刘彬 王凯

摘要：拖网渔船螺旋桨设计需考虑航行工况和拖网工况。常规螺旋桨设计只考虑航行工况，如何解决拖网工况下的燃油消耗，提高船舶节能环保能力，是拖网渔船一直考虑的问题。本文详细描述了HC8159型36.8m双甲板冷冻拖网渔船的船机桨的匹配，重点描述了该船双速比齿轮箱的选取及螺旋桨计算，经过多年的实践证明，该船选定的双速比齿轮箱及设计的螺旋桨完全达到设计初期的期望。

关键词：拖网渔船;双速比;螺旋桨;导流管;船机桨匹配

中图分类号：U661.44                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0203-02

1  导管桨在拖网渔船上的应用

1.1 拖網渔船使用导管桨的优点

拖网渔船是进行拖网捕捞作业的专用渔船，是捕捞渔船的主要类型。拖网渔船除了常规的航行工况外，还有其特有的拖网工况。现阶段拖网渔船类型基本为艉滑道拖网渔船，在尾部滑道处进行拖网和起、放网等捕捞作业，网具入水后靠分水板张开网口进行作业，适合浪大水深的海域作业，可进行底层拖网、中层拖网等。除了航行工况下航速的要求外，拖网工况下，既要求船舶具有较大的拖力，又得避免网具缠绕螺旋桨的现象，经研究及实船验证，导管桨是目前最为适合拖网渔船的螺旋桨。导管桨是指在螺旋桨的外侧加装上一个环形套管，又称套管螺旋桨，能改善重载螺旋桨的效率、可兼做舵使用，提高船舶的操纵性，可保护螺旋桨不与异物相碰。其在拖网渔船上的效率远高于其他类型螺旋桨。

1.2 小型拖网渔船定距螺旋桨的选定

螺旋桨根据螺距是否可以变化为定距桨和可调桨。固定桨适用于工况变化不大的船舶，在设计条件下能充分利用主机的功率达到预期航速，螺旋桨本身效率也是最佳值。对于多工况的拖网渔船来说，可调桨更利于不同工况下螺旋桨充分吸收主机功率。然而小型拖网渔船受船舶主尺度和造船成本限制，不适合采用可调桨。通过研究证实，采用定距导管桨和双速比齿轮箱组合形式，在航行工况和拖网工况下使用不同速比，有利于提高拖网渔船主机利用率，降低燃油消耗，提高船舶节能环保能力。本文以HC8159型36.8m双甲板冷冻拖网渔船为例，详细描述了该船型的船机桨的匹配，重点描述了该船双速比齿轮箱的选取及螺旋桨计算。

2  双速比齿轮箱选取及螺旋桨设计过程

HC8159型36.8m双甲板冷冻拖网渔船是黄海造船有限公司为山东省远洋渔业开发公司设计建造的钢质双甲板、桥楼、尾机舱、尾滑道，深水拖网（水深1000m）为主、兼作桁拖网（水深400m）的渔船。由中速柴油机，经双速比、顺车减速齿轮箱驱动定距导管螺旋桨，装流线型平衡舵。该船由国内建造，完工后经苏伊士运河航行至西非海域进行拖网捕捞作业。

2.1 有效马力计算

船舶阻力计算方法比较多，常用的有爱尔法和日本渔船阻力计算方法等。日本渔船阻力计算方法的优点是在参数较少的情况下就可进行初步的阻力估算。虽然阻力计算值稍微偏大，但经过适当修正依然是非常可靠的阻力计算方法。按照船东要求及海域情况，设计出符合要求的总布置图并确定船舶主尺度。船体主要参数：总长LOA：36.8m;设计水线长LWL：34.24m;型宽B：8.6m;型深D：5.95m;设计吃水T：3.55m;设计排水体积：623m3;方形系数Cb：0.65;舯剖面系数Cm：0.927;棱形系数Cp：0.7;推算伴流分数：w=0.7（0.77Cp-0.28）=0.1813;推力减额t=0.6（0.77Cp-0.3）=0.143;得出船身效率ηh=（1-t）/（1-w）=1.046。根据船型参数，按照日本渔船阻力图谱来进行本船的有效马力计算，详见表1。

2.2 按照航行工况匹配齿轮箱速比并确定螺旋桨参数

根据线型参数和有效马力计算结果选取合适主机、齿轮箱，完善该船的船机桨匹配。经与船东商定，选取淄博柴油机厂的6250型主机，主机参数为900hp/750rpm。根据线型及主机安装要求，暂定轴线为1.1m。受限于船舶尾框尺寸和船舶吃水，本船的螺旋桨直径不应大于2.1m。初步预计航行工况的速比采用2.5：1，按照导管桨计算方法得出螺旋桨直径约为1.7m。螺旋桨直径过小，需配备较大的螺距，虽然对航行工况影响不大，但完全不利于拖网。拖网状态下，主机会产生极大的浪费，拖力还达不到设计基本要求。因此，我们重新调整速比的选取，经过不断的试算，航行工况下的螺旋桨速比应该在2.95：1到3.0：1，经估算螺旋桨直径约1.95m，螺距比约为1.09，考虑到拖网工况影响及拖网渔船的螺旋桨经验设计，决定螺旋桨直径取2.0m，螺距比为1.1，螺距取2.2m。经多方沟通，航行工况下采用2.9175：1的速比。按照确定的船舶参数和主推进系统参数，以航行工况为设计基本，计算得出螺旋桨参数。

