螺旋槳切割直徑法在高速艇中的應(yīng)用

楊 帥 許 晟 朱志潔 李慧敏

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064 2海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢430033

螺旋槳切割直徑法在高速艇中的應(yīng)用

楊 帥1許 晟1朱志潔2李慧敏1

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064 2海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢430033

針對某高速艇在試航過程中出現(xiàn)的船舶主機負荷過重及轉(zhuǎn)速達不到要求的問題，分析其原因，并對螺旋槳切割直徑法的兩種理論計算方法和一種經(jīng)驗公式估算法的應(yīng)用進行探討。切割直徑計算方法以實測軸功率為計算依據(jù)，采用檢查圖譜確定切割量，同時采用經(jīng)驗公式確定切割量并進行比較。通過對切割螺旋槳后的實船試驗結(jié)果與理論計算和經(jīng)驗公式估算的對比，得出對于高速艇螺旋槳切割量的計算，采用檢查圖譜理論計算的準(zhǔn)確程度要比經(jīng)驗公式估算法高。

螺旋槳；切割直徑；高速艇

1 引言

在高速艇的設(shè)計與制造過程中，由于螺旋槳“過重”而導(dǎo)致艇性能下降甚至是不能達到設(shè)計要求的現(xiàn)象時有發(fā)生［1］。造成螺旋槳“過重”的因素很多，依據(jù)新舊船舶的分類并進行歸納，可得出兩方面的原因：對新船而言，實際船體的流體阻力大于理論估算值、螺旋槳設(shè)計誤差過大或主機功率儲備不足、螺旋槳制造誤差太大、測速時環(huán)境條件不滿足要求以及主機外特性與指標(biāo)不符等，都是引起新建造船舶螺旋槳“過重”的主要因素；對舊船而言，船舶投入運營后，由于污底等原因，使船體航行時阻力增加，以及主機因長期運轉(zhuǎn)和機件加劇磨損難以產(chǎn)生足額的功率，從而造成螺旋槳負荷加重，轉(zhuǎn)速下降?？傊?，當(dāng)主機發(fā)出的功率小于螺旋槳推進所需的吸收功率 （即槳—機功率不平衡）時［2］，就會發(fā)生螺旋槳“過重”的現(xiàn)象，影響船舶性能。

在實船建造中，在主機安裝已成定局的情況下，若發(fā)生螺旋槳“過重”現(xiàn)象，一般采用直接切割槳葉的方法予以解決［3］。通常情況下，對于中低速船舶，采用切割槳葉隨邊的方法。而高速艇由于其螺旋槳的盤面比越大，切割直徑后能更有效避免空泡危害，因此，對高速艇多采用切割螺旋槳直徑的方法。本文以某型邊防高速艇為例，闡述了在出現(xiàn)螺旋槳“過重”現(xiàn)象后對實艇螺旋槳進行切割的計算方法和步驟，并將切割后的實船試驗結(jié)果與理論計算和經(jīng)驗公式估算進行了對比分析，對切割效果加以驗證。

2 確定直徑切割量的計算方法

對螺旋槳因采用切割直徑的方法來解決 “過重”現(xiàn)象而導(dǎo)致的性能缺陷，首先需確定直徑切割量。直徑切割量的計算方法是以高速艇螺旋槳計算方法為基礎(chǔ)，通過計算檢查圖譜來確定。根據(jù)計算依據(jù)的不同，可以分為兩種計算方法，但都需要以軸功率的測試作為基礎(chǔ)。

2.1 以實艇阻力為依據(jù)

該方法是假定用船模試驗結(jié)果換算得到的實艇阻力是正確的，若實艇有多個螺旋槳，則每個螺旋槳平均分?jǐn)傋枇?。在已知主機轉(zhuǎn)速ng（r／s）、相應(yīng)航速Vs（m／s）、主機功率Ne（kW）、實船阻力R（kg）和螺旋槳直徑D（mm）等要素后［4］，確定螺旋槳切割量的計算步驟如下。

