲线而不是

最佳转速曲线，因此表9-9为近似处理方法，其所得之转速严格讲并非是最佳值。合理的做法是选用其它型式的图谱，或按下述步骤进行计算：假定若干个收到马力PD，对于各个PD分别假设几个转速N。在已知船速V和螺旋桨直径D的条件下，对某一个PDi，可求出相应一组B及δ，按此二值由BPP?δ图谱查得η0，以N为横坐标，η0为纵坐标找出极大值，对应的

Nopti即为所假定PDi下之最佳转速。不同的PDi有不同的Nopti及相应的螺旋桨参数与PTEi，然后由船速V时的有效马力PE内插决定最后的最佳转速N、主机马力Ps和螺旋桨参数。

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。

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。将表9-10的结果作图9-8，图中以直径D为横坐标，以Ps、PTE、P/D、η0分别为纵坐标。类似于图9-7可以求得螺旋桨直径D、要求的主机马力Ps及螺旋桨的螺距比P/D、效率η0等。

(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。终结设计是经常遇到的设计问题，故下面结合一个具体例子列表说明。

PDPDPDPDPSPSPS，PTE (hp)PTEPS，PTE (hp)PTEPEηη00PEηη00NN2N3N4D1D2D3D4图 9-7 图 9-8

表9-10

序号 1 2 3 4 5 6 名 称 螺旋桨转速 N (给定) ηH = (1- t)/(1-ω) VA = V（1-ω） 单位 rpm kn m D1 δ1 (P/D)1 η01 BP1数 据 D2 δ2 (P/D)2 η02 BP2PE (给定) 假定一组直径D 直径系数 δ?NDVAD3 δ3 (P/D)3 η03 BP3D4 δ4 (P/D)4 η04 BP4查MAU4-55图谱，由δ等值线 7 与最佳效率曲线的交点得到： P/D ；η0 ； 8 9 PD?BPVAN225BP PDηS?ηRPD1 Ps1 PD2 Ps2 PD3 Ps3 PD4 Ps4 主机马力 P有效推马力 s? 10 PTE = PD·η0·ηH PTE1 PTE2 PTE3 PTE4

4

例： 已知2.5×10 t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

4

转效率ηR = 0.982。主机马力Ps=1.2×10hp，主机转速N = 118.5 rpm。

表 9-11

船速V（kn） 有效马力PE（hp） 14.0 4,050 14.5 4,570 15.0 5,200 15.5 6,090 16.0 7,120 16.5 8,330 假定轴系传送效率ηs = 0.98，则螺旋桨的敞水收到马力为：

PD?ηs?ηR?Ps?0.98?0.982?12,000?11,550 hp

船身效率

ηH?1?t1?ω?1.121

以AU 5-50图谱进行设计，表9-12为计算的具体步骤。

表 9-12 假定若干船速 V VA = V（1-ω） PDkn kn 14 9.23 107.4 259 118.5 49.2 7.02 76.5 0.519 0.672 5.95 6,720 15 9.90 107.4 308.5 118.5 41.3 6.43 71.0 0.544 0.700 5.93 7,040 16 10.56 107.4 362 118.5 35.2 5.93 66.2 0.567 0.728 5.90 7,340 17 11.22 107.4 422 118.5 30.2 5.50 62.0 0.588 0.752 5.87 7,615 VA N BP?N PDVA0.52.52。5 δ m BP 查AU5-50图谱， 由BPη0 P/D D PTE = PD·η0·ηH 与最佳效 率线的交点得到：

将表9-12的计算结果作图9-9，图中以船速V为横坐标，以PE、P/D、D及η0为纵坐标。图中曲线PTE和曲线PE的交点即为所求的螺旋桨，因为此时螺旋桨在主机额定转速N =118.5

4

rpm，吸收主机马力Ps=1.2×10hp的条件下发出的有效推马力PTE与该船速下船的有效马力相平衡。

由图9-9可得螺旋桨的要素及能达到的船速如下：

可达航速

Vmax?16.11kn 螺旋桨螺距比 P/D = 0.731

螺旋桨直径 D = 5.897 m 螺旋桨效率 η0 = 0.569

P0.820.78DPD0.740.700.620.580.54η00.66η0PE90000.50

8000PEAU550PTE70006.06000D5.95.850005.74000151616.1117V (kn)图 9-9

二、荷兰楚思德B型螺旋桨设计图谱的新形式

荷兰瓦根宁根船模试验池B型螺旋桨设计图谱也是B-δ型式的图谱，它是根据B型螺旋桨模型系列试验结果绘制的，图谱几经修改。此类螺旋桨在一般商船上应用很广，具有相当长的历史。

关于楚思德B型螺旋桨的设计资料于1969年重新进行分析整理予以发表，在很多教科书上进行转载，这里不再赘述，但必须指出：我们在用该资料的过程中发现，1969年发表的B4-40和B4-55巨的Bp-δ图谱与相应的KT、KQ-J敞水性征曲线之间有较大的差别。经证实此二图谱有误并予以更正。由于4叶桨应用较多，请读者在设计过程中加以注意。

1．B型螺旋桨图谱和AU型螺旋桨图谱的差别

在图谱型式上二者除横坐标(B型桨为Bp，AU型桨为

Bp)略有差别外，其余基本相同。

但在实际使用时是有很大的差别，千万不能混淆。这里简要指出其特点，引起读者注意。

AU型螺旋桨的图谱：

① 设计时采用的计算系数Bp和δ中参数均为公制单位； ② 图谱已经转换至海水情况；

③ 图谱查出的最佳直径就是船后采用的螺旋桨最佳直径。 B型螺旋桨的图谱：

① 设计时采用的均为英制单位，即 PD——螺旋桨敞水收到马力(UKhp)， VA——螺旋桨前进速度(kn)，

D (m)N ——螺旋桨转速(rpm)， D ——螺旋桨直径(ft)。

因此，其相应的收到马力系数Bp与直径系数δ有如下的形式：

BP?PD1/2NVA2.5?33.08KJQ5 (9-3)

及

δ?NDVA?101.33J (9-4)

② 图谱是工作于淡水时的螺旋桨性能，故在设计海船螺旋桨时尚需考虑水的密度不同引起的影响，即Bp值应按下式计算：

BP?NPD/γVA2.5?NPD2.5 (9-5)