主推进系统参数：

主机型号：淄博柴油机6250型;主机功率：900hp：主机转速：750rpm;齿轮箱减速比：2.917：1;齿轮箱效率0.95;轴系效率0.96;考虑5%汹涛储备，螺旋桨收到功率DHP=900*（1-0.05）*0.95*0.96=780hp。根据航行工况，按照K4-55+19A导管桨图谱进行推马力计算，详见表2。

根据有效马力计算和推马力计算，得出如图1的螺旋桨EHP（THP）--V曲线图。

经计算，得出本船螺旋桨主要参数：自航航速约为10.75Kn，桨型为K4-55+19A型螺旋桨，直径D取2m，螺距P取2.2m，盘面比取0.55，材质为镍铝青铜，后倾角为0度，自艉向艏旋向为右旋。

2.3 根据拖网工况特性选取拖网工况下齿轮箱速比

按照2.9175：1的速比计算，在保持拖网航速在4.5Kn左右时，主机转速约为620rpm，此时的拖力约为10吨。该情况下主机不能完全发挥自己的特性，拖力达不到使用要求。按照拖网航速要求，不断调整齿轮箱速比，使主机接近或达到额定转速下运行，符合主机的最佳使用效果。经计算，齿轮箱速比约为3.3：1的时候，拖网航速下主机转速基本达到750rpm运行，此时拖网工况下主机可以发挥出最大效果，达到最大拖力。经与齿轮箱厂家共同努力，研发出了3.3215：1的齿比。拖网工况下采用3.3215：1的速比，拖力约14吨，完全滿足船东的捕捞需求，且主机可完全发挥作用。经过各种工况考虑，本船匹配主机900hp/750rpm，航行工况和拖网工况下齿轮箱速比分别选取2.9175：1及3.3215：1，配置了直径为2m的定距导管桨，达到一个非常理想的船机桨匹配效果。

2.4 螺旋桨校核，空泡校核

螺旋桨根据以上方法得出螺旋桨基本参数后，还需要进行螺旋桨的空泡校核和强度校核。螺旋桨在水中作业时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界点以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。空泡一般会对螺旋桨的叶表面产生剥蚀或者影响叶切面的水动力性能，空泡现象会使螺旋桨产生噪声或谐音。盘面比的大小也作为螺旋桨空泡校核主要校核条件。根据拖网渔船盘面比校核公式计算，设计桨在两个转速下产生空泡的最大盘面比都小于螺旋桨设计盘面比0.55，因此该螺旋桨满足空泡校核要求。

2.5 强度校核

为了保证船舶安全航行，必须保证螺旋桨有足够的强度，使其在正常使用状态下不致破损。计算螺旋桨强度的方法有很多，一般采用规范法来确定螺旋桨的强度和桨叶的厚度。规范法要求螺旋桨桨叶厚度t（0.25R处和0.6R处）不得小于下列计算值：

t≥。其中，Y是功率系数，K是材料系数，X是转速系数。本船使用的是双速比齿轮箱，所以强度校核需要在两个转速下都要进行。在速比2.9175：1的情况下计算，t0.25R处的计算值为64.7mm，t0.6R处的计算值为30.2mm。在速比3.3215：1的情况下计算，t0.25R处的计算值为68.6mm，t0.6R处的计算值为32.1mm。该船螺旋桨在t0.25R处的实际取值为75mm，t0.6R处的实际取值为40mm。完全满足规范法对螺旋桨的桨叶厚度要求。确定校核处桨叶厚度，最终配合艉轴设计桨毂，完成整个螺旋桨设计。

3  结束语

双速比齿轮箱应用在小型拖网渔船上一直以来是设计单位的主要研究课题。多年来，船东方对双速比齿轮箱的使用一直持有怀疑态度。HC8159型拖网渔船经过多年使用，其优良的船舶性能和主推进系统无论是航行工况还是拖网工况均得到了船东方的认可。依托于双速比齿轮箱的设计的推进系统，主机的能效完全得到释放，比常规拖网渔船主机的能效有了明显提升。该船型双速比齿轮箱的设计研发成功，为小型拖网渔船使用双速比齿轮箱，匹配定距导管桨的合理性和实用性提供了有力证明，为各设计研发单位带来宝贵经验。

参考文献：

[1]中华人民共和国农业部渔船检验局.钢质海洋渔船建造规范（1998）[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2]盛振邦，刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2004.

[3]冯明奎.拖网渔船导管螺旋桨设计方法分析[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），1999（03）.

[4]冯振玉.拖网渔船双速比齿轮箱的匹配设计[J].船舶工程，1995（5）.

[5]周瑞平，孙先华.双速比齿轮箱匹配性能分析[J].武汉造船，1999（4）.

[6]李光霞，夏泰淳，兰雅梅.拖网渔船的双级速比齿轮箱速比计算实践[J].造船技术，2008（1）.