1）根據(jù)實測航速和軸功率對計算槳的推力和效率進行修正。

（1）計算軸轉(zhuǎn)速n：

式中，ip為齒輪箱減速比。

（2）計算進速系數(shù)J：

式中，νp＝0.514 4（1－ω）νs，ω為伴流系數(shù)。

（3）計算實艇螺旋槳效率ηP*：

式中，ηB為軸系與齒輪箱效率；ηH為船身效率。

（4）效率修正系數(shù)φη：

式中，ηP為螺旋槳敞水效率（根據(jù)螺旋槳主要要素查螺旋槳作用曲線得出）。

（5）推進修正系數(shù)φT：

式中，KT為推力系數(shù) （根據(jù)螺旋槳主要要素查螺旋槳敞水性征曲線得出）；ρ為試航水域水密度。

2）計算切割至不同直徑后的螺旋槳作用曲線。根據(jù)切割后的槳的尺度來計算盤面比、螺距比和相關(guān)其他參數(shù)，然后依據(jù)這些參數(shù)計算得到切割后槳的作用曲線。

3）計算切割至不同直徑下設(shè)計轉(zhuǎn)速的檢查圖譜。先通過推力、阻力平衡得到所需的功率，然后再根據(jù)此功率是否在主機限制特性曲線范圍內(nèi)來確定達到設(shè)計轉(zhuǎn)速的螺旋槳直徑和相應(yīng)航速。

2.2 以螺旋槳作用曲線的效率為依據(jù)

該方法是假定螺旋槳作用曲線的效率是正確的。

1）計算實艇阻力R*。由實艇試驗測得的航速Vs（kn）和軸功率計算：

2）按螺旋槳作用曲線中推力系數(shù)KT計算的阻力理論值R：

3）計算推力系數(shù)修正系數(shù)φT：

4）在不同直徑下，計算達到要求轉(zhuǎn)速下的不同航速螺旋槳能提供的推力以及所需的主機功率。

5）依據(jù)以上第3）、4）條的計算結(jié)果繪制出不同直徑下的航速—推力，航速—阻力及航速—功率曲線，從中可以找到推力和阻力的平衡點，同時查得所需要的主機功率，從而確定直徑切割量。

在不少文獻中，還提到了一種統(tǒng)計回歸計算方法。根據(jù)文獻［5］，螺旋槳被切割直徑后，其轉(zhuǎn)速的變化可用下式計算：

式中，N為原螺旋槳轉(zhuǎn)速，r／min；ΔN為螺旋槳切割直徑后的轉(zhuǎn)速增量，r／min；D為原螺旋槳直徑，mm；ΔD為螺旋槳直徑切割量，mm。

依據(jù)需要提高轉(zhuǎn)速的需求，通過式（9）就可以估算出螺旋槳直徑切割量。

根據(jù)文獻得到螺旋槳的切割直徑后，船舶航速的變化可用下式計算：

式中，V為原船航速，kn；ΔV為螺旋槳切割直徑后航速的降低量，kn。

此回歸公式是采用低速船舶進行的回歸，但對高速船是否同樣適用還有待驗證。

3 實船螺旋槳切割計算

本文是以一艘新艇的螺旋槳為對象進行的研究。該艇屬排水量艇與滑行艇之間的過渡型高速艇［6］，由4臺高速柴油機帶動4個寬葉面五葉平凸型截面螺旋槳。設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳直徑D為820 mm，螺距比P／D為1.07，盤面比Ae／A0為1.05。

在實船試航中，該艇屢次出現(xiàn)左舷兩臺主機不能達到主機額定轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，且軸功率測試顯示兩臺主機均處于超負荷運行狀態(tài)。從流體動力學(xué)的理論上分析［7］，船舶設(shè)計屬左右對稱，并且在試航中船舶的航態(tài)也無異常，其左右螺旋槳處于完全一樣的流場中，其敞水性能也應(yīng)是一致的［8］，因此，初步判定問題出在螺旋槳上。經(jīng)查，發(fā)現(xiàn)左舷兩螺旋槳的制造誤差較大，出現(xiàn)了局部螺距偏大的情況。

為改善主機的運行工況，決定采用切割螺旋槳的方法來提高其性能指標(biāo)，但由于該艇還未交付使用，因此在切割的同時還需保證其航速指標(biāo)不受影響。

切割前的試航狀況：主機標(biāo)定最高轉(zhuǎn)速為2 265 r／min（110%功率工況），右舷內(nèi)、外機的轉(zhuǎn)速分別為2 265 r／min和2 251 r／min，左舷內(nèi)、外機的轉(zhuǎn)速分別為2 207 r／min和2 178 r／min，最大航速25.1 kn。

