杨 帅 许 晟 朱志洁 李慧敏

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064 2海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉430033

螺旋桨切割直径法在高速艇中的应用

杨 帅1许 晟1朱志洁2李慧敏1

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064 2海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉430033

针对某高速艇在试航过程中出现的船舶主机负荷过重及转速达不到要求的问题，分析其原因，并对螺旋桨切割直径法的两种理论计算方法和一种经验公式估算法的应用进行探讨。切割直径计算方法以实测轴功率为计算依据，采用检查图谱确定切割量，同时采用经验公式确定切割量并进行比较。通过对切割螺旋桨后的实船试验结果与理论计算和经验公式估算的对比，得出对于高速艇螺旋桨切割量的计算，采用检查图谱理论计算的准确程度要比经验公式估算法高。

螺旋桨；切割直径；高速艇

1 引言

在高速艇的设计与制造过程中，由于螺旋桨“过重”而导致艇性能下降甚至是不能达到设计要求的现象时有发生［1］。造成螺旋桨“过重”的因素很多，依据新旧船舶的分类并进行归纳，可得出两方面的原因：对新船而言，实际船体的流体阻力大于理论估算值、螺旋桨设计误差过大或主机功率储备不足、螺旋桨制造误差太大、测速时环境条件不满足要求以及主机外特性与指标不符等，都是引起新建造船舶螺旋桨“过重”的主要因素；对旧船而言，船舶投入运营后，由于污底等原因，使船体航行时阻力增加，以及主机因长期运转和机件加剧磨损难以产生足额的功率，从而造成螺旋桨负荷加重，转速下降。总之，当主机发出的功率小于螺旋桨推进所需的吸收功率 （即桨—机功率不平衡）时［2］，就会发生螺旋桨“过重”的现象，影响船舶性能。

在实船建造中，在主机安装已成定局的情况下，若发生螺旋桨“过重”现象，一般采用直接切割桨叶的方法予以解决［3］。通常情况下，对于中低速船舶，采用切割桨叶随边的方法。而高速艇由于其螺旋桨的盘面比越大，切割直径后能更有效避免空泡危害，因此，对高速艇多采用切割螺旋桨直径的方法。本文以某型边防高速艇为例，阐述了在出现螺旋桨“过重”现象后对实艇螺旋桨进行切割的计算方法和步骤，并将切割后的实船试验结果与理论计算和经验公式估算进行了对比分析，对切割效果加以验证。

2 确定直径切割量的计算方法

对螺旋桨因采用切割直径的方法来解决 “过重”现象而导致的性能缺陷，首先需确定直径切割量。直径切割量的计算方法是以高速艇螺旋桨计算方法为基础，通过计算检查图谱来确定。根据计算依据的不同，可以分为两种计算方法，但都需要以轴功率的测试作为基础。

2.1 以实艇阻力为依据

该方法是假定用船模试验结果换算得到的实艇阻力是正确的，若实艇有多个螺旋桨，则每个螺旋桨平均分摊阻力。在已知主机转速ng（r／s）、相应航速Vs（m／s）、主机功率Ne（kW）、实船阻力R（kg）和螺旋桨直径D（mm）等要素后［4］，确定螺旋桨切割量的计算步骤如下。

1）根据实测航速和轴功率对计算桨的推力和效率进行修正。

（1）计算轴转速n：

式中，ip为齿轮箱减速比。

（2）计算进速系数J：

式中，νp＝0.514 4（1－ω）νs，ω为伴流系数。

（3）计算实艇螺旋桨效率ηP*：

式中，ηB为轴系与齿轮箱效率；ηH为船身效率。

（4）效率修正系数φη：

式中，ηP为螺旋桨敞水效率（根据螺旋桨主要要素查螺旋桨作用曲线得出）。

（5）推进修正系数φT：

式中，KT为推力系数 （根据螺旋桨主要要素查螺旋桨敞水性征曲线得出）；ρ为试航水域水密度。

2）计算切割至不同直径后的螺旋桨作用曲线。根据切割后的桨的尺度来计算盘面比、螺距比和相关其他参数，然后依据这些参数计算得到切割后桨的作用曲线。

3）计算切割至不同直径下设计转速的检查图谱。先通过推力、阻力平衡得到所需的功率，然后再根据此功率是否在主机限制特性曲线范围内来确定达到设计转速的螺旋桨直径和相应航速。

2.2 以螺旋桨作用曲线的效率为依据

该方法是假定螺旋桨作用曲线的效率是正确的。

1）计算实艇阻力R*。由实艇试验测得的航速Vs（kn）和轴功率计算：

2）按螺旋桨作用曲线中推力系数KT计算的阻力理论值R：

3）计算推力系数修正系数φT：

4）在不同直径下，计算达到要求转速下的不同航速螺旋桨能提供的推力以及所需的主机功率。

5）依据以上第3）、4）条的计算结果绘制出不同直径下的航速—推力，航速—阻力及航速—功率曲线，从中可以找到推力和阻力的平衡点，同时查得所需要的主机功率，从而确定直径切割量。

