特殊导管螺旋桨桨叶强度校核方法

基于计算法的船舶螺旋桨的静平衡校正赵梅桥船舶螺旋桨的静平衡校正，通常采用在桨叶上钻削取重的方法来实现。

这种方法往往存在下列缺点：一、钻削后的桨叶表面凹凸不平破坏了原设计的线型；二、桨叶厚度减薄、强度降低，甚至造成废品；三、钻削加工困难，打磨量大，生产效率低。

本人近年在船舶螺旋桨制造中对原静平衡校正的方法进行了改进，采用计算校正的方法，即对粗加工桨毂孔的螺旋桨通过计算再修正该桨毂孔的中心。

这样修正加工后的螺旋桨不需在桨叶上钻削取重便能达到静平衡，完全克服了钻削取重法的缺点。

一次校正加工后的静平衡精度能满足或超过设计要求，校正加工合格率达100%，加工效率也有显著提高。

本文对其具体校正计算方法和工艺过程作一简述。

一、静平衡试验前准备工作：1．去毛坯毛刺，划线后上机床粗加工桨毂两端面，大约按桨毂的几何轴心粗加工比图纸尺寸小30%左右的小孔；2．以粗加工小孔为中心检测螺旋桨的直径螺距、叶面宽、叶厚等几何尺寸，同时划出各片桨叶的叶面参考线，并在叶面参考线上叶梢处确定出做静平衡试验的试重点，打一样冲眼作标记（见3e为两轴心M A、M BM A、M B的方向，线L旋转的桨毂孔轴心0）必在垂线L上，且偏向粗加工小孔轴心01的下方。

经上述试验方法即确定了校正轴心0的方向角α。

2．在平衡试验台上仍以轴心01支承螺旋桨根据静平衡需要在预定的试重点M A、M B或Mc处附加19和调整试重，使得该螺旋桨在任意位置均能处于静平衡状态，从而得到A、B叶上的静平衡试重gA、gB。

3．用螺距测量仪测量垂线L与A叶叶面参考线的夹角α及试重点的半径Rg。

三、校正偏心值的计算：1．图一所示，将垂线L置于水平，以01为轴心桨叶叶面参考线的夹角互成120°，根据力平衡原理，则有∑M01=0，得平衡方程：G×e - g A×R g Cosα- g B×R g Cos（120°- α）=0整理得：e = （1）或：Rg（g A Cosα- 1/2 g B Cosα+√3/2 g B Sinα）G2021e = （4）式中 ：e ——校正轴心距离粗加工小孔轴心的偏心值； 铸造的大型螺旋桨，往往由于金属组织的不均匀性，以致桨叶上的不平衡重量增大，因而需校正的偏心值也增大。

船舶螺旋桨断叶强度分析祁玉荣金咸定上海交通大学结构力学研究所船舶螺旋桨断叶强度分析Strength Analysis of Ship Propeller祁玉荣金咸定（上海交通大学结构力学研究所）摘要：螺旋桨的断叶强度直接影响着船舶的生命力，本文采用有限元方法，结合MSC.Patran、MSC.Nastran计算软件，建立有限元模型，对船舶的艉部螺旋桨的断叶强度进行计算，校核其强度要求，并阐述船舶艉部的力学特性。

关键词:螺旋桨，MSC.Patran，MSC.Nastran，有限元，强度Abstract:strength of ship propeller has an important effect on the life of whole ship, adopting the finite element method in this paper ,combining calculated MSC.Patran 、MSC.Nastran software, establishing FEM modal, the strength of ship propeller has been calculated, and the need for strength has been checked. The mechanical character of ship tail is exposed.Key words: propeller, MSC.Patran，MSC.Nastran, FEM, strength1.前言船舶艉部装载着系统的推力装置，是船体系统的一个重要组成部分，它包括有三层甲板，船底外板，柱子结构，动力设备，主机输出设备，各个肋位的横、纵舱臂，以及沿肋位分布龙骨、肋骨和横梁，推力轴承到螺旋桨之间的传动轴以及支撑轴的单、双臂支架。

我国标准对水面船舶艉轴架有着严格的参数规范，但随着技术的不断的进步和国外船舶的引进，每条船的设计有着很大的差异，尽管历年来相应的规范都有了不断的更新，但旧的规范对于新型船舶没有跟上步伐，考虑通过对某船做详细的结构力学特性分析，并以此对现行规范提出部分改进意见。

基于有限元法的螺旋桨叶片强度计算*刘志香(潍坊学院,山东 潍坊 261061)摘 要:为了船舶的安全航行,必须保证螺旋桨具有足够的强度,使其在正常航行状态下不致破损或断裂。

