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第三章 船机桨匹配与主机、螺旋桨的选型
3.1 船机桨匹配理论
船舶航行时需要螺旋桨提供推力以克服船舶阻力，使船舶以稳定航速航行。螺旋桨要发出推力，需要主发动机提供旋转力矩以克服螺旋桨的旋转阻力矩，使螺旋桨在稳定转速下运转，这样，构成船机桨的能量转换系统。可以认为，船机桨的能量转换系统按一定的物理模型运行，如图3-1。即主发动机发出能量，由传动设备将能量传递给螺旋桨，螺旋桨把旋转的能量转化成推力，以此推力克服船舶阻力，使船舶以稳定航速航行
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。
图3-1 能量转换系统模型
这个船机桨系统的物理模型，概括了整个系统的能量转换过程。船机桨工况配合特性是分析在各种航速条件下，各种能量转换过程的物理参数变化和规律，从而找出最佳参数和转换方式。就是说，寻求一个由燃料变为有效推力的最佳转换过程，得到一个最经济的，具有最好的营运经理性和投资效果的设计方案。并且，这种方案中各部件在所有的航行条件下都能胜任工作，有了这样的设计方案，在完成给定
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的航运任务的情况下，使消耗的能量减少到最低限度，并节省能源。所以，在能源短缺的今天，从既能的观点出发研究动力装置最佳能量转换是非常重要的。
包括主机选型与螺旋桨参数确定的机桨匹配设计，主要是在已知条件下经过分析论证与计算，得出所需的主机功率和螺旋桨转速，从而初步选定主机型号。但是往往选择的主机型号，其功率与转速不大可能完全与初步匹配设计阶段的计算结果相一致，而往往是相近的，因此再必须以所选择的主机型号、功率、转速为基础，匹配一只效率最高的螺旋桨以达到任务书提出的设计航速。
船机桨之间的配合是否完善将影响柴油机能否发出全部功率，并且影响柴油机是否在最佳状态下工作；船机桨之间的配合是否完善还将影响螺旋桨能否吸收柴油机的全部功率，并且最有效地将旋转能量转化成有效的推力。如果螺旋桨设计不当或机桨不匹配，经常出现主发动机功率不足，甚至主发动机超负荷，破坏了主发动机的工作。过去，对于同一缸径和冲程的柴油机只有一个额定输出点（MCR）。由于热负荷及经济性因素，其最佳使用工况一般推荐85~90%MCR。这在一定程度上不能满足某一选定船舶所需要的功率和螺旋桨需要的最佳转速。近年来，柴油机厂采用了先进技术，采用了减额输出方法，于是对于同一缸径及冲程的柴油机有了比较宽广的功率及转速输出范围可供选择。
在匹配的过程中，确定主机相匹配的螺旋桨参数是其中主要的设计内容。影响螺旋桨性能的参数较多，诸如价桨数、桨径、转速、螺距比、桨叶数、盘面比等。个参数之间又相互制约，故在计算和选定有关参数时应综合考虑各方面的要求，充分协调各参数之间的关系，从推进效率、空泡、振动、机动性、生命力等方面统筹考虑，做出合理的决定。
3.2 船机桨匹配计算 3.2．1 BP—δ图谱
确定螺旋桨特定参数的方法很多，本文采用最为普遍的经验图谱表辅以简单的经验公式来确定。这种方法比较简单方便，易于为人们所掌握，而且如果选择图谱
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适宜，其结果也比较满意。虽然应用图谱设计受到螺旋桨系列型式的限制，但此类资料日益丰富，已经能够包括一般常用螺旋桨的类型。
目前各国已经发表的螺旋桨设计图谱较多。以荷兰的楚思德B型螺旋桨和日本的ＡＵ型螺旋桨应用最为广泛。这两种类型螺旋桨的图谱中，B～δ型图谱是目前最常见的也是应用最广泛的一种图谱形式。B型螺旋桨设计是采用BP~δ图谱，其纵坐标为螺距比H/D，横坐标BP如图3-2。
图3-2 B型BP—δ图谱
图中有三种曲线：螺旋桨效率ηp及直径系数δ的等值线和最高效率线ηpmax。每张图谱对应于一定的叶数和盘面比。BP和δ是B型图谱的计算系数，BP和δ的表达式如下：
12D2.5aBP?KBn?Pv （3-1）
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δ?Kbn?Dva （3-2）
式中：BP为功率系数；δ为直径系数；n为螺旋桨转速（r/min）；va为螺旋桨的进速（kn）PD为螺旋桨收到的功率（kw）；D为螺旋桨直径（m）；KB和Kb为单位转换系数，分别为1.159和3.28。
初步匹配设计的任务是在已知航速v和有效功率EHP——v的曲线条件下根据船舶的主尺寸来选定螺旋桨直径D，并确定螺旋桨的最佳转速n，螺旋桨效率ηp,螺距比H/D，跟据此决定主机功率和转速，并且选购主机。或者根据给定的转速n，来确定螺旋桨确定螺旋桨效率ηp,最佳直径D，螺距比H/D及主机功率，并据此选择主机。也就是说，在这个阶段要求我们根据给定条件确定最佳的螺旋桨特性参数，选择合适的主机。使之既能满足打达到预定航速的要求，又能使消耗的主机功率小，以达到最好的匹配效果。
3.2．2 计算过程
对于这类问题的求解，在计算之前必须先根据已知条件选定有关数据。放到本论文目标船舶动力装置设计的实际应用当中，可以根据船舶的吃水、用途并结合经验数据，先选定螺旋桨的主要参数再进行计算。今已经选定螺旋桨的直径D=5.5m，叶数Z=4，盘面比AE/AO=0.40。现在求螺旋桨的最佳转速n,螺距比H/D以及效率ηp，并以此来确定主机功率。
1）计算螺旋桨进速va；
va=（1-w）vs=(1-0.184)×9=7.235kn （3-3）
2）计算推功率U：
EHP1?w0.816?EHP??4474?4172.3kW （3-4） ηh(1?t)0.875 U?4）假定几个转速，列表3-1进行计算；
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