γ VA式中，γ ＝1.025，为海水比重；PD为海水中螺旋桨敞水收到马力(UKhp)。

③ 根据B型螺旋桨的试验研究表明，对于1969年以前发表的B型图谱，从图谱查得的最佳直径用于船后时应减小2～4%，一般对铸铜螺旋桨减小4%(单桨)和2%(双桨)，对铸铁螺旋桨减小8%(单桨)和6%(双桨)。对1969年发表的图谱，其最佳直径比原图谱有所减小，故一般可以把图谱所得的直径直接用于船后。

此外，B型螺旋桨除提供B?δ图谱形式外，还提供了一种BU -δ形式的图谱。此图谱采用的纵坐标仍是螺距比P/D而横坐标改为BU，定义如下：

PBU?P1/2NVA2.5?13.20KJT4 (9-6)

式中，U —— 螺旋桨推马力(UKhp)；

直径系数δ定义仍如(8-4)式。

一般来说，对螺旋桨的初步设计问题，用BU -δ图谱较B其相应的计算步骤。

P?δ图谱方便，读者可自行考虑

2．B型螺旋桨系列新图谱

如前所述，鉴于：

① B型螺旋桨设计图谱几经修改发表，且各次结果又不尽相同； ② 图谱采用的是英制单位，不符合国际规定；

③ 图谱的横坐标BP是以对数形式给出，使用不太方便。

因此，荷兰船模试验池在1972年完成最后一批六叶和七叶桨资料以后，采用多元回归分析的方法用电子计算机重新整理和分析了四十多年来积累的系列资料，并对于雷诺数的影响(尺度效应)作了修正，最后将试验结果用一组多项式来表示，并且重新绘制成一套新形式的图谱，以供设计使用。

这套图谱分成三组，采用不同的形式。第一组为敞水性征曲线KT，KQ-J图谱，第二组是BP1-1/J图谱，第三组是BP2-1/J图谱，每组图谱包括21个螺旋桨系列，对应叶数为三至七叶，盘面比为0.35~1.05。这21个系列的组成如第4章中表4-3所示。

这3组新图谱中，第1组为大家所熟知，这里不再重复。第2、3组则不同于上面所提及的B?δ或B?δ图谱。

PU第2组是BP1-1/J或K1/4Q?J?5/4?J?1形式，当主机功率、螺旋桨转速和进速给定时可据以

确定螺旋桨的最佳直径，这与BP?δ图谱的用途相类似。但在这里应用了参数Bp1，定义为：

BP1?NPDVA1/22.5 (9-7)

式中 N —— 每分钟螺旋桨转数(rpm)；

PD—— 英制螺旋桨敞水收到马力(1Ukhp=76 kgf·m/s)； VA—— 螺旋桨进速(kn)。

由于BP1的数值取决于所用之单位制，将它用无因次变量K者关系为：

0.1739BP1?K1/4Q1/4Q?J?5/4来代替更为恰当。两

?J?5/4 (9-8)

后者可直接由定义来计算：

K1/4Q?J?5/4?Qn3???5??ρVA?1/4 (9-9)

式中 Q —— 螺旋桨转矩(kgf·m)；

n —— 螺旋桨转速(rps)；

24

ρ —— 淡水密度，取为101.94 kg f· s/m； VA—— 螺旋桨进速(m/s)。

?J形式，当主机功率、螺旋桨直径和进速给定时可第3组图谱是BP2-1/J或K?J1/4?3/4?1Q据以确定螺旋桨的最佳转速。这里应用了功率常数BP2，其定义为：

BP2?PD1/2D?VA3/2 (9-10)

这里，BP2同样可用无因次变量K1/4Q?J?3/4来代替，两者的关系为：

BP2?K1/4Q1.75?J?3/4 (9-11)

后者也可直接由定义计算：

K1/4Q?J?3/4?Qn???23??ρDVA?1/4??PD??23??2πρDVA?1/4 (9-12)

式中，Q、n、ρ和VA与第二组图谱所用者相同，PD为敞水螺旋桨的收到功率，以公斤·米/秒计算。

6

上述3组图谱都已修正至雷诺数Re = 2×10的情况。

本书附录中给出了B型螺旋桨的部分新形式图谱，供学习使用参考。

3．B型螺旋桨型式

B型螺旋桨的叶形梢部较宽，略有侧斜，纵斜角为15°后倾。根部切面为机翼型，梢部为弓形。4叶螺旋桨系列的螺距从0.6R至叶梢处为等螺距，自0.6R向叶根逐渐递减，至叶根处减少20%。其余各系列均为等螺距分布。图9-10及图9-11分别为4叶及5叶螺旋桨系列的伸张轮廓。桨叶的几何尺度列于表9-13和表9-14，切面型值列于表9-15。

1.0R0.9R0.8R0.7R0.6R0.5R0.4R0.3R0.2RB4-400.167D0.045DB4-55B4-70B4-85B4-100100?.2??.7?.2?%图 9-101.0R0.9R0.8R0.7R0.6R0.5R0.4R0.3R0.2RB5-450.167D0.045DB5-60B5-75B5-105图 9-11

表9-13 B型3叶螺旋桨尺度

r/R 辐射基线 以最大切面弦长（在0.6R处）的%计 至 随 边 辐射基线 至 导 边 切面弦长 切面最大厚度(以D的%计) 切面最厚处至导边(以其弦长%计) 74.73 83.91 91.53 97.05 100.0 99.19 92.85 75.77 4.06 35.0 3.59 35.0 3.12 35.0 2.65 35.5 2.18 38.9 1.71 44.2 1.24 47.8 0.77 50.0 ---- 0.30 ---- 轴线处最大厚度= 0.05D 46.05 51.25 54.91 56.52 55.82 52.22 44.63 30.31 ---- 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 3叶在0.6R处 切面弦长 = 0.7396AEA028.68 32.67 36.62 40.53 44.18 46.97 48.22 45.46 14.87 D 表9-14 B型4、5叶螺旋桨尺度

