摘 要

对于四桨两舵船舶来说，在航行过程中螺旋桨可能出现以下几种的情况，即有部分螺旋桨正常工作，部分螺旋桨停止工作，还有部分螺旋桨在船尾旋转。我们把螺旋桨处于锁死状态或在船尾旋转状态称为非正常工况。然而，非正常工作的螺旋桨又包括：被锁死、自由旋转、非自由旋转状态。运用合理的方法计算这几种情况的阻力，可以计算出多桨船舶工作时，部分螺旋桨不正常工作的船舶所受阻力值。

本文通过计算船舶正常航行时的船舶的阻力，然后计算螺旋桨的正常推力，运用卡尔玛柯夫方法计算螺旋桨处于锁死状态时的阻力。最后根据卡尔玛柯夫方法和螺旋桨直径-效率系数曲线，计算在不同航速下，螺旋桨与轴承之间的摩擦力矩、直径-功率系数、进速系数从而计算螺旋桨非正常旋转时的阻力值。船舶实际航行中，船舶与螺旋桨之间存在伴流系数和推力减额系数。根据船舶阻力、正常螺旋桨阻力、非正常螺旋桨阻力可得出螺旋桨非正常工作时船舶总的阻力。

本文选用MATLAB中的Simulink仿真模拟来做螺旋桨非正常运转的仿真平台，它是MATLAB系统中最重要的组成部分，其功能是对动态系统进行建模、仿真 和分析。

关键词: 卡尔玛柯夫方法；船舶阻力；螺旋桨的推力；螺旋桨锁死；螺旋桨非正常旋转

ABSTRACT

In the case of a four propeller two rudder ship, such a situation may occur during the voyage, that is, only a part of the propeller is working, and some of the propeller stops working or rotates at the stern.When the propeller is locked or rotated freely, the working state is called abnormal condition.However, the propeller in the abnormal condition includes several conditions: the propeller is locked, the propeller is free rotating in the tail, and the propeller is non-free rotating in the tail.Using the reasonable method to calculate the resistance of these conditions, we can calculate the resistance value of the multi-propeller ship when the some of the propellers are in abnormal condition.

By calculating the frictional resistance, vortex resistance of normal sailing ship to obtain the resistance of ship.it can calculate the normal thrust of the propeller. Then use the Kermakefe Method calculation method can obtain the resistance when the propeller is locked. Finally, according to the Kermakefe formula and propeller diameter - efficiency coefficient curve, it can calculate the friction torque between the bearing and the propeller and diameter - Power factor and feed speed coefficient at different speed . Thereby calculating the resistance value of the non-normal propeller rotation. The actual operation of the ship, there are companion flow coefficient and thrust reduction factor between ship and propeller. According ship resistance, resistance to normal propeller, propeller abnormal resistance can obtain the total resistance of the ship when the propeller is on abnormal operation.

This section of non-normal propeller is researched by Simulink simulation platform , and it is one of the most important components of MATLAB, its function is used for dynamic system modeling ,simulation and analysis.

Key words: Kermakefe Method ;Ship Resistance;thrust of the propeller;Locked Propeller;Improper Rotational Propeller

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 螺旋桨非正常运转的国内外研究现状 1

1.3 研究的目的及意义 2

1.4 研究内容和技术方案 2

1.5章节的划分 2

第2章 螺旋桨正常工作的船舶阻力计算 4

2.1 船舶阻力 4

2.2 船舶阻力的分类 5

2.3 船舶阻力与航速的关系 6

第3章 螺旋桨正常运转的推力计算 7

3.1 螺旋桨的重要参数 7

3.2敞水螺旋桨的推力和转矩 7

第4章 螺旋桨非正常运转的阻力计算 9

4.1 螺旋桨锁轴的阻力计算 9

4.2 螺旋桨自由旋转阻力计算 9

4.3 螺旋桨拖轴的阻力计算 12

4.4螺旋桨的仿真 13

第5章 螺旋桨与船体的相互作用 16

5.1 船舶对螺旋桨的影响 16

5.2 螺旋桨对船舶的影响 17

5.3 螺旋桨工作特性和仿真模拟 18

5.4 螺旋桨的特性曲线的解析式 19

5.5 推力系数和转矩系数的修正 20

5.6 船舶运动方程 20

第6章 螺旋桨的动态仿真试验 22

6.1 四桨船双内桨锁轴仿真 22

6.2四桨船双外桨锁轴仿真 24

6.3 四桨船双内桨脱轴仿真 26

6.4四桨船双外桨脱轴仿真 28

6.5 四桨船双内桨拖轴仿真 30

6.6四桨船双外桨拖轴仿真 32

结 论 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 引言

随着造船和航运事业的发展，船舶朝着多桨化，大型化方向发展。对于四桨两舵船来说，在海上航行时，螺旋桨就可能出现正常运转和非正常运转的情况。本文研究的是螺旋桨锁轴工况，螺旋桨脱轴工况，螺旋桨拖轴工况这三种非正常运转工况。为了提高船舶的安全性，减少船舶的油耗，要求加强对非正常旋转螺旋桨的研究，计算出此状态下船舶的阻力，调节主机的供油量。

在船舶有多个螺旋桨工作时，对于非正常运转的螺旋桨让其停止旋转，即在船尾部锁死。被锁定的螺旋桨相当于船舶的船体，由于锁死螺旋桨的桨叶是曲度聚变的，锁死螺旋桨由原来正常运转的推力变为不正常运转的阻力，所以锁死螺旋桨的阻力要比工作螺旋桨的阻力大的多，因此船舶的阻力就会增加很多。本论文中对锁死螺旋桨的计算是根据卡尔玛柯夫公式计算的，其公式是卡尔玛柯夫结合大量的实验结果总结出的公式，即卡尔玛柯夫公式，并做了很好的验证。

另一种处理不正常工作的螺旋桨的方法是让其在船尾转动，这种情况的螺旋桨阻力计算是根据卡尔玛柯夫计算的方法和螺旋桨直径-效率系数，根据不同航速下，得出螺旋桨与轴承之间的摩擦力矩。再根据敞水螺旋桨的特性曲线，计算自由旋转螺旋桨的进速系数值，根据螺旋桨的进速比可求得螺旋桨的扭矩系数和推力系数，从而得出脱轴状态下螺旋桨的阻力。对于脱轴螺旋桨和拖轴螺旋桨的计算过程中，主要区别在于摩擦力矩的计算，其他基本相同。由以上计算结果可得出螺旋桨非正常工作时船舶阻力值。

1.2 螺旋桨非正常运转的国内外研究现状

国内对螺旋桨非正常运转的研究比较晚，在60年代末国内才开始运用计算对船舶进行辅助计算，CASIS系统在中国是比较先进的船舶计算机辅助软件系统，它是由中国船舶工业总公司自行研制的，为我国船舶CAD/CAM系统的研发打下了基础。随着国内船舶发展的要求，我国船舶研发公司成立了船舶推进设备选型课题组，使用计算机辅助的方法，计算螺旋桨非正常工况下的船舶阻力，为国内船舶螺旋桨部分不正常工作的研究作出一定的贡献。