在不少文献中，还提到了一种统计回归计算方法。根据文献［5］，螺旋桨被切割直径后，其转速的变化可用下式计算：

式中，N为原螺旋桨转速，r／min；ΔN为螺旋桨切割直径后的转速增量，r／min；D为原螺旋桨直径，mm；ΔD为螺旋桨直径切割量，mm。

依据需要提高转速的需求，通过式（9）就可以估算出螺旋桨直径切割量。

根据文献得到螺旋桨的切割直径后，船舶航速的变化可用下式计算：

式中，V为原船航速，kn；ΔV为螺旋桨切割直径后航速的降低量，kn。

此回归公式是采用低速船舶进行的回归，但对高速船是否同样适用还有待验证。

3 实船螺旋桨切割计算

本文是以一艘新艇的螺旋桨为对象进行的研究。该艇属排水量艇与滑行艇之间的过渡型高速艇［6］，由4台高速柴油机带动4个宽叶面五叶平凸型截面螺旋桨。设计的标准螺旋桨直径D为820 mm，螺距比P／D为1.07，盘面比Ae／A0为1.05。

在实船试航中，该艇屡次出现左舷两台主机不能达到主机额定转速的现象，且轴功率测试显示两台主机均处于超负荷运行状态。从流体动力学的理论上分析［7］，船舶设计属左右对称，并且在试航中船舶的航态也无异常，其左右螺旋桨处于完全一样的流场中，其敞水性能也应是一致的［8］，因此，初步判定问题出在螺旋桨上。经查，发现左舷两螺旋桨的制造误差较大，出现了局部螺距偏大的情况。

为改善主机的运行工况，决定采用切割螺旋桨的方法来提高其性能指标，但由于该艇还未交付使用，因此在切割的同时还需保证其航速指标不受影响。

切割前的试航状况：主机标定最高转速为2 265 r／min（110%功率工况），右舷内、外机的转速分别为2 265 r／min和2 251 r／min，左舷内、外机的转速分别为2 207 r／min和2 178 r／min，最大航速25.1 kn。

本文主要采用第1种方法进行切割方案计算，然后用第2种方法和回归公式校验。由于左舷内、外侧桨在转速上存在差异，从理论上讲，应对内、外桨分别进行计算，然后根据各自的特性确定不同的切割量，但为操作方便，选取了同样的切割方案（因为对于多桨船来说，各轴之间的转速稍有差异是常见的），并将转速达到2 250 r／min作为计算目标，同时还将左舷内、外桨的功率进行了平均以作为计算依据。计算后得到的检查图谱如图1所示。

图1 切割至不同半径处的检查图谱Fig.1 Checking drawing after cutting propeller to different

通过以上方法得到平衡点的航速为24.8 kn，尽管比原试航航速低了0.3 kn，但仍满足该艇的设计航速要求，切割量依据检查图谱直径计算得到切割后的直径应为774 mm，转速为2 250 r／min。

采用第2种方法计算得到切割后的直径为774 mm时，航速可达 24.84 kn，转速为 2 260 r／min。

采用回归公式计算切割量ΔD为46 mm时，切割后的航速为25.07 kn，转速为2 270 r／min。

4 实船试验结果

为准确判断切割螺旋桨方案的效果，本文在相同条件下进行了割桨后的快速性试验。试航结果显示，在最高转速情况下，该艇的航速为24.83 kn，左舷内、外机的转速分别为2 263 r／min和2 248 r／min，右舷内、外机的转速分别为 2 266 r／min和2 267 r／min，与计算结果相比吻合较好。

从本文的实桨切割效果可看出，对于高速艇，切割螺旋桨直径采用所拟就的检查图谱，其计算方法准确度较高。统计回归计算法虽然相对较简单、快捷，但误差较大。因此，对于高速艇来说，采用计算检查图谱的方法来确定切割方法比较可靠、精确。

［1］王国强，盛振邦.船舶推进［M］.北京：国防工业出版社，1985.

［2］盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海：上海交通大学出版社，2003.

［3］陈朝辉，刘艳，周力.螺旋桨随边切割的试验研究和理论计算［J］.船海工程，2010，39（3）：18－21.

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［5］王瑞宣，宫斌.螺旋桨切削叶梢与切削随边的利弊分析［J］.青岛远洋船员学院学报，2003，24（2）：35－37.

［6］赵连恩，韩端峰.高性能船水动力原理与设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.

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［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

杨 帅（1979－），女，工学硕士，工程师。研究方向：船舶总体性能设计。E-mail：wh701＠public.wh.hb.cn

许 晟（1973－），男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶总体性能设计

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.012