36.8m雙甲板冷凍拖網(wǎng)漁船螺旋槳設(shè)計(jì)

劉彬 王凱

摘要：拖網(wǎng)漁船螺旋槳設(shè)計(jì)需考慮航行工況和拖網(wǎng)工況。常規(guī)螺旋槳設(shè)計(jì)只考慮航行工況，如何解決拖網(wǎng)工況下的燃油消耗，提高船舶節(jié)能環(huán)保能力，是拖網(wǎng)漁船一直考慮的問題。本文詳細(xì)描述了HC8159型36.8m雙甲板冷凍拖網(wǎng)漁船的船機(jī)槳的匹配，重點(diǎn)描述了該船雙速比齒輪箱的選取及螺旋槳計(jì)算，經(jīng)過多年的實(shí)踐證明，該船選定的雙速比齒輪箱及設(shè)計(jì)的螺旋槳完全達(dá)到設(shè)計(jì)初期的期望。

關(guān)鍵詞：拖網(wǎng)漁船;雙速比;螺旋槳;導(dǎo)流管;船機(jī)槳匹配

中圖分類號(hào)：U661.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0203-02

1? 導(dǎo)管槳在拖網(wǎng)漁船上的應(yīng)用

1.1 拖網(wǎng)漁船使用導(dǎo)管槳的優(yōu)點(diǎn)

拖網(wǎng)漁船是進(jìn)行拖網(wǎng)捕撈作業(yè)的專用漁船，是捕撈漁船的主要類型。拖網(wǎng)漁船除了常規(guī)的航行工況外，還有其特有的拖網(wǎng)工況?，F(xiàn)階段拖網(wǎng)漁船類型基本為艉滑道拖網(wǎng)漁船，在尾部滑道處進(jìn)行拖網(wǎng)和起、放網(wǎng)等捕撈作業(yè)，網(wǎng)具入水后靠分水板張開網(wǎng)口進(jìn)行作業(yè)，適合浪大水深的海域作業(yè)，可進(jìn)行底層拖網(wǎng)、中層拖網(wǎng)等。除了航行工況下航速的要求外，拖網(wǎng)工況下，既要求船舶具有較大的拖力，又得避免網(wǎng)具纏繞螺旋槳的現(xiàn)象，經(jīng)研究及實(shí)船驗(yàn)證，導(dǎo)管槳是目前最為適合拖網(wǎng)漁船的螺旋槳。導(dǎo)管槳是指在螺旋槳的外側(cè)加裝上一個(gè)環(huán)形套管，又稱套管螺旋槳，能改善重載螺旋槳的效率、可兼做舵使用，提高船舶的操縱性，可保護(hù)螺旋槳不與異物相碰。其在拖網(wǎng)漁船上的效率遠(yuǎn)高于其他類型螺旋槳。

1.2 小型拖網(wǎng)漁船定距螺旋槳的選定

螺旋槳根據(jù)螺距是否可以變化為定距槳和可調(diào)槳。固定槳適用于工況變化不大的船舶，在設(shè)計(jì)條件下能充分利用主機(jī)的功率達(dá)到預(yù)期航速，螺旋槳本身效率也是最佳值。對(duì)于多工況的拖網(wǎng)漁船來說，可調(diào)槳更利于不同工況下螺旋槳充分吸收主機(jī)功率。然而小型拖網(wǎng)漁船受船舶主尺度和造船成本限制，不適合采用可調(diào)槳。通過研究證實(shí)，采用定距導(dǎo)管槳和雙速比齒輪箱組合形式，在航行工況和拖網(wǎng)工況下使用不同速比，有利于提高拖網(wǎng)漁船主機(jī)利用率，降低燃油消耗，提高船舶節(jié)能環(huán)保能力。本文以HC8159型36.8m雙甲板冷凍拖網(wǎng)漁船為例，詳細(xì)描述了該船型的船機(jī)槳的匹配，重點(diǎn)描述了該船雙速比齒輪箱的選取及螺旋槳計(jì)算。

2? 雙速比齒輪箱選取及螺旋槳設(shè)計(jì)過程

HC8159型36.8m雙甲板冷凍拖網(wǎng)漁船是黃海造船有限公司為山東省遠(yuǎn)洋漁業(yè)開發(fā)公司設(shè)計(jì)建造的鋼質(zhì)雙甲板、橋樓、尾機(jī)艙、尾滑道，深水拖網(wǎng)（水深1000m）為主、兼作桁拖網(wǎng)（水深400m）的漁船。由中速柴油機(jī)，經(jīng)雙速比、順車減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)定距導(dǎo)管螺旋槳，裝流線型平衡舵。該船由國(guó)內(nèi)建造，完工后經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航行至西非海域進(jìn)行拖網(wǎng)捕撈作業(yè)。