r/R 辐射基线 以最大切面弦长（在0.6R处）的%计 至 随 边 辐射基线 至 导 边 切面弦长 切面最大厚度 (以D的%计) 4 叶 5 叶 76.08 85.96 3.66 3.26 35.0 3.24 2.89 35.0 93.62 2.82 2.52 35.0 98.38 2.40 2.15 35.5 100.0 1.98 1.78 38.9 98.08 1.56 1.41 44.3 90.00 1.14 1.04 47.9 72.35 0.72 0.67 50.0 ---- 0.30 0.30 轴线处 最大厚度 = 0.045D，4叶 切面最厚处至导边(以其弦长%计) ---- =0.04D，5叶 46.90 52.64 56.32 57.60 56.08 51.40 41.65 25.35 ---- 0.2 0.3 0.4 37.30 0.5 40.78 0.6 43.92 0.7 46.68 0.8 48.35 0.9 47.00 1.0 在0.6R处 29.18 33.32 20.14 切面弦长 = 2.1867AEDA0Z 表9-15 B型螺旋桨各半径处切面纵坐标

各纵坐标至切面最厚处距离（以导边或随边至最厚处长度的%计） 由 随 边 至 最 厚 处 r/R 0.2 0.3 叶 以 最 大 厚 度 百 分 数 计 的 切 面 纵 坐 标 值 背 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.7 0.8 100 80 60 40 20 20 40 94.50 92.45 94.00 91.35 93.25 90.40 92.40 89.70 91.25 89.85 88.80 85.30 87.00 2.30 2.80 1.30 0.30 由 最 厚 处 至 导 边 60 87.00 82.35 85.80 80.45 84.30 78.35 82.30 76.00 79.35 73.55 74.90 72.15 68.70 70.00 5.90 7.40 4.60 4.65 2.65 1.75 0.70 0.35 80 74.40 67.45 72.50 68.85 70.40 61.60 67.70 57.45 63.60 51.65 57.00 49.00 48.25 47.25 45.15 13.45 15.50 10.85 10.90 7.80 5.90 4.30 1.70 0.80 90 64.35 57.20 62.65 63.70 60.15 48.75 56.80 42.00 52.20 34.85 44.20 32.95 34.55 31.65 30.10 20.30 21.65 16.55 16.25 12.50 9.90 8.45 4.45 4.45 0.50 0.40 95 56.95 50.60 54.90 46.55 52.20 40.75 48.60 32.95 43.35 25.30 35.00 23.00 25.45 22.45 22.00 26.20 25.95 22.20 19.80 17.90 13.45 13.30 7.25 8.40 1.95 2.45 100 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 导边和随边端圆 直径(以其切面最 大厚度的%计) r/R 导边 随边 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 53.35 72.65 86.90 96.45 98.60 98.15 98.15 97.50 97.00 0.45 0.05 ---- 50.95 71.60 86.80 96.80 98.40 ---- 47.70 70.25 86.55 97.00 98.20 ---- 43.40 68.40 86.10 96.65 98.10 ---- 40.20 67.15 85.40 96.80 98.10 ---- 39.40 66.90 84.90 96.65 97.60 ---- 40.95 67.80 85.30 96.70 97.00 ---- 45.15 70.00 87.00 97.00 97.00 11.1 11.1 0.2 30.00 18.20 10.90 5.45 1.55 0.3 25.35 12.20 5.80 1.70 叶 面 0.4 17.85 6.20 1.50 0.5 9.07 1.75 0.6 5.10 40.00 36.75 0.95 15.7 15.7 37.35 34.50 24.35 30.40 17.05 24.50 10.25 16.05 7.40 31.00 叶梢 26.7 26.7 表9-15中，由最大厚度处至导边部分的型值有两行，上行表示原B桨的型值(原型)，下行表示修改后的型值(改型)。改型的导边部分较原型略薄，具较小的端圆半径(见图9-12)，其目的可减小切面阻力并使压力分布较为

原型均匀。航行状态变化不大的高速运输船的

改型螺旋桨宜采用改型桨。对于多工况的螺旋桨(如拖轮桨)或在较不均匀速度场中工作

的螺旋桨，采用原型比较合适。

02040608090100?荷兰船模试验池有时曾采用一种称为

BB型的螺旋桨。此类螺旋桨与B型螺旋

图 9-12

桨基本一样，只是在近梢部略为加宽。就

水动力性能而言，可以认为两者是相同的，也就是说可以用B型桨的图谱来设计BB型螺旋桨。表9-16为BB型螺旋桨的外形轮廓尺度。

Kd??75J2πK3?DVQρVAAPD (9-19)

② 消去(9-18)和(9-15)两式中参数D： 定义计算系数K?如下：

n??Kn75J452πK?QVAnρV4APD (9-20)

从(9-16)、(9-17)、(9-19)和(9-20)各式中可以看出，计算系数Kd及K?中未包括转数n，

d而Kn及K?则未包括直径D。这样，根据不同的设计条件便可以用表9-18中所列的系数来选

n择最佳的螺旋桨。

表 9-18

已 知 条 件 VA，D，T VA，n，T VA，D，PD 计 算 系 数 K?DVρA所 求 数 值 n，η0，P/D D，η0，P/D n，η0，P/D dT4Kn?VAnρTρVA Kd??DVAPDVA，n，PD ??KnVAnρV4A PDD，η0，P/D

为了设计上的方便，在KT?f?J?及KQ?f?J?图谱上还分别画出了Kd、Kn及K?、K?的

dn等值曲线，这些曲线的画法是十分简便的，例如：令Kd?JKT?C(C为某—指定常数)，则

J?CKT于是在KT?f?J?图上即可画出Kd＝C的抛物线。令Kd等于不同的常数(例：0.1，

?f?J0.2，0.3，?)，便得到图谱上的Kd＝常数的曲线簇。同理在K的曲线簇，在K?f?JT?图谱上可画出Kn=常数

Q?图谱上画出K?及K?的等值曲线。在KdnT?J图谱上将各Kd等值线上

效率最高的点连成光顺的曲线，便得到最佳的转速nopt曲线，将各Kn等值线上效率最高的点

连成光顺的曲线即得到最佳直径Dopt曲线(见图9-15)。类似地，在KQ-J图谱上也可得到Dopt及nopt曲线，如图9-16所示。

二、螺旋桨型式

该设计图谱系根据盘面比分别为0.5、0.8和1.1的3叶螺旋桨模型试验结果绘制的，采用公制单位。桨叶轮廓为对称型，纵斜角为0°。在梢部采用凹凸的弓型切面(或称月牙型切面)，压力面沿弦长具有相同的曲率，在叶根部分采用双凸的弓型切面，导缘上翘。这种切面具有较好的空泡性能，应用于高速船舶螺旋桨。对称型螺旋桨的模型伸张轮廓见图9-17。螺旋桨模型的尺度见表9-19。

