双桨船螺旋桨的适伴流设计

船用螺旋桨的设计关键分析船、机、桨系统中，船体是能量的需求者，主机是能量的发生器，螺旋桨是能量转换装置，三者之间是相互紧密联系的，但同时又要遵从各自的变化特性。

1.螺旋桨民用船使用的图谱桨，一般以荷兰的B型桨和日本的AU桨为主。

AU桨为等螺距桨、叶切面为机翼型；B型桨根部叶切面为机翼型、梢部为弓形，除四叶桨0.6R至叶根处为线性变螺距外，其余均为等螺距，桨叶有15°的后倾。

为便于设计方便，由．KT、KQ——J敞水性征曲线图转换为BP一δ图谱。

桨与船体各自在水中运动时，都会形成一个水流场。

水流场与桨的敞水工作性能和船的阻力性能密切相关。

当桨在船后运动时，2个原本独立的水流场必然会相互作用、相互影响。

船体对螺旋桨的影响体现在2个方面：（1）伴流。

由于船尾部螺旋桨桨盘处因水的粘性等因素作用，形成一股向前方向的伴流，使得螺旋桨的进速小于船速。

（2）伴流的不均匀性。

船后桨在整个桨盘面上的进速不等(在实用上可取相对旋转效率为1)。

2.螺旋桨对船体的影响由于螺旋桨对水流的抽吸作用，造成桨盘处的水流加速，由伯努利定律可知，同一根流线上，水质点速度加快，必然会导致压力下降，从而造成船的粘压阻力增加。

也就是桨产生的推一部分用于克服船体产生的附加阻力。

如果用伴流分数ω表征伴流与船速的比值，用推力减额t表征船体附加阻力与船体自身阻力的比值。

那么，敞水桨与船后桨的差别就在于一个船身效率(1一t)／(1一ω)从中可以看出，伴流分数ω越大、推力减额t越小，则船身效率越高。

从螺旋桨图谱可以看出，横坐标的参数为√BP或BP。

BP称为收到功率系数(或称为载荷系数)，其值为：BP=NPD0.5 /VA2.5式中：N为螺旋桨转速；PD为螺旋桨敞水收到功率；VA为螺旋桨进速。

BP值越小，对应的螺旋桨敞水效率越高；反之，则螺旋桨效率越低。

从个体因素来讲，N值和PD0.5 /VA2.5值越小，BP 值就越小。

PD和VA参数有联动关系，在相对低速的范围内，PD值变大、BP值变小；在相对高速的范围内，PD值变大、BP值也变大。

第1章螺旋桨设计与绘制1.1螺旋桨设计螺旋桨设计是船舶快速性设计的重要组成分。

在船舶型线初步设计完成后，通过有效马力的估算获船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。

在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又能使消耗的主机马力最小；或者当主机已经选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。

螺旋桨的设计问题可分为两类，即初步设计和终结设计。

螺旋桨的初步设计：对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速计效率决定主机的转速及马力。

终结设计：主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。

在本文中，根据设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.6m，进行初步设计，获得所需主机的马力和主机转速，然后选定主机；根据选定的主机，计算最佳的螺旋桨要素及所能达到的最大航速等。

1.1.1螺旋桨参数的选定（1）螺旋桨的数目选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、震动、操纵性能及主机能力等各方面因素。

若主机马力相同，则当螺旋桨船的推进效率高于双螺旋浆船，因为单螺旋桨位于船尾中央，且单桨的直径较双桨为大，故效率较高。

本文设计船的设计航速约为17.5kn的中速船舶，为获得较高的效率，选用单桨螺旋桨。

（2）螺旋桨叶数的选择根据过去大量造成资料的统计获得的桨叶数统计资料，取设计船螺旋桨的叶数为4叶。

考虑到螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，在图谱设计中，单桨商船的桨叶数也选为4叶。

（3）桨叶形状和叶切面形状螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼型两种。

弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载时效率较机翼型约低3%~4%。

若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商用螺旋桨采用机翼型切面。

根据以上分析，选择MAU4叶桨系列进行螺旋桨设计。

1.1.2 螺旋桨推进因子螺旋桨的伴流分数取螺旋桨以等推力法进行敞水实验获得的实效伴流：0.404ω=推力减额按照汉克歇尔关于单桨螺旋桨标准商船公式进行计算：0.500.120.22P t C =-=主机的轴系传递效率： 0.97s η= 相对旋转效率： 1.00R η= 船身效率： 1 1.311H tηω-==-1.1.3 有效马力曲线有效马力曲线表征的是船体阻力特征。