2.1 有效馬力計(jì)算

船舶阻力計(jì)算方法比較多，常用的有愛爾法和日本漁船阻力計(jì)算方法等。日本漁船阻力計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是在參數(shù)較少的情況下就可進(jìn)行初步的阻力估算。雖然阻力計(jì)算值稍微偏大，但經(jīng)過適當(dāng)修正依然是非?？煽康淖枇τ?jì)算方法。按照船東要求及海域情況，設(shè)計(jì)出符合要求的總布置圖并確定船舶主尺度。船體主要參數(shù)：總長(zhǎng)LOA：36.8m;設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)LWL：34.24m;型寬B：8.6m;型深D：5.95m;設(shè)計(jì)吃水T：3.55m;設(shè)計(jì)排水體積：623m3;方形系數(shù)Cb：0.65;舯剖面系數(shù)Cm：0.927;棱形系數(shù)Cp：0.7;推算伴流分?jǐn)?shù)：w=0.7（0.77Cp-0.28）=0.1813;推力減額t=0.6（0.77Cp-0.3）=0.143;得出船身效率ηh=（1-t）/（1-w）=1.046。根據(jù)船型參數(shù)，按照日本漁船阻力圖譜來進(jìn)行本船的有效馬力計(jì)算，詳見表1。

2.2 按照航行工況匹配齒輪箱速比并確定螺旋槳參數(shù)

根據(jù)線型參數(shù)和有效馬力計(jì)算結(jié)果選取合適主機(jī)、齒輪箱，完善該船的船機(jī)槳匹配。經(jīng)與船東商定，選取淄博柴油機(jī)廠的6250型主機(jī)，主機(jī)參數(shù)為900hp/750rpm。根據(jù)線型及主機(jī)安裝要求，暫定軸線為1.1m。受限于船舶尾框尺寸和船舶吃水，本船的螺旋槳直徑不應(yīng)大于2.1m。初步預(yù)計(jì)航行工況的速比采用2.5：1，按照導(dǎo)管槳計(jì)算方法得出螺旋槳直徑約為1.7m。螺旋槳直徑過小，需配備較大的螺距，雖然對(duì)航行工況影響不大，但完全不利于拖網(wǎng)。拖網(wǎng)狀態(tài)下，主機(jī)會(huì)產(chǎn)生極大的浪費(fèi)，拖力還達(dá)不到設(shè)計(jì)基本要求。因此，我們重新調(diào)整速比的選取，經(jīng)過不斷的試算，航行工況下的螺旋槳速比應(yīng)該在2.95：1到3.0：1，經(jīng)估算螺旋槳直徑約1.95m，螺距比約為1.09，考慮到拖網(wǎng)工況影響及拖網(wǎng)漁船的螺旋槳經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，決定螺旋槳直徑取2.0m，螺距比為1.1，螺距取2.2m。經(jīng)多方溝通，航行工況下采用2.9175：1的速比。按照確定的船舶參數(shù)和主推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，以航行工況為設(shè)計(jì)基本，計(jì)算得出螺旋槳參數(shù)。

主推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)：

主機(jī)型號(hào)：淄博柴油機(jī)6250型;主機(jī)功率：900hp：主機(jī)轉(zhuǎn)速：750rpm;齒輪箱減速比：2.917：1;齒輪箱效率0.95;軸系效率0.96;考慮5%洶濤儲(chǔ)備，螺旋槳收到功率DHP=900*（1-0.05）*0.95*0.96=780hp。根據(jù)航行工況，按照K4-55+19A導(dǎo)管槳圖譜進(jìn)行推馬力計(jì)算，詳見表2。

根據(jù)有效馬力計(jì)算和推馬力計(jì)算，得出如圖1的螺旋槳EHP（THP）--V曲線圖。

經(jīng)計(jì)算，得出本船螺旋槳主要參數(shù)：自航航速約為10.75Kn，槳型為K4-55+19A型螺旋槳，直徑D取2m，螺距P取2.2m，盤面比取0.55，材質(zhì)為鎳鋁青銅，后傾角為0度，自艉向艏旋向?yàn)橛倚?/p>