表9-19 对称型螺旋桨几何尺度

x = r /R bD/AEA00.20 49.5 1.85 4.09 -1.1 0.30 58.0 1.25 3.630 0 0.4 65.2 0.60 3.180 0.7 0.50 71.2 --- 2.725 1.0 0.60 75.0 --- 2.270 1.0 0.70 75.5 --- 1.815 1.0 0.80 70.8 --- 1.360 1.0 0.90 57.7 --- 0.905 1.0 0.95 44.1 --- 0.680 1.0 1.00 --- --- 0.450 --- (%) h /D(%) t /D(%) t2 /b(%) 0.90.2AE= 1.1A0AE= 0.8A0R0AE= 0.5A0d= 0.165DR0= 0.586R桨模 D = 200 mm d = 33 mmx< 0.30.2dx> 0.3t1t0.2t1h0.2bt2t2b图 9-17

三、设计方法

应用K-J图谱设计螺旋桨与应用B-δ图谱设计螺旋桨的方法基本相同，唯两者计算系数不同。

在设计螺旋桨时先选择叶数，并约略估计所需的盘面比以决定所用的图谱，其次根据船

0.2t型估计伴流分数ω，推力减额分数t及伴流场不均匀性的诸影响系数i，i1和i2。然后根据提出的问题进行设计。

1．初步设计问题

(1) 已知船速V，阻力R(或有效马力PE)，根据选定的直径D求最佳转速n。计算可按表9-20的步骤进行。

表9-20中1 ~ 6项是为了计算系数Kd。第7~9项系根据Kd值在图谱的最佳效率曲线上查得。第12项即为要求的主机马力，第13项为其相应的最佳转速。由此可以选取主机。

(2) 已知船速V，阻力R(或有效马力PE)，根据选定的转速n，确定最佳直径D，螺旋桨要素及主机马力Ps。

计算步骤与表9-20类似，区别仅在于以计算系数Kn来代替Kd。按(9-17)式算出Kn，然后在KT-J图谱上找寻此Kn的等值曲线，此曲线与注明Dopt线的交点对应的螺旋桨即为所需求的最佳螺旋桨。由此点可查出效率η0、螺距比P/D及进速系数J，再由D = VA/J n算出最佳的直径D。采取表9-20中第11和12项同样的公式即可算出主机马力。

表 9-20 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 V （已知） VA = 0.515（1-ω）V PE（取自有效马力曲线，已知） TE = T = 145.6PEVTE符 号 或 计 算 式 单 位 kn m/s hp kgf kgf 数 值 1?1?t? iKd = VADρT J = f（Kd） （按Kd查图谱） P/D = f（Kd） （同上） η0 = f（Kd） （同上） ηH =1?t1?ω ηD =η0·ηH · i PS = PE/ηD·ηS n = VA /J D 2．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。设计是在假设几个航速的前提下进行。计算步骤如表9-21所示。

根据表9-21以V为横坐标可绘制Ps＝f(V)、η0＝f(V)、D＝f(V)和P/D = f(V)诸曲线，在Ps = f(V)曲线上找出与主机功率相等的点，该点所对应的航速即表示在设计条件下能达到的最大航速，并据此可得螺旋桨的诸要素。

表 9-21

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 符 号 或 计 算 式 V （假定） VA = 0.515（1-ω）V PE = f（V）（取自有效马力曲线） TE = T = 145.6PEV单 位 kn m/s hp kgf kgf rps hp m V1 VA1 PE1 TE1 T1 n Kn1 J1 (P/D)1 η01 ηH ηD1 PS1 D1 数 值 V2 VA2 PE2 TE2 T2 n Kn2 J2 (P/D)2 η02 ηH ηD2 PS2 D2 V3 VA3 PE3 TE3 T3 n Kn3 J3 (P/D)3 η03 ηH ηD3 PS3 D3 V4 VA4 PE4 TE4 T4 n Kn4 J4 (P/D)4 η04 ηH ηD4 PS4 D4 TE?1?t? i1n = N / 60（给定） Kn = VAn?4ρT J = f(Kn) （按Kn查图谱） P/D = f(Kn) （同上） η0 = f(Kn) （按Kn查图谱） ηH =1?t1?ω ηD =η0·ηH · i PS = PE /ηD·ηS D = VA/ n J 上面我们讨论了利用KT-J图谱解决螺旋桨设计中的两类问题，当然也可以用KQ-J图谱来达到相同的目的，因限于篇幅，不再赘述。

§ 9-4 螺旋桨设计时应考虑的若干问题

在前2节中，我们已经详细地介绍了螺旋桨设计图谱的建立及其具体应用，但未涉及到如何选定螺旋桨类型、叶数及展开面积比等问题，而这些参数在应用图谱之前是必须首先确定的。影响船舶推进性能的因素很多，而且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。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。下面简要讨论影响船舶推进性能的各种因素，以供设计时参考之用。

一、螺旋桨的数目

选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、振动、操纵性能及主机功率等各方面的因素，而这些因素之间常有矛盾现象，因此应根据各类船舶的不同特点来选取。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。

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

4

等均采用单桨，例如我国建造的万吨轮“风雷”、“风光”、“朝阳”、“岳阳”号，2.5×10t散

4

装货船“郑州”号、2.4×10t油轮“大庆6l号”等都是采用单桨。目前国外单螺旋桨也有高

44

达3.0×10~4.0×10轴马力者。因此，只要主机能力所允许，这类船舶都用单桨。

随着集装箱船的大型化、高速化，由于主机能力所限，船速超过25kn者一般采用多桨。从推进性能讲，以单桨最好，三桨次之，双桨最差。目前由于双桨船尾部形状的改进，其效率已有所提高。当采用多螺旋桨时，应注意合理布置各螺旋桨的位置。