螺旋桨环流理论(升力线理论)设计侯奕;孙江龙;吕续舰【摘要】分别应用Morgan关于近似法的理论与Lerbs关于精确法的理论进行螺旋桨环流理论(升力线理论)设计,并将用2种方法分别计算得到的切向和轴向诱导速度、环量分布和升长系数进行对比.由计算结果得知二者相当接近,因而实际应用中在螺旋桨初步设计阶段可以使用近似法较为简便地进行估计.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2014(036)009【总页数】4页(P110-113)【关键词】升力线理论;近似法;精确法【作者】侯奕;孙江龙;吕续舰【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院船舶和海洋水动力湖北省重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院船舶和海洋水动力湖北省重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院船舶和海洋水动力湖北省重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】U661.31+3船舶螺旋桨的设计经历了基于模型系列试验的图谱设计、升力线和升力面理论设计与计算和格林函数法理论设计与计算的不同发展阶段[1]。

其中，升力面理论的应用日趋完善。

而升力线理论设计结合升力面理论修正，可以较为便捷地提供初步数据以供参考和估计，因此基于升力线理论的螺旋桨设计依然具备其自身优点和使用价值。

在实际应用中，螺旋桨环流理论(升力线理论)设计有2种方法：一种为近似法，即哥尔斯坦函数法；另一种为精确法。

本文分别在近似法与精确法中应用了Morgan[2]与Lerbs[3]的理论和方法。

一般说来，与近似法相比，精确法使用诱导因子对切向和轴向诱导速度等参数进行求解，对螺旋桨设计问题能够给出许多精确的解。

而近似法设计计算简单，能够给出与精确法计算相比相当一致的结果。

本文通过对比分析2种设计方法计算得到的对应数据，验证了这一点。

1.1 近似法在螺旋桨升力线理论设计过程中，引入了一些假定：螺旋桨的尾流不收缩，忽略径向诱导速度，总的诱导速度与入流速度垂直等。

7螺旋桨设计螺旋桨设计主要有两部分工作：⑴、确定设计船的阻力或有效功率曲线EHP⑵、据此进行螺旋桨设计并预报设计船航速7.1阻力或有效功率的估算当主尺度和船型系数确定以后，必须知道自己功率以确保船舶达到规定的航速，或如果主机功率已知，则需估算阻力或有效功率以预报船舶的设计航速，进而可初步分析比较各种方案的优劣。

可采用海军系数法，比较估算法（具体公式参照《船舶原理》教材）。

采用艾尔法来估算有效功率曲线，具体方法如下：依据《船舶原理》上册第7章，第2节的经验公式之一的艾尔法公式7.1.1艾尔法的基本思想艾尔法首先针对标准船型直接估算有效功率，然后根据设计船与标准船之间的差异逐一进行修正，最后得到设计船的有效功率值。

7.1.2根据艾尔法进行列表计算下面是计算表格：表7.1 艾尔法计算有效马力速度v（kn） 8 9 10 11 12弗洛德数vs/sqrt(gL) 0.15662 0.176196 0.19577 0.215351 0.23493标准C0查图7-3 440 430 410 390 350标砖Cbc查图7-5 0.83 0.79 0.76 0.73 0.695实际Cb(肥或痩)（%）-6.75,肥-12.15肥 -16.5肥-21.3肥-27.4肥Cb修正（%）若肥：Cb肥（%）x3x实际Cb -78.907 -138.889 -180.67 -221.524 -255.67 vs/sqrt(L) 0.49046 0.551769 0.61308 0.674384 0.73569已修正Cb之C1 361.093 291.1111 229.326 168.4757 94.3348B/T修正（%）=-10Cb（B/T-2）% -0.3323 -0.33225 -0.3323 -0.33225 -0.3323B/T修正数量，△2[式(7-23)] -119.97 -96.7217 -76.194 -55.9761 -31.343已修正B/T之C2 241.12 194.3894 153.132 112.4997 62.9921标准xc，%L，船中前或后，查表7-5 0.95 0.79 0.55 0.16 -0.6实际xc，%L，船中前或后0.862 0.862 0.862 0.862 0.862相差%L，在标准者前或后0.125 -0.1022 -0.443 -0.9971 -2.076xc修正（%),查表7-7（b）3.7 3.2 2.6 2.1 1.5(△3)0 8.92143 6.22046 3.9814 2.36249 0.9448xc修正数量，△3[式（7-25）] 0 0 0 0 0已修正xc之C3 241.12 194.389 153.13 112.499 62.992长度修正（%）=（Lwl-1.025Lbp）/Lwl×100% -0.1165 -0.1165 -0.116 -0.1165 -0.116 长度修正数量，△4式[(7-25)] -0.2807 -0.2262 -0.178 -0.1309 -0.073已修正长度C4 240.839 194.163 152.95 112.368 62.918V3s 512 729 1000 1331 1728Pe=△0.64V3s/C4×0.735(kW) 299.052 528.158 919.69 1666.23 3863.3peb(无附体) 276.9 489.035 851.56 1542.80 3577.2Pe(hp) 406.597 718.094 1250.4 2265.44 5252.7根据计算结果，可以得到有效马力曲线，表7.2 有效马力曲线表V(kn) 8 9 10 11 12Pe(hp) 406.59 718.094 1250.43 2265.444 5252.727.2螺旋桨图谱设计7.2.1初步确定螺旋桨的最佳转速7.2.1.1 螺旋桨的叶数依据《船舶原理》下册第8章的有关内容，螺旋桨的叶数与主机气缸数的比值不能为整数（否则会对船体振动不利）。