2.3 根據(jù)拖網(wǎng)工況特性選取拖網(wǎng)工況下齒輪箱速比

按照2.9175：1的速比計(jì)算，在保持拖網(wǎng)航速在4.5Kn左右時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速約為620rpm，此時(shí)的拖力約為10噸。該情況下主機(jī)不能完全發(fā)揮自己的特性，拖力達(dá)不到使用要求。按照拖網(wǎng)航速要求，不斷調(diào)整齒輪箱速比，使主機(jī)接近或達(dá)到額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，符合主機(jī)的最佳使用效果。經(jīng)計(jì)算，齒輪箱速比約為3.3：1的時(shí)候，拖網(wǎng)航速下主機(jī)轉(zhuǎn)速基本達(dá)到750rpm運(yùn)行，此時(shí)拖網(wǎng)工況下主機(jī)可以發(fā)揮出最大效果，達(dá)到最大拖力。經(jīng)與齒輪箱廠家共同努力，研發(fā)出了3.3215：1的齒比。拖網(wǎng)工況下采用3.3215：1的速比，拖力約14噸，完全滿足船東的捕撈需求，且主機(jī)可完全發(fā)揮作用。經(jīng)過各種工況考慮，本船匹配主機(jī)900hp/750rpm，航行工況和拖網(wǎng)工況下齒輪箱速比分別選取2.9175：1及3.3215：1，配置了直徑為2m的定距導(dǎo)管槳，達(dá)到一個(gè)非常理想的船機(jī)槳匹配效果。

2.4 螺旋槳校核，空泡校核

螺旋槳根據(jù)以上方法得出螺旋槳基本參數(shù)后，還需要進(jìn)行螺旋槳的空泡校核和強(qiáng)度校核。螺旋槳在水中作業(yè)時(shí)，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，若某處的壓力降至臨界點(diǎn)以下時(shí)，導(dǎo)致爆發(fā)式的汽化，水汽通過界面進(jìn)入氣核并使之膨脹，形成氣泡，稱為空泡。空泡一般會(huì)對(duì)螺旋槳的葉表面產(chǎn)生剝蝕或者影響葉切面的水動(dòng)力性能，空泡現(xiàn)象會(huì)使螺旋槳產(chǎn)生噪聲或諧音。盤面比的大小也作為螺旋槳空泡校核主要校核條件。根據(jù)拖網(wǎng)漁船盤面比校核公式計(jì)算，設(shè)計(jì)槳在兩個(gè)轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生空泡的最大盤面比都小于螺旋槳設(shè)計(jì)盤面比0.55，因此該螺旋槳滿足空泡校核要求。

2.5 強(qiáng)度校核

為了保證船舶安全航行，必須保證螺旋槳有足夠的強(qiáng)度，使其在正常使用狀態(tài)下不致破損。計(jì)算螺旋槳強(qiáng)度的方法有很多，一般采用規(guī)范法來確定螺旋槳的強(qiáng)度和槳葉的厚度。規(guī)范法要求螺旋槳槳葉厚度t（0.25R處和0.6R處）不得小于下列計(jì)算值：

t≥。其中，Y是功率系數(shù)，K是材料系數(shù)，X是轉(zhuǎn)速系數(shù)。本船使用的是雙速比齒輪箱，所以強(qiáng)度校核需要在兩個(gè)轉(zhuǎn)速下都要進(jìn)行。在速比2.9175：1的情況下計(jì)算，t0.25R處的計(jì)算值為64.7mm，t0.6R處的計(jì)算值為30.2mm。在速比3.3215：1的情況下計(jì)算，t0.25R處的計(jì)算值為68.6mm，t0.6R處的計(jì)算值為32.1mm。該船螺旋槳在t0.25R處的實(shí)際取值為75mm，t0.6R處的實(shí)際取值為40mm。完全滿足規(guī)范法對(duì)螺旋槳的槳葉厚度要求。確定校核處槳葉厚度，最終配合艉軸設(shè)計(jì)槳轂，完成整個(gè)螺旋槳設(shè)計(jì)。

3? 結(jié)束語

雙速比齒輪箱應(yīng)用在小型拖網(wǎng)漁船上一直以來是設(shè)計(jì)單位的主要研究課題。多年來，船東方對(duì)雙速比齒輪箱的使用一直持有懷疑態(tài)度。HC8159型拖網(wǎng)漁船經(jīng)過多年使用，其優(yōu)良的船舶性能和主推進(jìn)系統(tǒng)無論是航行工況還是拖網(wǎng)工況均得到了船東方的認(rèn)可。依托于雙速比齒輪箱的設(shè)計(jì)的推進(jìn)系統(tǒng)，主機(jī)的能效完全得到釋放，比常規(guī)拖網(wǎng)漁船主機(jī)的能效有了明顯提升。該船型雙速比齒輪箱的設(shè)計(jì)研發(fā)成功，為小型拖網(wǎng)漁船使用雙速比齒輪箱，匹配定距導(dǎo)管槳的合理性和實(shí)用性提供了有力證明，為各設(shè)計(jì)研發(fā)單位帶來寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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