客船要求速度快、振动小、操纵灵活，故多采用双桨(如长征号沿海客轮)。江船常受吃水限制，而且要求操纵灵敏，故也大多采用双螺旋桨(如申汉线大班客轮)。

军用舰艇则有装4个螺旋桨的，因为对于军用舰艇来说，作战时的快速性、机动性和生命力都是十分重要的，而且这样也可兼顾动力装置的使用寿命及各种使用工况下的经济性。

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、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3或4叶，高速军舰以3叶为宜。

下面就单桨商船螺旋桨叶数的选择问题作较为详细的介绍。

1. 根据造船统计资料选择螺旋桨叶数

根据过去大量造船资料的统计，大船螺旋桨的叶数选用情况如图9-18所示，小船螺旋桨的叶数如图9-19所示。由此可见大致的趋势。一般说来，在3叶至6叶之间选择。

主机马力（hp)3000020000 5叶- 6叶- 5叶- 4叶4~5叶10000 4叶123456789101112载重量（10kt)图 9-18

2.54叶3叶螺旋桨直径（m）3叶（高转速）2.01.53叶3叶~ 4叶1.0（800rpm）（2500）（1200）（2000）0.5102030405060100200300400500100020003000主机马力（hp）图 9-19

2. 螺旋桨叶数对推进性能的影响

有人曾做过叶数对推进性能影响的试验。在同样条件下，4、5、6叶螺旋桨的推进性能在实用上几乎没有什么差别，即在直径相同，螺旋桨载荷相同的条件下，叶数对于伴流分数，推力减额分数和相对旋转效率没有影响。从而问题归结为叶数对螺旋桨敞水效率的影响如何。图9-20为AU型AE/A0＝0.65的4、5、6叶螺旋桨敞水性能的比较，从图中可见，叶数的影响应视工作范围而定，叶数增加效率不一定下降，这就有可能考虑在肥大船上采用6叶螺旋桨。

3．综合考虑螺旋桨效率与空泡性能

增加叶数，为满足避免空泡要求需增大盘面比。一般来说，每增加一叶，盘面比约增加5～10%。

有人对一艘7万吨油轮的螺旋桨用AU图谱进行比较性计算，其结果列于表9-22。

150δδ00表9-22

Z =5.6= 4100叶 数 5 6 直 径 (m) 6.5 6.4 P/D 0.735 0.746 AE/A0 0.645 0.675 η0 0.492 0.493 重 量 (t) 24.90 24.67 50Z

计算结果表明：增加叶数，盘面比也随之增大，

0.7但效率并不下降。上述结论系根据AU桨的计算结果ηη0.6所得，不同类型的螺旋桨可能会有不同的结论。其原

Z = 6.40.5因可解释如下：不同切面形状最小阻升比所对应的切Z = 60.4Z = 4.5面厚度比往往并不一样，我们知道，决定螺旋桨性能

0.304812主要是0.7R处的切面。对于B型螺旋桨，0.7R处切

B面之最佳厚度比约为6.5%，而AU螺旋桨0.7R处切

图 9-20 面之最佳厚度比约为7.2%。故对不同类型螺旋桨在不

同叶数或不同展开面积比时的水动力性能，在很大程

度上取决于0.7R处切面的厚度比数值。表9-22的例子说明，6叶(AE/A0 = 0.675)桨0.7R处切面的厚度比5叶更接近最佳值。因此，在设计大船螺旋桨时，不妨多进行比较计算，不宜轻易下结论。

0.8Z = 500P4．螺旋桨叶数的选择与振动的关系

螺旋桨叶数的选择与振动关系较大。运转于不均匀流场中螺旋桨的激振力一般有二种：① 轴承力——作用在螺旋桨上的变化力通过轴系传递到船体的激振力； ② 表面力——螺旋桨运转时诱导的脉动压力场经过水传递至船体表面的激振力。一般说来，随着叶数的增加，螺旋桨诱导的压力有下降趋势。而轴承力则需根据螺旋桨盘面处伴流分布的谐调分析来考虑。近期对螺旋桨激振力的研究表明，螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，因此在图谱设计中，一般单桨商船多用4叶。但随着船舶的大型化，振动问题显得突出，有采用5叶甚至6叶的趋势。

此外，在选择叶数时应避免和船体或轴系发生共振，亦即避免叶频nz(转数与叶数的乘积)与轴系或船体的自然频率相等或相近。同时还应尽量避免主机气缸数、冲程数与叶数相等或恰为其整数倍。

三、螺旋桨的直径

一般说来，螺旋桨的直径越大，转速越低者效率越高，但直径受到船的吃水和尾框间隙所限制，而且直径过大时桨盘处的平均伴流减小，使船身效率下降，故对总的推进效率未必有利。实际上螺旋桨的直径多数是根据设计图谱来决定的。对于经常在压载情况下航行的船舶，宜采用直径较小的螺旋桨，以照顾压载时的效率和避免叶梢露出水面。从振动方面考虑，

螺旋桨与船体间的间隙不宜过小，否则可能引起严重振动。下面介绍螺旋桨与船体及各附件间之间隙的有关资料。

图9-21和图9-22可作为单螺旋桨船尾部布置的参考。

dcbbd 0.7Rced ' 0.7Ra(a)(b)图 9-21

(a) 小型船； (b) 超大型船

图9-21中的数据可由表9-23决定。

表 9-23

螺旋桨直径 小型船D＜2m 中型船2＜D＜5m 超大型船D＞5m a 0.05D以上 0.03~0.06D 0.03~0.06D b 0.12D以上 0.11~0.21D 0.11~0.21D c 0.12D以上 0.09~0.17D 0.09~0.17D d 0.15D以上 d’ e 0.18~0.26D 0.15~0.23D 100~200mm 0.24~0.32D 0.21~0.29D 0.04D

