--系列低振动螺旋桨

本系列螺旋桨原为满足当代集装箱船以20～25kn航速运行之用，其载荷系数CT=/J2P值在0.7～1.40之间。桨的侧斜度θsk=24.5°，计及桨叶厚度，实测θsk略有增大（叶梢剖面中点到最大侧斜剖面基准线中点，和到最大侧斜剖面叶面中点之间的角度差），故实测侧斜度θsk≤25°。

表1中所列为SQ-5-70系列桨的几何参数，除桨叶各半径r处的相对叶宽C/D外，侧斜角θsk显示，桨叶系单后侧斜式。桨叶各r处剖面基准线中点位置带有纵倾TAD（Total Axial Displacements）与桨直径D比值TAD/D列于表中。将TAD/D分布设计成非线性的原因，是控制径向流动。通常，载荷大的螺旋桨，其径向流动趋势更甚，而载荷大的桨通常螺距比P/D值较低。故对螺距比低的螺旋桨增大桨纵倾TAD/D的曲率。表1中所列为P/D=（P/D）0.7=1.0时的数值，当（P/D）0.7值有别于1.0时，桨叶各r剖面的TAD/D值为

TAD/D=（TAD/D）*/（P/D）1/3

由于所述非线性纵倾所导致桨叶梢到桨盘面中点的连线与桨盘面的夹角（传统所称后倾角）值在10°～13.5°间，即小于原教科书和手册推荐的上限值15°。

据螺旋桨设计要求，从图1性能曲线选定螺旋桨的螺距比P/D=（P/D）0.7之后，由图2确定选用的方案各相对半径r处局地螺距比P/D及拱度比f/C值。从而确定SQ-570的全部几何参数。

图1中除包含KT、KQ-JP等螺旋桨性能曲线之外，还有螺旋桨在均匀流场中的“空泡斗”，即背空泡、面空泡的限界线，有了新的评估新设计桨空泡性能的手段。由于螺旋桨空泡化所带来的振动、剥蚀、噪声等一系列问题的严酷现实，按设计任务书给定的运行条件，判断会否遇到空泡所带来的负面效应，及在什么情况允许或避免何种空泡及其相应效应，仍须仔细权衡，最后还要接受工程实践的考验。

对于以减小桨激振动为目的开发的SQ-5系列螺旋桨，当初选了不同盘面比EAR（0.50，0.70， 0.85）的试验方案，实践却显示，不是所有各方案，都有相同的实用价值。例如，在为1600TEU船用螺旋桨招标时，各投标方提供的桨的盘面比分别为EAR=0.70，0.75，0.60，0.636等，而美国为航速VS≈25kn的滚装货船研发的6叶大侧斜桨[6]的盘面比EAR=0.767。普遍接近EAR=0.70，距0.50和0.85相对较远。在所述范围内，盘面比EAR对螺旋桨的推进效率、空泡特性的影响有限。因此，只将SQ-5-70的资料充实、精炼汇总于此，作为基本方案，满足前面提到的航速VS=20～25kn且受到桨激振动剧烈威胁的船舶的减振和推进需要。简言之，桨的适用对象是一类专门的船。

表1 SQ-5-70螺旋桨几何参数

图1（a） SQ-5-70（θsk=25°）系列桨推力系数KT、空泡斗综合图谱

试验模型D=240mm，空泡筒试验转数1500r/min，水池试验转数600r/min

图1（b）SQ-5-70系列桨扭矩系数KQ及推进效率ηP综合图谱

图2 SQ-5-70系列桨P/D及f/C关系（横坐标为图1上所得（P/D）0.7数据、纵坐标为处数据）

归纳起来，利用SQ-5-70图谱设计低振5叶侧斜螺旋桨的步序大致如下：按螺旋桨设计任务书要求，由图1（SQ-5-70图谱）找到与船-机匹配的螺旋桨之后，已知具体适配方案的直径D及其螺距比P/D=（P/D）0.7和推进、空泡性能数据，可以进行船舶的快速性预报，及最终确定桨的各几何参数。即由表1查出各半径处的C/D、θsk及经（P/D）0.7修正后的TAD/D=（TAD/D）*/。再到图2根据（P/D）0.7查找选用方案的P/D～及f/C～值。

据桨轴沉深H及桨直径D和运行转数n，可得螺旋桨运行空泡数σn=2（p-e）/ρn2D2，在该转数n （运行空泡数σn）值，=const条件下，所选用的螺距比为P/D的桨，出现背空泡和出现面空泡的相应进速系数JP，从而确定实际运行转数n下，螺旋桨在什么JP值下，会否出现空泡及出现何种类型空泡；并评估螺旋桨盘面处伴流场不均匀所带来的JP变化，可能诱生何种空泡及其相应后果。

