船用螺旋槳的設(shè)計(jì)方法介紹

隨著造船工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代船舶的大型化、高速化，對(duì)船舶螺旋槳的性能要求也越來越高。螺旋槳工作在非均勻流場(chǎng)中，由于流場(chǎng)的非均勻性，螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，往往難以避免槳葉上出現(xiàn)空泡現(xiàn)象，從而引起船尾的劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致螺旋槳空泡剝蝕，引發(fā)噪聲等有害影響。因而，螺旋槳在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮并兼顧槳葉效率、空泡、振動(dòng)和剝蝕等多種性能要求。

常規(guī)螺旋槳設(shè)計(jì)方法

常規(guī)圖譜設(shè)計(jì)方法是根據(jù)螺旋槳敞水系列模型試驗(yàn)結(jié)果繪制成的專用圖譜進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。按照?qǐng)D譜法設(shè)計(jì)螺旋槳，是根據(jù)給定條件在圖譜所提供的螺旋槳資料范圍內(nèi)選擇最適宜的方案。該方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于一些典型的船舶螺旋槳設(shè)計(jì)可較為準(zhǔn)確和迅速地獲得理想的方案，曾對(duì)螺旋槳的設(shè)計(jì)起過重要作用。直至今天，對(duì)常規(guī)船而言，該方法仍不失為一種簡(jiǎn)單可靠的方法。然而，圖譜設(shè)計(jì)方法存在很多缺點(diǎn)，該方法不僅需通過大量的試驗(yàn)繪制圖譜，耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。更重要的是圖譜設(shè)計(jì)螺旋槳，受到圖譜相關(guān)系列螺旋槳幾何參數(shù)局限性的影響，不可能對(duì)槳葉諸多幾何參數(shù)做出選擇，設(shè)計(jì)出適合特定船舶和主機(jī)性能的高質(zhì)量的螺旋槳。

螺旋槳理論設(shè)計(jì)方法

理論設(shè)計(jì)方法是根據(jù)環(huán)流理論以及各種槳葉切面的試驗(yàn)或理論數(shù)據(jù)進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)的方法。螺旋槳誘導(dǎo)的船體振動(dòng)、螺旋槳噪聲、螺旋槳空泡和效率等問題一直是人們普遍關(guān)注的問題。因此，為了不同的使用目的，各種不同槳葉形狀和槳葉剖面形狀的螺旋槳廣泛應(yīng)用于實(shí)船。例如，為了減少船尾振動(dòng)而采用大側(cè)斜螺旋槳，為了提高螺旋槳效率而采用理論方法設(shè)計(jì)最佳螺旋槳等。近幾年來，民用高速船不斷地投入使用，高速船螺旋槳的設(shè)計(jì)必須兼顧效率、空泡、振動(dòng)、剝蝕等多種性能要求，常規(guī)的螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)方法已無法兼顧這些性能要求，因而理論方法設(shè)計(jì)螺旋槳逐步成為高速船螺旋槳設(shè)計(jì)的主流。

最早的升力線理論是應(yīng)用Goldstein因子及正交條件進(jìn)行處理，該方法僅在特殊條件下成立，在一般情況下，只能將其當(dāng)作是工程上的近似方法。Lerbs于1952 年提出的誘導(dǎo)因子法，從理論上解決了升力線理論求解螺旋槳性能計(jì)算問題和任意環(huán)量分布下的設(shè)計(jì)問題，并且適用于軸對(duì)稱伴流場(chǎng)中求解螺旋槳的正逆問題。1968 年Morgan 等按規(guī)定的螺旋槳系列幾何形式和環(huán)量分布形式，計(jì)算了該系列螺旋槳的升力面修正因子。但是，螺旋槳葉葉片是一個(gè)扭曲的小展弦比機(jī)翼，在升力線理論中把槳葉負(fù)荷集中在一根升力線上，沒有考慮弦向影響。只是在考慮了誘導(dǎo)速度后借用二維翼剖面特性來處理問題，不是從滿足物面邊界條件出發(fā)，因此算出的螺旋槳總推力、轉(zhuǎn)矩和效率是正確的，而葉片的幾何形狀卻是近似的，特別是槳葉越寬誤差就越大。為此用升力面修正的方法對(duì)拱度及攻角進(jìn)行修正。 

上世紀(jì)五六十年代，美國(guó)MIT 的Kerwin對(duì)基于機(jī)翼理論中的Falker 思想的離散化渦格法做了進(jìn)一步發(fā)展，其方法考慮了槳葉厚度影響，使之適用于有縱斜和大側(cè)斜變螺距的螺旋槳。該方法用升力線理論結(jié)果，避免了求誘導(dǎo)速度計(jì)算中無限積分而大大減少了工作量，而且，附著渦的分布形式可任意選擇，并可求出整個(gè)拱弧線的形狀和攻角。現(xiàn)在升力面理論方法已日益成為船用螺旋槳理論分析的一個(gè)非常有效的工具。
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