13.8m 高速船可调螺距桨推进方式的研究

马卫泽,唐小光

（武汉劳雷绿湾船舶科技有限公司，湖北 武汉 430083）

小型高速船的推进装置主要选择为舷内外机、表面桨和常规定距桨，这三种推进方式在高速船上的应用各有利弊；舷内外机适用于小功率柴油机，高负荷工况和长时间的使用条件下很容易产生各种问题，后期的维护也不方便；表面桨在空载和满载工况下的推进效率无法兼顾，且低速和倒车的效率在使用体验上不佳，常规定距桨虽然能够兼顾空载和满载的使用工况，但其常规的结构形式无法在同等柴油机功率的条件下获取最大的航速。作为大型远洋货轮的主要推进方式，可调距桨的设计考虑到了不同工况的使用环境，通过改变螺距来获取最佳的推进效率，但因其相对复杂的结构型式和系统配置的限制，很少有小型船舶使用可调桨作为主要的推进方式。针对此问题，本文通过对13.8m 高速收鲜船设计了一种结构型式更简单，使用更方便的可调螺桨，并对相同直径，不同螺距的桨叶进行水动力数据分析，验证了可调距桨叶能够应用于小型高速货船。

1 高速推进装置效率对比

为了更直观的看到各类型高速推进器的工作效率和应用范围，通过查阅各种资料对喷泵、大侧斜桨、表面桨、常规桨以及可调距桨五种高速推进装置的应用速度范围和推进效率集中制作了一个对比曲线(图1），通过此对比曲线可了解到各装置的特性及应用范围。

图1 各类型推进装置效率对比曲线

1.1 实船设计参数

表1 主要设计参数

1.2 实船阻力曲线及航速预报

表2 实船阻力值

高速艇在设计初期都需对其最高航速进行预估，通常利用传统经验公式对其进行预估，如下：

式中，Vs为航速，kn；Ne为主机总功率，kW；为艇的设计排水量，t。

计算所得，其最高航速Vs=39.8kn。

1.3 常规桨叶设计及试验

通过上述航速预报，结合相关螺旋桨的设计公式，计算所得该高速收鲜船应用常规螺旋桨推进装置的设计数值为：直径545mm，螺距635mm，盘面比0.85，4 叶桨，并利用相关软件对此桨叶进行了基础的水动力数据分析，所得结果如下（图2）所示：

图2 常规桨叶J 与KT、KQ、η 曲线对比图

通过上述计算曲线可知，该船在进速系数J=0.97时，常规固定桨叶的推进效率η 最大为0.69，换算可得该船的实际最航速为V=27.4kn，与经验公式估算的最高V=39.8kn 有着很大的差距，后续根据计算所得的数据制作了一对桨叶，安装于实船后进行试航试验，最终所得满载最高航速为28kn，空载航速为30kn，试验结果与理论经验计算结果差距较大，但与软件分析的最大航速误差范围较小。

1.4 表面桨设计及试验

关于该船表面桨桨叶的设计现阶段主要采用图谱设计法。首先设定一个航速VS，用不同直径系列的桨叶直径Di，计算桨叶的进速系数J 和系，利用Rose 图谱（图3）计算得出相应的螺距比和效率η，利用公式得出，进而求得桨叶发出的推力,通过计算所得的推力与实船的阻力曲线进行对比，进而选出合适的桨叶尺寸。通过上述公式计算所得该船在满载工况下表面桨桨叶最佳直径D=610mm，螺距P=813mm，盘面比0.86。

图3 30%浸没面积下J 和η-图谱曲线

根据以上数据加工一对表面桨叶进行实船试验，满载工况下该船的最高航速为28-30kn，空载工况下最高航速为38kn。

1.5 问题分析

通过上述常规桨叶与表面桨的设计与试验数据分析，常规桨在满载工况和空载工况下主机都能够承受相应的负荷，但实际航速和预估航速有着很大的误差，使用表面桨的空载最高航速和理论预报航速的误差较小，但在满载低速航行工况下的效率很低。

不论是常规定距桨还是表面桨，桨叶的设计都只是针对其一个航速工况条件来进行设计，无法兼顾满载和空载状态下最大的效率。而对收鲜船这种装载负荷变化较大的船型，因考虑其大部分时间所处在的负荷工况来进行针对性的设计，现就根据收鲜船两种负荷工况，设计两只不同尺寸的桨叶，对这两只桨叶进行水动力数据分析。

2 可调螺距桨叶分析

桨叶周围的流体循环通常是一个难以观察到的物理性质联系起来的概念。对于螺旋桨分析的目的，可以看作是一个数学系统，使用涡流作为一个简单的数值模型，以适当地解决桨叶在运动过程中产生的力量和速度。根据相关资料，适应尾流的桨叶最佳环量径向分布由下式所得：

2.1 空载设计点桨叶

收鲜船在进行收集新鲜渔获时，从港口出发需要以最快的航速到达目的地，此时船没有载货，排水量轻，主机和螺旋桨所承受的载荷较小，这种工况下，桨叶直径相对较小，螺距较大，以此来最大化吸收主机输出的功率载荷，发出更大的推力，使船达到最高航速。

根据相关计算文件对此工况下的最佳螺旋桨叶数据进行计算所得为：以空载重量为设计点的桨叶尺寸为：直径D=545mm，螺距P=775mm，盘面比0.85。

通过对KT，KQ和η 的数值分析，各项数值在相应进速下的趋势如下所示：

图4 D=545,P=775 桨叶J 与KT、KQ、η 曲线对比图

图5 D=545,P=630 桨叶J 与KT、KQ、η 曲线对比图

2.2 满载设计点桨叶

收鲜船在收集完新鲜渔获后，整船排水量增加，以满载重量为设计点的桨叶尺寸为直径D=565mm，螺距P=630mm，盘面比0.79。通过对KT，KQ和η 的数值分析，各项数值在相应进速下的趋势如下所示：

图6 D=565,P=775 桨叶J 与KT、KQ、η 曲线对比图

图7 D=565,P=630 桨叶J 与KT、KQ、η 曲线对比图

2.3 桨叶螺距变更分析

表3 桨叶数值对比表

根据上述计算曲线及数值对比显示了桨叶在直径变动不大的情况下，通过调整其螺距可实现桨叶效率的提升。

3 结论

根据对常规固定螺距、表面桨和可调距桨的数据计算和试验分析，可调螺距的桨叶设计在渔业高速船舶的应用有着广泛的前景，可调螺距的桨叶能够很好的兼顾空载和满载两种负荷工况下的推进效率，根据载荷工况条件的不同，航行过程中调整螺距来适应主机的输出功率，以此达到效率的最大化。

可调距桨叶的设计需根据船舶的具体使用工况分布，有针对性的进行设计。