本文采用了一套新的螺旋桨强度预报方法,该方法中结合流体力学中的面元法和结构动力学中的有限元法进行螺旋桨强度预报。

通过实桨的静强度计算,给出了民船螺旋桨静强度校核的安全系数,为该预报方法的实用化奠定了基础。

关键词:有限元法;螺旋桨叶片;强度计算中图分类号:U664 文献标识码:A 文章编号:1671-4288(2009)02-0006-03引言随着民用船舶向大型化方向发展,带来的后果必然使船舶螺旋桨盘面处伴流场不均匀程度越来越高,从而恶化了螺旋桨工作环境;另外主机功率的增加,使螺旋桨单位面积上负荷加大,这些影响促使螺旋桨的强度问题变得十分突出,且对强度的要求已不局限于得到螺旋桨叶片的最小厚度,还需要了解叶片的应力分布情况。

为此我们采用了一套新的螺旋桨强度预报方法,该方法中结合流体力学中的面元法和结构动力学中的有限元法进行螺旋桨强度预报。

本文采用了螺旋桨静强度预报方法[1-4]对已投入运行的无冰区要求的民船螺旋桨进行了强度计算,且根据计算结果给出了推荐安全系数,为新的螺旋桨强度预报方法的实用化奠定了基础。

本文的计算结果也为后续的民船螺旋桨设计提供借鉴和参考。

1 螺旋桨叶片的静强度计算方法本文采用的螺旋桨静强度预报方法可以分为两部分:一是求解螺旋桨叶片外载荷,主要包括表面流体压力载荷和桨叶离心力载荷,其中流体压力载荷本文采用面元法计算;二是采用组合单元的有限元法计算螺旋桨叶片的静强度。

1.1 螺旋桨外载荷研究螺旋桨强度外载荷研究是随着船舶螺旋桨理论发展而得到逐步深化的。

对于前期船舶螺旋桨理论发展的主要目标是解决水动力性能预报问题,其着重点是追求提高螺旋桨整个合力的预报精度,而螺旋桨强度外载荷研究要求它给出精确的桨叶表面压力分布。

本文中螺旋桨的压力分布采用面元法进行计算。

导管螺旋桨设计和水动力性能分析陈宁;赖海清【摘要】针对消拖两用船的综合舵桨系统,在综合舵桨动力传输系统结构设计基础上,对螺旋桨进行了设计研究,利用有限元方法分析了螺旋桨敞水工作时的推力、转矩、敞水效率以及桨叶的总压分布规律,并与实验值进行了对比,发现结论与理论分析结果吻合良好,从而初步形成了从最初的船型参数到预报螺旋桨敞水性能的整个综合舵桨的设计流程,具有一定参考价值.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P10-13,23)【关键词】导管螺旋桨;敞水效率;总压分布【作者】陈宁;赖海清【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U662导管螺旋桨是一种特殊的推进器，我国已经对其进行了大量的模型实验和理论研究工作[1]。

它适用于载荷较大的船舶，如拖轮、顶推船等。

具有在海上航行时，受外界海况变化影响较小，导管对螺旋桨有保护作用，且导管能显著改善航向稳定性等优点。

因此，在需要运动自如的工程船舶上，导管螺旋桨常被开发成综合舵桨系统[2,3]用于工程船上。

导管螺旋桨在结构形式、外型和水动力性能等方面与常规螺旋桨都有较大的差别。

导管螺旋桨的设计，包括导管设计和螺旋桨设计两部分。

国内外常用于导管内的螺旋桨有B型和K型[4]。

B系列螺旋桨常用的是B4-55型，其叶梢较尖。

K型比B型应用广泛，均为宽叶梢，对空泡的敏感较B型小。

K型又分Ka、Kv、Kd等多种，其中以Ka型最为常用。

导管也有多种型号，以4号导管、5号导管、7号导管、19A号导管和37号导管应用得较多。

本文采用了图谱估算方法对综合舵桨系统的导管螺旋桨水动力性能进行计算和研究，并结合导管螺旋桨的敞水实验进行了验证。

广州鸿业拖船有限公司的2×2 500 kW消拖两用船技术规格书所提供的技术参数如表1所示。

摘要本文主要研究的是导管螺旋桨，由于导管螺旋桨相对于常规螺旋桨来讲有自己特有的优点，比如提高螺旋桨的效率，降低螺旋桨的空泡数，增加螺旋桨的推力等。

考虑到船舶运输的经济性，近年船舶不断向大型化，高速化的发展，结合导管螺旋桨特有的一些优点，因此导管螺旋桨的应用越来越普遍，人们对导管螺旋桨的研究也越来越重视，以希望最大限度的利用导管螺旋桨的优点，并尽可能地克服其缺点，来寻求导管螺旋桨的设计最优化。