L、W、L

B、Lelf ( f ')b'acbl00.7D图 9-22

dDa图9-22中的数据范围如下：

aDbDbD?13?4 (%)，

(%)， D＜5.5m

(%)， D＞5.5m

?20?4 ?(2D?9)?4 式中，D以米计，

b'Db'DcDdD?18?4 (%)， D＜5.5m

(%)， D＞5.5m

?(2D?7)?4 ?14?4 (%)， (%)，

?3.5?1.5 e?100?50 ?mm?， D＜5.5m D＞5.5m (%)， 但不小于4%， (%)，

eDfDf'?2?1 (%)，

?(11?D)?1.5 D????4.5???0.5 D4??D????34???4 D2??D????23???3 D2??l0l(%)， (%)，

上述数据中，f表示尾轴管用螺钉安装，f ' 表示尾轴管采用焊接结构。

图9-23提供了单桨、双桨和三桨船间隙的有关数据，表9-24给出了相应的数值范围。

表9-24

间隙（以螺旋桨直径的倍数计） 船 舶 类 型 a 货船、拖船及其他低速船 快速船 0.06~0.10 0.10~0.12 b 0.18~0.22 0.18~0.25 c 0.10~0.20 0.14~0.22 d 0.04~0.05 ---- f 0.10 0.15~0.30

cb0.35DfcbD211d23ccaD纵中剖面ac图 9-23

1---横中剖面处肋骨线；2---边桨盘面处肋骨线；3---中线桨盘面处肋骨线

中国船级社2001年《钢质海船入级与建造规范》中也有相应规定，用图9-23中单桨船相同的符号，《规范》建议螺旋桨与尾柱、舵之间的最小间隙不小于下列数值：

b = 0.20D c = 0.14D d = 0.04D f = 0.12D

此外在长江钢船建造规范中，对单桨船、内河双桨船以及采用轴支架的单桨船的间隙也有详细规定，这里不再赘述。

如果图谱设计的螺旋桨最佳直径受到上述实际条件限制时，则必须重新进行设计，此即所谓限制直径的螺旋桨设计问题，可按表9-25的步骤进行。从表9-25中可见，因螺旋桨的限制直径D*小于图谱查得的最佳直径D(第8项)，故必须根据给定的D*重新计算δ*，由δ*和即可求出螺旋桨的要素和可达到的最大航速，螺旋桨的直径即为D*。

BP两等值线在图谱上得到交点并得出相应的效率及螺距比。最后可绘制类似于图9-9中的曲线，

表9-25

序号 1 2 3 4 V VA = V（1-ω） PD 名 称 单位 kn kn rpm V1 VA1 PD数 据 V2 VA2 V3 VA3 V4 VA4 PD PD PD N NVAPD2.5N N N N 5 BP? BP1 BP2 BP3 BP4 6 7 8 9 10 查BP δ （最佳值） D = VAδ/N D ﹡ ﹡BP1 BP2 BP3 BP4 δ1 D1 D ﹡δ2 D2 D ﹡δ3 D3 D ﹡δ4 D4 D ﹡BP- δ图谱 δ=N D / VA 由δ和第6项的﹡﹡ δ1 ﹡δ2 ﹡δ3 ﹡δ4 ﹡11 （例AU5-50） BP的交点在图谱上读出： 12 η0 P/D 13 PTE = PD·η0·ηH η01 η02 η03 η04 (P/D)1 (P/D)2 (P/D)3 (P/D)4 hp PTE1 PTE2 PTE3 PTE4 四、螺旋桨的转速

上面已经提到，螺旋桨转速低、直径大者效率较高，但在选择螺旋桨的转速时，除考虑

螺旋桨本身的效率外，尚需顾及主机的类型、重量、价格及机器效率。一般说来，两者的要求是矛盾的。对机器来说，转速越大效率越高，且机器的重量，尺寸都可减小。

在选择螺旋桨转速时，还应考虑船体的振动问题。往复式主机及螺旋桨在工作时均产生周期性的干扰力，往复机不平衡力变化的频率与转速n相同，螺旋桨因制造不当而引起的不平衡力之频率亦为n，因船后尾流场不均匀而引起之干扰力的频率则为nZ(转数与叶数的乘积)。船体振动一般可分为两类：① 当主机或某辅机在一定转速时，整个船体处于振动状态，这种影响整个船体结构的振动称为共振；② 船舶局部或某些装置处于振动状态称为局部振动。后者可以采取一些局部措施，如增设扶强材，支柱等措施来消除，而前者乃是危险状态，

应考虑避免。

二节点垂向振动频率是船上所有自然频率的最低者，它比目前经常遇到的螺旋桨转速范围低不了多少(一般单螺旋桨的每分钟转数大致在80至150之间)。实际上船舶是一种弹性结构，在低频振动时阻尼很低而动力扩大因素很大，在这种情况下，即使很小的干扰力在共振时也会引起很大的振幅。高频振动时阻尼增大，共振峰较低，且分布于较大的频率范围内，动力扩大因素较小，共振影响亦较缓和，故对一般船舶来说，避免最低频的振动是很重要的。因此在船舶设计时，应相当确切地决定船体自然频率，特别是二节点垂向振动频率N2V，螺旋桨转速N的选择应避开0.9N2V～1.1N2V，螺旋桨转速的选择一般均大于1.1N2V。这样，在机器启动与加速时，共振情况只出现在一段很短的时间内，不会引起严重的后果。

随着船舶尺度的增加，二节点垂向振动的频率一般有所下降，满载状态的N2V 低于轻载状态，表9-26中为我国3艘船舶的实测数据以供参考。

表9-26 二节点垂向振动频率

船 名 郑 州 长 风 东 风 状 态 满 载 轻 载 满 载 轻 载 满 载 轻 载 L (m) 172 162 147.2 B (m) 23.2 22.3 20.2 H (m) 14.2 13.2 12.4 Δ (t) 32,600 17,500 28,000 15,100 17,182 8,340 60N2V (Hz) 54 65 67 92 71 88 五、桨叶外形和叶切面形状

一般认为：桨叶外形轮廓对螺旋桨性能的影响很小，其展开轮廓近于椭圆形者为良好的叶形。对于具有侧斜的桨叶，各半径处叶切面弦长也应大致按椭圆规律变化为佳。

螺旋桨最常用的叶切面形状有弓型(或称圆背形)和机翼型两种。弓型切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载荷时其效率较机翼型者约低3～4%。若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分布较均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商船螺旋桨采用机翼型切面。军舰螺旋桨及其他高载荷螺旋桨都用宽而薄的弓型切面。