附录：SQ-5-70系列低振动螺旋桨评述

为满足当代商船推进需要，上海船舶研究设计院决定开发五叶低振螺旋桨系列。经过调研，查明当代民船用低振桨，也是采用径向变螺距、侧斜、叶梢卸载，及经实践考验的翼型剖面等措施。由于调控的参量很多，影响桨性能的方面，包括效率、空泡、振动、剥蚀、噪声等。因此，若要从物理、数学概念出发，制订初步方案，进行模型试验，再经过实船上伺机考核，如此反复后，形成用于工程实践的螺旋桨系列，费时费力。从一些公司、院、所提供的螺旋桨产品、设计方案看，虽然是为特定船舶和主机配置的特定专用螺旋桨，但出自同一供货方的产品有很多的共同点，可以断定它们均拥有自备数据库或已形成品牌。根据以上理念，在开发低振螺旋桨系列之初，搜索公开发表的低振螺旋桨资料，加以筛选，确定初试方案，经考核后再适当铺开。

据1979年美国发表的大侧斜螺旋桨研发报告[6]，为减小船体振动和避免剥蚀研发的6叶螺旋桨，与原用常规桨相比，在相应测点测得的振动量下降了66%～80%。1985年苏联《船舶原理手册》[3]发表了一批新研螺旋桨系列，其中包括M475四叶低振动桨系列，桨侧斜度θsk≈30°。1996年在俄国船用推进器研究所（苏-ЦНИИ-11）了解到，该系列是在吸收原有系列桨使用经验基础上开发的，并取得实际减振效果。利用前述技术资料的理念和数据，为若干国产船舶设计螺旋桨，取得了满意的结果。

当上海船舶研究设计院决定研发5叶低振侧斜螺旋桨时，决定主要参照M475系列，结合国内经验及当代工程需要，取定系列的主要参数：

关于侧斜度，取桨叶侧斜θsk＜≈25°。鉴于各船检局均认定θsk≤25°为常规桨，便于通过船检，又收侧斜改善桨叶振动性能之利。

关于桨叶剖面，采用上述美、苏都用的翼型，NACA66厚度分布及a=0.8mod.拱度分布规律[6，3]。

问题在于设定各半径r处剖面的推力载荷分布，即包括桨叶剖面螺距比P/D～r及拱度f/C～r分布。当1600TEU集装箱船用5叶螺旋桨招标，要求提供船舶满载航速VS不低于20kn，桨叶上方船底板处脉动压力幅值Δp= ＜6k Pa的5叶螺旋桨时，曾参照M475系列螺旋桨[3]的螺距比P/D，剖面拱度比f/C的径向（r）分布，设计、制作了投标桨模型。在各投标方代表在场的情况下，于交通部上海船研所进行了试验比测，得到了表2中所列试验结果。在欧洲某公司因脉动压力超标退出后，又在上海交通大学空泡实验室进行了脉动压力复试，证实表2中所取得相对比较关系，仍然保持。

表2 1600TEU集装箱船用螺旋桨招标模型试验结果

基于上述比较结果，上海船舶设计院出资开发5叶低振动螺旋桨系列，以满足航速VS≈23kn和载荷系数CT=0.9～1.3的单桨中高速船推进需要。出于吸取已有工程经验之目的，在螺距比径向分布P/D～规律上，移用M475的数据；而桨叶拱度分布f/C～的数值，采用比M475的略高，均在统计值之范围内。估计装备低振螺旋桨的船舶大多航速低于VS＜24kn，桨运行进速系数JP＜0.75。用选定P/D～变化规律的桨的=0.7处的螺距比值（P/D）0.7＜1.1，故系列桨的名义螺距比（P/D）0.7在0.6～1.1之间，窄于常见图谱的P/D在0.6～1.6之间的情况。盘面比EAR选了0.5，0.7，0.85三种，共计12只模型。资料经设计院史一鸣汇总整理，先后有沈鼎安等参与。

鉴于螺旋桨是一种船舶航行时持续运行的装置，一切关于桨的理论、资料、措施，都必须接受工程实践的考验。新开发的SQ-5系列，当然也必须在实船运行中检查其适用性。是的，根据特定船舶具体的技术任务书要求，到同一图谱中去找解决方案，由于综合、权衡的思路差异，会得出不同的螺旋桨。但是由同一图谱选择的技术设计，还是应该具有该图谱的特点的。例如，本系列应该具有激振力相对低的特点。笔者曾有机会为两型有减振要求的船提供五叶低振螺旋桨。其中，某远洋渔船因桨激振动，导致设备损坏，无法正常作业，换装SQ-5系列桨后，振动缓解；另一型三峡环境监测船也顺利交船营运。据悉船舶设计院曾用SQ-5型桨取代由船东作为参照提供的六叶螺旋桨，安装在批量生产的某型集装箱船上，使用情况证明SQ-5型桨确有低振性能。在本书专题报告《低振螺旋桨直径及螺距比选择实例分析》一文中曾专门讨论。