13.8m 高速船可調(diào)螺距槳推進方式的研究

馬衛(wèi)澤,唐小光

（武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，湖北 武漢 430083）

小型高速船的推進裝置主要選擇為舷內(nèi)外機、表面槳和常規(guī)定距槳，這三種推進方式在高速船上的應(yīng)用各有利弊；舷內(nèi)外機適用于小功率柴油機，高負荷工況和長時間的使用條件下很容易產(chǎn)生各種問題，后期的維護也不方便；表面槳在空載和滿載工況下的推進效率無法兼顧，且低速和倒車的效率在使用體驗上不佳，常規(guī)定距槳雖然能夠兼顧空載和滿載的使用工況，但其常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式無法在同等柴油機功率的條件下獲取最大的航速。作為大型遠洋貨輪的主要推進方式，可調(diào)距槳的設(shè)計考慮到了不同工況的使用環(huán)境，通過改變螺距來獲取最佳的推進效率，但因其相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式和系統(tǒng)配置的限制，很少有小型船舶使用可調(diào)槳作為主要的推進方式。針對此問題，本文通過對13.8m 高速收鮮船設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)型式更簡單，使用更方便的可調(diào)螺槳，并對相同直徑，不同螺距的槳葉進行水動力數(shù)據(jù)分析，驗證了可調(diào)距槳葉能夠應(yīng)用于小型高速貨船。

1 高速推進裝置效率對比

為了更直觀的看到各類型高速推進器的工作效率和應(yīng)用范圍，通過查閱各種資料對噴泵、大側(cè)斜槳、表面槳、常規(guī)槳以及可調(diào)距槳五種高速推進裝置的應(yīng)用速度范圍和推進效率集中制作了一個對比曲線(圖1），通過此對比曲線可了解到各裝置的特性及應(yīng)用范圍。

圖1 各類型推進裝置效率對比曲線

1.1 實船設(shè)計參數(shù)

表1 主要設(shè)計參數(shù)

1.2 實船阻力曲線及航速預(yù)報

表2 實船阻力值

高速艇在設(shè)計初期都需對其最高航速進行預(yù)估，通常利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式對其進行預(yù)估，如下：

式中，Vs為航速，kn；Ne為主機總功率，kW；為艇的設(shè)計排水量，t。

計算所得，其最高航速Vs=39.8kn。

1.3 常規(guī)槳葉設(shè)計及試驗

通過上述航速預(yù)報，結(jié)合相關(guān)螺旋槳的設(shè)計公式，計算所得該高速收鮮船應(yīng)用常規(guī)螺旋槳推進裝置的設(shè)計數(shù)值為：直徑545mm，螺距635mm，盤面比0.85，4 葉槳，并利用相關(guān)軟件對此槳葉進行了基礎(chǔ)的水動力數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)果如下（圖2）所示：

圖2 常規(guī)槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

通過上述計算曲線可知，該船在進速系數(shù)J=0.97時，常規(guī)固定槳葉的推進效率η 最大為0.69，換算可得該船的實際最航速為V=27.4kn，與經(jīng)驗公式估算的最高V=39.8kn 有著很大的差距，后續(xù)根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)制作了一對槳葉，安裝于實船后進行試航試驗，最終所得滿載最高航速為28kn，空載航速為30kn，試驗結(jié)果與理論經(jīng)驗計算結(jié)果差距較大，但與軟件分析的最大航速誤差范圍較小。

1.4 表面槳設(shè)計及試驗

關(guān)于該船表面槳槳葉的設(shè)計現(xiàn)階段主要采用圖譜設(shè)計法。首先設(shè)定一個航速VS，用不同直徑系列的槳葉直徑Di，計算槳葉的進速系數(shù)J 和系，利用Rose 圖譜（圖3）計算得出相應(yīng)的螺距比和效率η，利用公式得出，進而求得槳葉發(fā)出的推力,通過計算所得的推力與實船的阻力曲線進行對比，進而選出合適的槳葉尺寸。通過上述公式計算所得該船在滿載工況下表面槳槳葉最佳直徑D=610mm，螺距P=813mm，盤面比0.86。

