船用螺旋槳的設計關鍵分析

1.螺旋槳

民用船使用的圖譜槳，一般以荷蘭的B型槳和日本的AU槳為主。AU槳為等螺距槳、葉切面為機翼型；B型槳根部葉切面為機翼型、梢部為弓形，除四葉槳0.6R至葉根處為線性變螺距外，其余均為等螺距，槳葉有15°的后傾。為便于設計方便，由．KT、KQ——J敞水性征曲線圖轉換為BP一δ圖譜。

槳與船體各自在水中運動時，都會形成一個水流場。水流場與槳的敞水工作性能和船的阻力性能密切相關。當槳在船后運動時，2個原本獨立的水流場必然會相互作用、相互影響。船體對螺旋槳的影響體現在2個方面：（1）伴流。由于船尾部螺旋槳槳盤處因水的粘性等因素作用，形成一股向前方向的伴流，使得螺旋槳的進速小于船速。（2）伴流的不均勻性。船后槳在整個槳盤面上的進速不等(在實用上可取相對旋轉效率為1)。

2.螺旋槳對船體的影響

由于螺旋槳對水流的抽吸作用，造成槳盤處的水流加速，由伯努利定律可知，同一根流線上，水質點速度加快，必然會導致壓力下降，從而造成船的粘壓阻力增加。也就是槳產生的推一部分用于克服船體產生的附加阻力。

如果用伴流分數ω表征伴流與船速的比值，用推力減額t表征船體附加阻力與船體自身阻力的比值。那么，敞水槳與船后槳的差別就在于一個船身效率(1一t)／(1一ω)從中可以看出，伴流分數ω越大、推力減額t越小，則船身效率越高。

從螺旋槳圖譜可以看出，橫坐標的參數為√BP或BP。BP稱為收到功率系數(或稱為載荷系數)，其值為：BP=NPD0.5 /VA2.5式中：N為螺旋槳轉速；PD為螺旋槳敞水收到功率；VA為螺旋槳進速。

BP值越小，對應的螺旋槳敞水效率越高；反之，則螺旋槳效率越低。從個體因素來講，N值和PD0.5 /VA2.5值越小，BP值就越小。PD和VA參數有聯動關系，在相對低速的范圍內，PD值變大、BP值變??；在相對高速的范圍內，PD值變大、BP值也變大。這取決于船的阻力特性。

實際船螺旋槳設計時，還要考慮以下的先決條件：螺旋槳直徑有無限制、船舶航速的具體要求。

一般情況下，螺旋槳設計工況都對應船舶滿載航行的狀態，在該航行狀態下，主機發出預定功率、螺旋槳效率達到最佳，船、機、槳匹配理想。但如果設計參數選擇不當，就會造成螺旋槳產生“輕載”或“重載”的現象，“輕載”是指螺旋槳達到設計轉速后，不能充分吸收主機的轉矩，主機發不出預定功率；“重載”是指螺旋槳還未達到設計轉速時，主機轉矩已達到最大值，主機同樣發不出預定功率。

螺旋槳設計產生“輕載”還是“重載”現象，主要取決于2個方面：(1)伴流分數ω、推力減額t取值是否正確。(2)船舶阻力計算的誤差。

如選取的伴流分數ω大于船后實際值，則螺旋槳不能吸收預定的功率和發出要求的推力，從而無法達到預定的航速，螺旋槳處于“輕載”狀態；反之螺旋槳處于“重載”狀態。

如選取的推力減額t大于實際值，該情況類似于船舶輕載航行，螺旋槳達到額定轉速后，不能吸收主機額定轉矩，螺旋槳處于“輕載”狀態；反之，螺旋槳處于“重載”狀態。

船舶的阻力大小，與船舶的尺度、線型等因素關系很大，同樣一艘船，采用不同公式計算，阻力值可能有很大的區別。如阻力計算值大于實船阻力，則實船試航時，航速會大于預估速度，螺旋槳卻處于“輕載”狀態；反之，螺旋槳處于“重載”狀態。

在槳的設計中，由于各參數的理論取值與實際值必然會有綜合性的誤差，螺旋槳不可避免地會產生“輕載”、“重載”現象。不論螺旋槳是“輕載”還是“重載”，都不能充分利用主機功率。相比較而言，螺旋槳“重載”時，主機工作在超負荷惡劣環境下，影響其使用壽命。

一般船舶在使用中都會有壓載(空載)航行、滿載航行、超載(船底積污或風浪原因)航行狀態。對應船舶滿載航行工況設計的螺旋槳，在超載航行時，就會“重載”。同時考慮到主機因老化、磨損等原因，發出的額定功率也會逐漸降低。為了保證有一定的避免“重載”的安全裕度，需要有一個功率儲備。作者根據自己的設計經驗體會，在100%額定轉速時，考慮功率儲備后的設計功率推薦如下值：對于海船，85%～90%主機功孰對于內河船，90%～95%主機功率。

如主機為高增壓、大功率機型，功率儲備取下限值，相對而言，該種機型的外特性曲線與推進特性曲線之間的間隙(潛在功率)小于常規機型。
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