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    船用螺旋槳的設計關鍵分析

    日期:2016-05-26

    摘要:船、機、槳系統中,船體是能量的需求者,主機是能量的發生器,螺旋槳是能量轉換裝置,三者之間是相互緊密聯系的,但同時又要遵從各自的變化特性。

    船、機、槳系統中,船體是能量的需求者,主機是能量的發生器,螺旋槳是能量轉換裝置,三者之間是相互緊密聯系的,但同時又要遵從各自的變化特性。

    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。

     

    標簽: 船用螺旋槳設計(49)
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