圖3 30%浸沒面積下J 和η-圖譜曲線

根據(jù)以上數(shù)據(jù)加工一對表面槳葉進行實船試驗，滿載工況下該船的最高航速為28-30kn，空載工況下最高航速為38kn。

1.5 問題分析

通過上述常規(guī)槳葉與表面槳的設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)分析，常規(guī)槳在滿載工況和空載工況下主機都能夠承受相應(yīng)的負荷，但實際航速和預(yù)估航速有著很大的誤差，使用表面槳的空載最高航速和理論預(yù)報航速的誤差較小，但在滿載低速航行工況下的效率很低。

不論是常規(guī)定距槳還是表面槳，槳葉的設(shè)計都只是針對其一個航速工況條件來進行設(shè)計，無法兼顧滿載和空載狀態(tài)下最大的效率。而對收鮮船這種裝載負荷變化較大的船型，因考慮其大部分時間所處在的負荷工況來進行針對性的設(shè)計，現(xiàn)就根據(jù)收鮮船兩種負荷工況，設(shè)計兩只不同尺寸的槳葉，對這兩只槳葉進行水動力數(shù)據(jù)分析。

2 可調(diào)螺距槳葉分析

槳葉周圍的流體循環(huán)通常是一個難以觀察到的物理性質(zhì)聯(lián)系起來的概念。對于螺旋槳分析的目的，可以看作是一個數(shù)學系統(tǒng)，使用渦流作為一個簡單的數(shù)值模型，以適當?shù)亟鉀Q槳葉在運動過程中產(chǎn)生的力量和速度。根據(jù)相關(guān)資料，適應(yīng)尾流的槳葉最佳環(huán)量徑向分布由下式所得：

2.1 空載設(shè)計點槳葉

收鮮船在進行收集新鮮漁獲時，從港口出發(fā)需要以最快的航速到達目的地，此時船沒有載貨，排水量輕，主機和螺旋槳所承受的載荷較小，這種工況下，槳葉直徑相對較小，螺距較大，以此來最大化吸收主機輸出的功率載荷，發(fā)出更大的推力，使船達到最高航速。

根據(jù)相關(guān)計算文件對此工況下的最佳螺旋槳葉數(shù)據(jù)進行計算所得為：以空載重量為設(shè)計點的槳葉尺寸為：直徑D=545mm，螺距P=775mm，盤面比0.85。

通過對KT，KQ和η 的數(shù)值分析，各項數(shù)值在相應(yīng)進速下的趨勢如下所示：

圖4 D=545,P=775 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

圖5 D=545,P=630 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

2.2 滿載設(shè)計點槳葉

收鮮船在收集完新鮮漁獲后，整船排水量增加，以滿載重量為設(shè)計點的槳葉尺寸為直徑D=565mm，螺距P=630mm，盤面比0.79。通過對KT，KQ和η 的數(shù)值分析，各項數(shù)值在相應(yīng)進速下的趨勢如下所示：

圖6 D=565,P=775 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

圖7 D=565,P=630 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

2.3 槳葉螺距變更分析

表3 槳葉數(shù)值對比表

根據(jù)上述計算曲線及數(shù)值對比顯示了槳葉在直徑變動不大的情況下，通過調(diào)整其螺距可實現(xiàn)槳葉效率的提升。

3 結(jié)論

根據(jù)對常規(guī)固定螺距、表面槳和可調(diào)距槳的數(shù)據(jù)計算和試驗分析，可調(diào)螺距的槳葉設(shè)計在漁業(yè)高速船舶的應(yīng)用有著廣泛的前景，可調(diào)螺距的槳葉能夠很好的兼顧空載和滿載兩種負荷工況下的推進效率，根據(jù)載荷工況條件的不同，航行過程中調(diào)整螺距來適應(yīng)主機的輸出功率，以此達到效率的最大化。

可調(diào)距槳葉的設(shè)計需根據(jù)船舶的具體使用工況分布，有針對性的進行設(shè)計。