虽然现在人们对导管螺旋桨的研究越来越深入，但是在导管尺寸对螺旋桨性能的影响方面的研究还相对比较的滞后，因此本文主研究导管尺寸对螺旋桨性能的影响，分别用pointwise和autogrid 画出静止域和转子域的网格，然后导入到cfx中进行水动力模拟计算。

改变水流速度，计算不同水流速度下的推力和扭矩。

以此画出标准桨在不同水流速度下的推力、扭矩和效率曲线。

然后通过改变导管内外径，计算不同内外径下的推力、扭矩、和效率。

并画出在不同内外径，不同进速下的推力、扭矩、效率曲线，通过比较不同内外径，不同进速下的推力、扭矩和效率曲线，以此来寻求导管内外径和桨叶的最优化配合，为以后导管螺旋桨的设计提供基本的依据。

通过研究发现，在一定水流速度下，增大导管直径可以提高导管的推力和扭矩增大螺旋桨的效率。

但随着导管的增大，其受到的阻力也随之增大，所以导管的尺寸要依据螺旋桨直径，水流进速来寻求导管与螺旋桨的最优化配合。

关键词：导管螺旋桨；导管内外径；水流速度；推力；扭矩；效率AbstractThis paper studies the ducted propeller, as compared to conventional ducted propeller propeller concerned have their own unique advantages, such as improving propeller efficiency and reduce the number of propeller cavitation, increase propeller thrust and the like. Taking into account the economics of shipping, shipbuilding continued in recent years to large-scale, high-speed development, combined with some unique advantages of ducted propeller, thus increasing application of ducted propeller, propeller catheter study people more and more attention, to want to maximize the use of the advantages of ducted propeller, and as much as possible to overcome their shortcomings, seek to optimize the design of ducted propeller. Although the study of ducted propeller people deeper and deeper, but the incidence of catheter size propeller performance of research still relatively lag, so the impact of this article main research conduit sizes of propeller performance, respectively, with pointwise and autogrid draw static field and rotor field grid, and then imported into cfx performed hydrodynamic simulation. Change the flow rate, calculate thrust and torque different flow speeds. In order to draw a standard pulp thrust, torque and efficiency curves at different flow speeds. Then by changing the outside diameter of the inner conduit to calculate thrust, torque, and efficiency under different inside and outside diameter. And draw on different internal diameter, thrust into the speed under different torque, efficiency curve, by comparing different internal diameter, thrust, torque and efficiency curves under different feed speed, in order to seek the outer diameter of the inner conduit and the blade optimization with the provision of basic basis for future design of ducted propeller. The research shows that, at a certain flow rate, increasing the vessel diameter catheter can be improved thrust and torque is increased efficiency of the propeller. But with the increase of the catheter, which also increased by the resistance, so the catheter size should be based on the propeller diameter, flow into the speed to seek to optimize the propeller with a catheter.Keywords: ducted propeller, inner and outer conduit, flow rate, thrust torque, efficiency目录摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 .. (1)1.1 课题背景 (1)1.2 研究的目的与意义 (2)1.3 国内外相关理论的发展概况 (3)1.3.1 螺旋桨的分类及特性 (3)1.3.2 导管的几何参数 (3)1.3.3 导管分类 (4)1.3.4 导管翼型 (4)1.4 本文完成的主要内容： (6)第2章导管螺旋桨网格划分 (7)2.1 静止域网格划分 (7)2.2 旋转域网格的划分 (10)2.3 本章小结 (14)第3章导管螺旋桨水动力模拟 (15)3.1 cfx边界条件的设置 (15)3.1.1 cfx简介 (15)3.1.2导管螺旋桨的边界条件在cfx中的设置 (15)3.2 k-omega湍流模型 (21)3.3 本章小结 (22)第4章不同导管尺寸导管桨的建模过程 (24)4.1 改变导管尺寸 (24)4.2改变桨叶尺寸 (27)4.3本章小结 (29)第5章不同尺寸的导管螺旋桨的水动力模拟及后处理 (30)5.1不同尺寸导管螺旋桨的水动力性能计算 (30)5.1.1不同尺寸导管螺旋桨推力系数的计算和比较 (30)5.1.2不同尺寸导管桨扭矩系数的计算和比较 (31)5.1.3 不同尺寸导管桨的效率计算 (32)5.2 cfx对桨叶性能的后处理 (33)5.3 本章小结 (36)结论 (37)参考文献 (39)致谢 (38)第1章绪论1.1 课题背景近年来随着船舶向大型化和高速化的发展，螺旋桨的载荷也不断增加，与普通螺旋桨相比，导管螺旋桨的导管可保证有定向的水流供给螺旋桨，起均整伴流作用，增加了船舶在风浪中的航行稳定性[1-3]。