用图谱方法设计螺旋桨时，桨叶外形和切面形状一般均按所选用的螺旋桨系列资料确定。实际螺旋桨常具有一定的后倾角，其目的在于增加与船体的间隙，对避免振动有利。实践证明，后倾对于螺旋桨的性能没有什么影响，设计者可根据船尾线型及尾框架的具体情况确定适宜的后倾角。

§ 9-5 螺旋桨图谱设计举例

本节主要结合设计实例综合应用上面所学过的知识，使读者了解螺旋桨的设计步骤以及一份完整的螺旋桨设计计算书大体包括那些内容。

1. 已知船体的主要参数

船型：单桨、球首、球尾、流线型挂舵、中机型多用途远洋货船。

设计水线长 LWL = 144.20m 垂线间长 LPP = 140.00m 型宽 B?21.80m 型深 H?12.50m 设计吃水 d?8.90m 方形系数 CB = 0.743m 排水量 Δ?20,800t 桨轴中心距基线 ZP = 2.95m 由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下：

航 速 V（kn） 满 载 有效马力PE（hp） 压 载 110%满载 12 2,036 1,779 2,239 13 2,655 2,351 2,921 14 3,406 3,007 3,747 15 4,368 3,642 4,805 16 5,533 4,369 6,086 17 7,017 5,236 7,719

2. 主机参数

型号 苏尔士6RLB56柴油机一台 最大持续功率 8,460hp 转速 155rpm 旋向 右 旋

3. 推进因子的决定

据型船资料选取伴流分数 ω?0.35 按经验公式决定推力减额分数 t?0.6ω?0.21 取相对旋转效率 船身效率

ηH?1?t1?ωηR?1.0

?1.21544. 可以达到最大航速的计算

采用MAU 4叶桨图谱进行计算。

取功率储备10%，轴系效率ηs= 0.97，螺旋桨敞水收到马力：

PD = 8,460×0.9× ηS× ηR = 8,460×0.9×0.97×1.0 = 7,385.58 hp

根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的

BP?δ图谱列表计算：

项 目 假定航速V VA = V（1-ω） BP = NPD/VA BP 0.52.5单 位 kn kn 13 8.45 64.177 8.011 90.0 0.600 0.503 4,517 88.9 0.637 0.485 4,354 87.7 0.648 0.470 4219 数 值 14 9.10 53.324 7.302 83.5 0.618 0.527 4,730 81.8 0.659 0.510 4,578 81.1 0.670 0.492 4421 15 9.75 44.876 6.699 77.8 0.635 0.550 4,941 76.2 0.677 0.533 4,784 75.3 0.694 0.514 4614 16 10.4 38.189 6.179 72.7 0.654 0.572 5,134 71.2 0.697 0.556 4,986 70.3 0.713 0.534 4793 δ MAU 4-40 P/D η0 PTE = PDηH·η0 δ MAU 4-55 P/D η0 PTE = PDηH·η0 δ MAU 4-70 P/D η0 PTE = PDηH·η0 hp hp hp 据上表中的计算结果可绘制PTE、δ、P/D及η0对V的曲线，如图9-24所示。

7000η00.6

PE6000P0.7D0.5MAU4-4054-54-70η0.604-704-55

5000PDMAU4-404-554-70MAU4-40δ400090PTE

300080MAU4-4-704-45502000701213141516δ17V(kn)图 9-24

从PTE –f(V)曲线与船体满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D、D、η0如下表所列。

MAU 4-40 4-55 4-70 Vmax 15.62 15.48 15.28 P/D 0.647 0.686 0.698 δ 74.6 73.6 73.8 D 4.886 4.778 4.792 η0 0.564 0.544 0.519 5. 空泡校核

按柏利尔空泡限界线中商船上限线，计算不发生空泡之最小展开面积比。 桨轴沉深

h ?d?Z?8.9?2.95?5.95m

tp

p0?pv?pa?γ hs?pv?10,330?1,025?5.95?174?16,255 kgf /m2

2

2

计算温度 t = 15℃，pv = 174 kgf/m，PD = 7,385.58hp，ρ = 104.63 kgf·s/m 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 项 目 Vmax VA = 0.5144 Vmax (1-ω) (0.7πN D/60) V0.7R?VA+ (3) 224

单 位 kn m/s (m/s) 2数 值 MAU4-40 15.62 5.223 770.64 797.9 0.389 0.162 59818 8.855 9.637 0.514 MAU4-55 15.48 5.176 736.74 763.53 0.407 0.164 58218 8.887 9.767 0.545 MAU4-70 15.28 5.109 721.76 747.87 0.416 0.169 56324 8.518 9.391 0.535 2(m/s) 22ζ=( p0- pv)/12ρV0.7R kgf m m 22 τc (查图7-20) T = PD·η0·75 /VA AP =T/12ρV0.7R?τc 2AE = AP/(1.067 - 0.229P/D) AE/A0 = AE /π4D 2 据上述计算结果作图9-25，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的最佳螺旋桨要素。

AE/A0?0.544，P/D?0.684，D?4.78m，η0?0.545，Vmax?15.48kn。

V (kn)15.60.70P/D0.6815.4的）0.660.64AE /A00.580.555.0D0.584.84.6η0.560.540.52ηAE /A0= 0.5440.40.55AE /A00.70图 9-25

6. 强度校核

按2001年《规范》校核t0.25R及t0.6R，应不小于按下式计算之值：

t?YK?X，Y?1.36A1NZbnee，X?A2GAdND101023Zb计算功率Ne?8,460?0.97?8,206.2Ad?AE/A0?0.544，P/D?0.684hp

，ε?8，G??7.6gf/cm，N3

D(m)0.52）求的要（A0AE /AE /A15.20（给定

P/D?155rpm

b0.66R?0.226D?AE/A0/0.1Z?0.226?4.78?0.544/0.4=1.4692m

b0.25R?0.7212 b0.66R?1.0596b0.6R?0.9911 b0.66R?1.4561m m

mm连直线决定：

实际桨叶厚度按t1.0R?0.0035D?16.73mm与t0.25R?188.2t0.2 = 199.6 mm，t0.3 = 176.8 mm， t0.4 = 153.9 mm，t0.5 = 131mm， t0.6 = 108.2 mm，t0.7 = 85.3 mm， t0.8 = 62.4 mm， t0.9 = 39.6 mm。