本文主要采用第1種方法進行切割方案計算，然后用第2種方法和回歸公式校驗。由于左舷內(nèi)、外側(cè)槳在轉(zhuǎn)速上存在差異，從理論上講，應(yīng)對內(nèi)、外槳分別進行計算，然后根據(jù)各自的特性確定不同的切割量，但為操作方便，選取了同樣的切割方案（因為對于多槳船來說，各軸之間的轉(zhuǎn)速稍有差異是常見的），并將轉(zhuǎn)速達到2 250 r／min作為計算目標(biāo)，同時還將左舷內(nèi)、外槳的功率進行了平均以作為計算依據(jù)。計算后得到的檢查圖譜如圖1所示。

圖1 切割至不同半徑處的檢查圖譜Fig.1 Checking drawing after cutting propeller to different

通過以上方法得到平衡點的航速為24.8 kn，盡管比原試航航速低了0.3 kn，但仍滿足該艇的設(shè)計航速要求，切割量依據(jù)檢查圖譜直徑計算得到切割后的直徑應(yīng)為774 mm，轉(zhuǎn)速為2 250 r／min。

采用第2種方法計算得到切割后的直徑為774 mm時，航速可達 24.84 kn，轉(zhuǎn)速為 2 260 r／min。

采用回歸公式計算切割量ΔD為46 mm時，切割后的航速為25.07 kn，轉(zhuǎn)速為2 270 r／min。

4 實船試驗結(jié)果

為準(zhǔn)確判斷切割螺旋槳方案的效果，本文在相同條件下進行了割槳后的快速性試驗。試航結(jié)果顯示，在最高轉(zhuǎn)速情況下，該艇的航速為24.83 kn，左舷內(nèi)、外機的轉(zhuǎn)速分別為2 263 r／min和2 248 r／min，右舷內(nèi)、外機的轉(zhuǎn)速分別為 2 266 r／min和2 267 r／min，與計算結(jié)果相比吻合較好。

從本文的實槳切割效果可看出，對于高速艇，切割螺旋槳直徑采用所擬就的檢查圖譜，其計算方法準(zhǔn)確度較高。統(tǒng)計回歸計算法雖然相對較簡單、快捷，但誤差較大。因此，對于高速艇來說，采用計算檢查圖譜的方法來確定切割方法比較可靠、精確。

［1］王國強，盛振邦.船舶推進［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1985.

［2］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［3］陳朝輝，劉艷，周力.螺旋槳隨邊切割的試驗研究和理論計算［J］.船海工程，2010，39（3）：18－21.

［4］李潔雅，余靈，羊少剛，等.螺旋槳切邊技術(shù)對改善船、機、槳匹配的影響［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1996，24（9）：143－148.

［5］王瑞宣，宮斌.螺旋槳切削葉梢與切削隨邊的利弊分析［J］.青島遠洋船員學(xué)院學(xué)報，2003，24（2）：35－37.

［6］趙連恩，韓端峰.高性能船水動力原理與設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

［7］ISAY W H.Propeller theorie hydrodynamics problem［M］.Berlin：Sprinrer-Verlag，1964.

［8］BRESLIN J.Hydrodynamics of ship propellers［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1994.

Application of Incising Propeller Diameter in High Speed Boat

Yang Shuai1Xu Sheng1Zhu Zhi－jie2Li Hui－min1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 College of Naval Architecture and Powwer，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

The reason of engine＇s overbalance and dissatisfied rotary speed was analyzed in this paper.Two theoretical methods and an empirical formula of incising propellers＇diameter were introduced to solve the problems.Calculation was based on measured shaft power，and the amount of incising was determined by charts check method.The test results of high ship boat were compared with that obtained from empirical formula and theoretical methods，and the results show that charts check method is more accurate than empirical formula.

propeller；diameter diminishing；high speed boat

U661.43

：A

：1673－3185（2011）04－61－03

2010-07-24

楊 帥（1979－），女，工學(xué)碩士，工程師。研究方向：船舶總體性能設(shè)計。E-mail：wh701＠public.wh.hb.cn

許 晟（1973－），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶總體性能設(shè)計

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.012