船用螺旋槳的設(shè)計方法介紹

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中，由于流場的非均勻性，螺旋槳在運轉(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，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)計階段應(yīng)充分考慮并兼顧槳葉效率、空泡、振動和剝蝕等多種性能要求。

常規(guī)螺旋槳設(shè)計方法

常規(guī)圖譜設(shè)計方法是根據(jù)螺旋槳敞水系列模型試驗結(jié)果繪制成的專用圖譜進(jìn)行設(shè)計的方法。按照圖譜法設(shè)計螺旋槳，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。該方法具有計算簡單，結(jié)果可靠的優(yōu)點，對于一些典型的船舶螺旋槳設(shè)計可較為準(zhǔn)確和迅速地獲得理想的方案，曾對螺旋槳的設(shè)計起過重要作用。直至今天，對常規(guī)船而言，該方法仍不失為一種簡單可靠的方法。然而，圖譜設(shè)計方法存在很多缺點，該方法不僅需通過大量的試驗繪制圖譜，耗費大量的人力、物力和財力。更重要的是圖譜設(shè)計螺旋槳，受到圖譜相關(guān)系列螺旋槳幾何參數(shù)局限性的影響，不可能對槳葉諸多幾何參數(shù)做出選擇，設(shè)計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)計方法

理論設(shè)計方法是根據(jù)環(huán)流理論以及各種槳葉切面的試驗或理論數(shù)據(jù)進(jìn)行螺旋槳設(shè)計的方法。螺旋槳誘導(dǎo)的船體振動、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)用于實船。例如，為了減少船尾振動而采用大側(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)計必須兼顧效率、空泡、振動、剝蝕等多種性能要求，常規(guī)的螺旋槳圖譜設(shè)計方法已無法兼顧這些性能要求，因而理論方法設(shè)計螺旋槳逐步成為高速船螺旋槳設(shè)計的主流。

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算問題和任意環(huán)量分布下的設(shè)計問題，并且適用于軸對稱伴流場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拱度及攻角進(jìn)行修正。 

上世紀(jì)五六十年代，美國MIT 的Kerwin對基于機(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非常有效的工具。
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