342第八章 螺旋桨的强度校核为了船舶的安全航行，必须保证螺旋桨具有足够的强度，使其在正常航行状态下不致破损或断裂。

为此，在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定桨叶的厚度分布。

螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。

螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸，若桨叶具有侧斜或纵斜，则离心力还要使桨叶产生弯曲。

此外，桨叶上也可能受到意外的突然负荷，例如：碰击冰块或其他飘浮物体等。

同时螺旋桨处于不均匀的尾流场中工作，使桨叶受力产生周期性变化，故较难精确地算出作用在桨叶上的外力。

在计算桨叶的强度时，我们可以把桨叶看作是扭曲的、变截面的悬臂梁，而且其横截面是非对称的，故计算较为复杂，即使能正确地求得桨叶上的作用力，要精确地进行强度计算也是很困难的。

目前，对于动态负荷(即计及伴流不均匀性影响)下螺旋桨的强度计算方法虽然有所发展，但计算繁复，付之实用还为时尚早。

故在螺旋桨设计的实践中，一般都用理论和实验相结合的近似方法来进行螺旋桨的强度计算。

计算螺旋桨强度的近似方法很多，中国船级社于2001年颁发的《钢质海船入级与建造规范》（以下简称《规范》）中对螺旋桨的强度也有了规定，因为比较偏于安全，用近似方法计算的厚度未必一定能满足规范的要求，因此对“入级”海船应采用规范规定的方法计算。

本章中主要介绍我国2001年《规范》的规定，由此确定桨叶厚度。

为了使读者了解桨叶上的受力情况，对于分析计算方法也作必要的介绍。

§ 8-1 《规范》校核法一、螺旋桨桨叶厚度的确定为了保证螺旋桨的安全，中国船级社2001年《钢质海船入级与建造规范》第三分册第三篇第十一章中，对螺旋桨的强度要求作了明确具体的规定。

螺旋桨桨叶厚度t (固定螺距螺旋桨为0.25R 和0.6R 切面处，可调螺距螺旋桨为0.35R 和0.6R 切面处)不得小于按下式计算所得之值：XK Yt -=(mm ) (8-1) 式中 Y —— 功率系数，按(8-2)式求得；343K —— 材料系数，查表8-1；X —— 转速系数，按(8-3)式求得。

螺旋桨课程设计（华中科技大学船舶与海洋工程学院）一、参考《船舶原理》书p141举例及螺旋桨课程设计模本。

二、自选题目，一人一题。

要求完成下列16项内容：1. 推进因子ω、t、ηR、ηH的确定2. 桨叶数的选取论证3. A E/A0的估算4. MAU桨型的选取说明5. 在估算的A E/A0左右选取2～3张Bp－δ图谱（p267~268附录图7~9）6. 列表按所选的2～3个A E/A0图谱考虑功率储备进行螺旋桨终结设计，得到2～3组螺旋桨的要素及V smax。

D允许＝0.70～0.80T（单桨）D允许＝0.60～0.70T（双桨）7. 对2～3组螺旋桨要素进行空泡校核，由图解法求得不发生空泡的（A E/A0）min及相应的V smax、P/D、η0、D、……8. 计算与绘制该螺旋桨的无因次敞水特性曲线，（对P/D、A E/A0先后两次插值，求K T、K Q，光顺后求η0）p1479. 计算船舶系泊状态（t0=0.04），螺旋桨有效推力与保持转矩不变的转速N010. 桨叶强度校核（海船、内河船）11. 桨叶轮廓及各半径切面型值计算（p110表8-4，p113表8-6）12. 桨毂设计（参考p108图8-5（a））13. 螺旋桨总图绘制：伸张轮廓、切面形状、投射轮廓、侧投影轮廓、最大厚度线、包毂线、桨毂、标题栏、主要要素、型值表、尺寸标注。

14. 螺旋桨重量及惯性矩计算15. 螺旋桨设计总结16. 课程设计体会练习题（为螺旋桨课程设计、毕业设计作准备）举例：某海船尺度如下：L WL=78.0m, B=13.6m, T=3.8m, Cp=0.647,=14,15,16,17kn时的△=2162t, S′=1165.7m2。

试按Taylor法估算船速Vs（kw）的值。

有效马力EHP（hp）和有效功率PE注：估算船舶阻力R和有效马力EHP（P E）的常用方法索引△ 1．Taylor（泰勒）法对中、低速商船，内河船均可适用。