第一章引言杂货船一般没有固定的航线和船期，而是根据货源情况和需要航行于个港口之间，杂货批量远不及石油、矿砂那样多，除杂货外，也可载运散装杂货或大件货物等。

杂货船有航行于内河的小船，也有从事远洋国际贸易的两万吨载重吨以上的大船。

国际上普通货船在载重量通常在一万至两万吨。

杂货船不追求高速，而注重经济性和安全性，要求尽量多装货，提高装卸效率，减少船员人数和保证航行效率，减少船员人数和保证航行、货物安全。

杂货船是干货船的一种，装载各种包装、桶装、箱装、袋装和成捆等件杂货的运输船舶，又成为普通货船。

杂货船应用广泛，吨位术在世界商船队中居首位。

干货船，又称普通货船，是以运载干燥货物为主，也可装运桶装液体的货船，是最常见的货船，专门用来装运成包、成堆、成扎成箱的干货。

为避免受压，该货船有两至三层全通甲板，根据船的大小设有三至六个货舱，甲板上带有舱口未闭的货舱口，货舱口特别大，上面有水密舱口盖，一般能自动启闭。

配有完整的起货设备。

货舱口两端有吊杆装置，还有回转式起吊吊车，机舱设在船的中部或尾部。

前一种布置有利于调整船舶的纵倾，后一种布置可增大载货容积，但空载时有较大尾倾。

杂货船底部多为双层底结构，能防止船底破损时海水进入货舱，并可增加船体的纵向强度，双层底内空间可用作清水舱和燃料舱，也可做压载舱以调节船的重心。

本文是按照设计任务书的要求所进行的关于货船的设计，在设计过程中查阅了大量的资料和数据，并得到专业老师的指导和同学的帮助，在这里我向他们致以最诚挚的谢意。

由于本人的能力有限，在设计中不可避免的会出现一些错误，还望老师给予批评和指正。

第二章全船说明书2.1 总体部分2.1.1 概述小型沿海货船具有货物周转快，运输方便灵活，适合沿海短距离运输等特点。

可以进入条件简陋或水深限制的小型港口，码头。

还可以进入内河进行运输，是连接内陆沿江，沿海地区与沿海地区一种纽带。

2.1.2 主要数据2.1.2.1 主尺度总长L oa65.37m垂线间长L pp60.0m型宽 B 10.9m型深 D 5.35m设计吃水 4.2m排水量1869t2.1.2.2 主要船型系数长宽比Lpp/B 5.58长深比Lpp/D 11.2宽深比B/D 2.04宽度吃水比B/T 2.6方形系数Cb 0.662中剖面系数Cm 0.951水线面系数Cww 0.774棱形系数Cp 0.6952.1.2.3 载重量设计吃水4.2m，海水密度1.025t/m3时，载重量约1100t。

螺旋桨推力计算模型根据船舶原理知：42D n K T T ρ=（T K 为螺旋桨的淌水特性）通过资料查得：T K 为进速系数J 的二次多项式，但无具体的公式表示，只能通过图谱查得，同时tK K T T -=10（0T K 为淌水桨在相同的转速情况下以速度为V A 运动时的推力、进速系数nDW U nD V J P A p )1(-==） 估算推力减额分数的近似公式：1. 汉克歇尔公式：对于单螺旋桨标准型商船（C B =0.54~0.84） t=0.50Cp-0.12 对于单螺旋桨渔船： t=0.77Cp-0.30 对于双螺旋桨标准型商船（C B =0.54~0.84） t=0.50Cp-0.18 2. 商赫公式对于单桨船 t=KW 式中：K 为系数K=0.50~0.70 适用于装有流线型舵或反映舵者 K=0.70~0.90 适用于装有方形舵柱之双板舵者 K=0.90~1.5 适用于装单板舵者 对于双螺旋桨船采用轴包架者：t=0.25w+0.14 对于双螺旋桨船采用轴支架者：t=0.7w+0.06 3. 哥铁保公式对于单螺旋桨标准型商船（C B =0.6~0.85） P B WPBC C C C t ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=5.13.257.1对于双螺旋桨标准型商船（C B =0.6~0.85） B WPBC C C t 5.13.267.1+-= 4. 霍尔特洛泼公式对于单螺旋桨船sternP C BT D C BC B L t 0015.0)/(1418.0000524.00585.1)/(001979.02101+--+-=式中：10C 的定义如下： 当L/B>5.2 L B C /10=当L/B<5.2 )134615385.0//(003328402.025.010--=L B C 对于双螺旋桨船： BT D C t B /1885.0325.0-=估算伴流分数的近似公式1. 泰洛公式（适用于海上运输船舶）对于单螺旋桨船 05.05.0-=B C ω 对于双螺旋桨船 20.055.0-=B C ω 式中C B 为船舶的方形系数。

螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计王文全; 马开放; 王诗洋; 叶礼裕【期刊名称】《《应用科技》》【年(卷),期】2019(046)005【总页数】9页(P1-9)【关键词】螺旋桨; 非均匀流; 适伴流理论设计; 参数优化设计; 伴流谐调分析法; 升力线法; 升力面法; 面元法【作者】王文全; 马开放; 王诗洋; 叶礼裕【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011; 哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】U661.7随着船舶向大型化、高速化方向发展以及高功率主机的使用，船后伴流场的不均匀程度和螺旋桨的负荷加重，出现了尾振、结构损坏、噪音及剥蚀等现象。

在开展螺旋桨设计时，未考虑伴流场的影响，将可能导致所设计的螺旋桨所在伴流场不匹配，出现振动、噪声、推力不符合要求，耗能增大等现象。

船舶螺旋桨适伴流设计的目的就是考虑船桨一体的相互影响，在船舶艉后伴流场条件下，选择合适的直径及拱度、螺距、纵斜和侧斜的分布，尽量减小桨引起的振动、空泡及噪声等一系列问题。

开展螺旋桨的适伴流设计需预报船后伴流场以设计适合于所在伴流场条件下运转的螺旋桨。

舰艇艉后为以湍流脉动、黏性效应和漩涡运动为特征的复杂流场区域，导致艇艉后伴流严重不均匀[1-2]。

由于潜艇螺旋桨实际上都是工作于艇艉后伴流中，螺旋桨空化、噪声性能受到艇艉后不均匀伴流的影响十分严重，在对螺旋桨设计时必须考虑艇艉后不均匀伴流场的影响。

1963年，Beveridge等[3]基于Lerps理论采用Eckhardt-Morgan方法设计适伴流螺旋桨，在敞水和伴流条件下进行试验，均得到很好的性能。

Donald MacPherson[4]分析舰船适伴流螺旋桨设计时，认为随着越来越多螺旋桨建造厂能够实现数字化建造，舰船量身定制或半定制合适的推进器成为可能。

丁举等[5-6]比较单桨与双桨船的流场不同特点，计及切向伴流影响，开展双桨船适伴流桨设计。

网络首发地址：https:///kcms/detail/42.1755.TJ.20221031.1658.001.html期刊网址：引用格式：刘旭, 姚强, 朱成华, 等. 基于高斯近似和NSGA-Ⅱ的伴流螺旋桨优化[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(4): 197–205.LIU X, YAO Q, ZHU C H, et al. Optimization of wake propeller based on Gaussian approximation and NSGA-II[J].Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(4): 197–205.基于高斯近似和NSGA-Ⅱ的伴流螺旋桨优化扫码阅读全文刘旭1，姚强2，朱成华3，杨鹄*41 渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 1251012 中国船舶集团有限公司 综合技术经济研究院，北京 1000813 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 4300744 武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050摘 要:［目的］为改进船舶推进性能，提高船舶效能，克服螺旋桨参数众多、建模繁琐、水动力数值计算收敛速度慢、伴流场的湍流效应等问题，提出一套螺旋桨高效优化方法。

［方法］首先，将基于非均匀有理B 样条的自由曲面变形（NFFD ）技术构建的参数化螺旋桨作为输出，利用CFD 数值仿真对螺旋桨性能特征进行预报。

然后，基于仿真数据建立螺旋桨性能高斯近似预测模型，建立以提高效率、降低扭矩系数为目标的优化模型，利用二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）得到最优解。

［结果］结果显示，在均匀流场和船后伴流场下，螺旋桨的优化结果有着相似规律，即桨叶宽度和厚度均呈减小的趋势，倾斜角呈增大趋势，但由于在船后伴流场下流速会降低，因而桨叶宽度和厚度的减小以及倾斜角的增加幅度相对于均匀流场下的小。

［结论］采用所构建的方法可以实现均匀流场和船后伴流场下螺旋桨的高效优化设计。