项 目 弦 长b K1 K2 K3 K4 A1 = (D/P)(K1-K2D/P0.7)+K3D/P0.7-K4 Y = A1Ne/Z b N K5 K6 K7 K8 A2 = (D/P)(K5 + K6ε)+ K7ε+ K8 材料系数K（铝镍青铜） X = A2 G Ad N D /10Z b t = [ Y/(K-X )] MAU标准桨叶厚度t′ 校核结果 实取桨叶厚度 0.52310单 位 m 数 值 0.25R 1.0596 634 250 1410 4 2,450 30,603.7 82 34 41 380 1,225 1.179 0.3137 188.063 183 不满足要求 188.2 0.6R 1.4561 207 151 635 34 874.25 7,946.85 23 12 65 330 1,024 1.179 0.1907 89.67 104.2 满足要求 108.2 查表8-2 查表8-2 mm mm mm 7. 螺距修正

根据尾轴直径大小，决定毂径比dh/D = 0.18，此值与MAU桨标准毂径比相同，故对此项螺距无需修正。

由于实际桨叶厚度大于MAU桨标准厚度,故需因厚度差异进行螺距修正。

设计桨 标准桨

0.0853?t???0.05827 ??b0.9964?1.4692??0.7R0.0171?D?t???0.05522 ??0.9964?0.31075?D?b?0.7R (取MAU4-55为基准桨) V?1?ω? V?30.8660.65?15.48?30.8661?s????0.6128

ANPNP155?3.2695??t?0.55??t??t?Δ????????????0.75?0.00183bb0.544?b?0.7????0.7设0.7标??

t?P??P?Δ???? 2???1?s?Δ()0.7Rb?D?t?D?0 ?? 2?0.684?0.6128?0.00183?? 0.001534

修正后的螺距比：

PD?(PD)0?Δ(PD)t?0.684?0.001534?0.6825

8. 重量及惯性矩计算

根据MAU桨切面的面积数据用积分方法计算得：

桨叶重量 Gb = 5,532.75 kgf 桨毂重量 Gh = 2,874 kgf 螺旋桨总重 G = 8,406.75 kgf

2

桨叶惯性矩 Ib = 89,453.4 kgf·cm·s

2

桨毂惯性矩 Ib = 8,440 kgf·cm·s

2

螺旋桨总惯性矩 I = 97,893.4 kgf·cm·s

9. 敞水性征曲线之确定

由MAU4-40，MAU4-55，P/D = 0.6825的敞水性征曲线内插得到MAU4-54.4，P/D =

0.6825的敞水性征曲线(图9-26)其数据如下：

0.3 10K0.2K

0.1

0.20.81.00.40.6J

图 9-26

KT ,10KQQTJ KT KQ 0 0.295 0.0321 0.1 0.267 0.0298 0.2 0.2388 0.0268 0.3 0.204 0.0238 0.4 0.1677 0.0203 0.5 0.127 0.0164 0.6 0.0849 0.0124 0.7 0.0398 0.0083 10. 系柱特性计算

由图9-26得J = 0时，K计算功率PDT?0.295，KQ?0.0321。

?8,460?0.97?8,206.2hp，

系柱推力减额分数取t主机转矩 系柱推力 车叶转速

Q?0?0.04，

?8,206.2?60?752π ?155?37,917.794.78PD?60?752πNKTKQ?QD?TρDK4T?37,917.79 kgf·m

T?0.2950.0321?72,900 kgf

N?60?127.6 rpm

11. 航行特性计算

取转速为155rpm，145rpm，135rpm进行计算：

项 目 V VA = 0.5144 V (1-ω) J = VA / n D KT N =155 rpm KQ PTE = KTρnD (1- t)V/145.6 PS = KQ2πnρnD /75ηSηR J = VA / n D KT N =145 rpm KQ PTE = KTρnD (1- t)V/145.6 PS = KQ2πnρnD /75ηSηR J = VA / n D KT N =135 rpm KQ PTE = KTρnD (1- t)V/145.6 PS = KQ2πnρnD /75ηSηR 252425242524单位 kn m/s hp hp hp hp hp hp 13 4.3467 0.352 0.185 0.0219 4,756 8,514 0.376 0.176 0.0211 3,972 6,715 0.404 0.165 0.0202 3,218 5,176 14 4.681 0.379 0.175 0.021 4,846 8,164 0.405 0.165 0.0201 3,998 6,397 0.435 0.153 0.019 3,214 4,880 数 值 15 5.0154 0.406 0.165 0.0201 4,895 7,814 0.434 0.153 0.019 3,972 6,047 0.466 0.14 0.018 3,151 4,572 16 5.349 0.433 0.154 0.019 4,873 7,386 0.463 0.1415 0.0179 3,919 5,697 0.497 0.128 0.0165 3,073 4,238 17 5.684 0.460 0.143 0.018 4,808 6,998 0.492 0.13 0.0168 3,825 5,347 0.528 0.114 0.0153 2,908 3,930 将上述结果绘成图9-27。

由图中可求得压载航行时可达最大航速约为V =16.6 kn，主机马力为7,150 hp。 110%超载航行时可达最大航速约为V＝15.10 kn，主机马力为7,800 hp。

满载航行，N = 155 rpm时，可达最大航速约为V=15.45kn，主机马力为7,620 hp，与设计要求基本一致。

满

PS(hp)PE(hp)载6000满载0P0011压载N = 155 rpm4000145 rpm3000135 rpm1314151617 15000pm35 rV (kn)1456000 rpm

7000 1N =55 rpm8000满载压载110%满载图 9-27

12．螺旋桨计算总结

螺旋桨直径 D = 4.78m 螺距比 P/D = 0.6825 型 式 MAU 叶 数 Z = 4 盘面比 AE/A0 = 0.544 纵倾角 ε = 8° 螺旋桨效率 η0 = 0.545 设计航速 Vmax = 15.48 kn 毂径比 dh/D = 0.18 旋 向 右 旋 材 料 铝镍青铜 重 量 8,406.75 kgf

2

惯性矩 97,893.4 kgf·cm·s

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