船舶阻力與船舶推進(jìn)5

1、五、船舶推進(jìn)概論螺旋槳基礎(chǔ)理論第一部分：主要知識(shí)點(diǎn)一、推進(jìn)器的概念將能源（發(fā)動(dòng)機(jī)等）發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換為推船前進(jìn)的功率的專門(mén)裝置或機(jī)構(gòu)，稱為推進(jìn)器。推進(jìn)器分為槳、櫓、帆、等，目前螺旋槳最為普遍。二、功率傳遞及推進(jìn)效率1、有效馬力PE：有效功率以馬力計(jì)，稱為有效馬力。1）公制的有效馬力PE =(UShp，簡(jiǎn)化表達(dá)為hp)2）英制的有效馬力PE =(UKhp)式中：Te為有效推力(kgf)；R為阻力(kgf)；為船速(m/s)。3）公制馬力和英制馬力的換算關(guān)系為：1 UKhp = 1.014 hp2、主機(jī)馬力PS：主機(jī)發(fā)出的馬力。3、（船后槳）收到馬力PD：在主軸尾端與推進(jìn)器聯(lián)接處所量得的馬力。4、傳

2、送效率s：s = PD/Ps5、推進(jìn)效率D：D = PE /PD(推進(jìn)效率也稱為似是推進(jìn)系數(shù)QPC)6、推進(jìn)系數(shù)P · C：P · C = PE / PsP · C = ·= D · s 表示用某種機(jī)器及推進(jìn)器以推進(jìn)船舶之全面性能，推進(jìn)系數(shù)越高，船舶的推進(jìn)性能越好。注意：××功率以馬力計(jì)，分別稱為××馬力。課本雖稱××功率，但武漢理工試卷習(xí)慣上用××馬力表示。三、螺旋槳的幾何特征1、對(duì)于某種特定型式的螺旋槳，槳葉數(shù)Z、直徑D、螺距比P/D和盤(pán)面比AE/A0稱為螺旋槳

3、的主要幾何參數(shù)。2、槳葉的葉面為螺旋面的一部分（故稱為螺旋槳）。3、螺距P：母線繞行一周在軸向前進(jìn)的距離。4、螺距比P/D：螺距與直徑之比。5、投射面比：槳葉在垂直于槳軸的平面上的投影稱為正投影，其外形輪廓稱為投射輪廓；螺旋槳所有槳葉投射輪廓包含面積之總和稱為螺旋槳投射面積，以AP表示。投射面積AP與盤(pán)面積A0之比稱為投射面比，即投射面比= AP/A0。6、伸張面比：將各半徑處共軸圓柱面與槳葉相截的各切面展成平面后，以其弦長(zhǎng)置于相應(yīng)半徑的水平線上，并光順聯(lián)接端點(diǎn)所得之輪廓稱為伸張輪廓；螺旋槳各葉伸張輪廓所包含的面積之總和稱為伸張面積，以AE表示。伸張面積AE與盤(pán)面積A0之比稱為伸張面比，即伸張

4、面比 = AE/A0。7、展開(kāi)面比：將槳葉葉面近似展放在平面上所得的輪廓稱為展開(kāi)輪廓，；各槳葉展開(kāi)輪廓所包含面積之總和稱為展開(kāi)面積，以AD表示。展開(kāi)面積AD與盤(pán)面積A0之比稱為展開(kāi)面比，即展開(kāi)面比AD/A0。8、盤(pán)面比：螺旋槳槳葉的展開(kāi)面積和伸張面積極為接近，故均可稱為葉面積，而伸張面比和展開(kāi)面比均可稱為盤(pán)面比或葉面比，展開(kāi)面比AD/A0。盤(pán)面比的大小實(shí)質(zhì)上表示槳葉的寬窄程度，在相同的葉數(shù)下，盤(pán)面比愈大，槳葉愈寬。注意：課外閱讀課本，重點(diǎn)了解螺旋槳有關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。四、推進(jìn)器理論學(xué)派和誘導(dǎo)速度的概念1、早期的推進(jìn)器理論大致可分為兩派。其中一派認(rèn)為：螺旋槳之推力乃因其工作時(shí)使水產(chǎn)生動(dòng)量變化所致，所

5、以可通過(guò)水之動(dòng)量變更率來(lái)計(jì)算推力，此類理論可稱為動(dòng)量理論。另一派則注重螺旋槳每一葉元體所受之力，據(jù)以計(jì)算整個(gè)螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩，此類理論可稱為葉元體理論。其后，流體力學(xué)中的機(jī)翼理論應(yīng)用于螺旋槳，解釋葉元體的受力與水之速度變更關(guān)系，將上述兩派理論聯(lián)系起來(lái)而發(fā)展成螺旋槳環(huán)流理論。2、誘導(dǎo)速度：由于螺旋槳工作使水產(chǎn)生的附加速度，分為：1）軸向誘導(dǎo)速度，與槳前進(jìn)方向相反。2）周向誘導(dǎo)速度，與槳旋轉(zhuǎn)方向相同。3）徑向誘導(dǎo)速度，指向軸心。五、理想推進(jìn)器理論1、理想推進(jìn)器的概念和力學(xué)模型1）假定：（1）推進(jìn)器為一軸向尺度趨于零，水可自由通過(guò)的盤(pán)，此盤(pán)可以撥水向后稱為鼓動(dòng)盤(pán)(具有吸收外來(lái)功率并推水向后的功能)

6、。（2）水流速度和壓力在盤(pán)面上均勻分布。（3）水為不可壓縮的理想流體。根據(jù)這些假定而得到的推進(jìn)器理論，稱為理想推進(jìn)器理論。2）進(jìn)速VA：推進(jìn)器在無(wú)限靜止流體中的前進(jìn)速度。認(rèn)為推進(jìn)器是固定的，水流自無(wú)窮遠(yuǎn)前方以速度VA流向推進(jìn)器(鼓動(dòng)盤(pán))，即以推進(jìn)器為參照物。2、理想推進(jìn)器的推力和誘導(dǎo)速度1）單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)推進(jìn)器盤(pán)面(面積為A0)的流體質(zhì)量：m=A0(VA+ua1)。2）單位時(shí)間內(nèi)水流獲得的動(dòng)量增值：A0(VA+ua1)(VA+ua)A0(VA+ua1)VA = A0(VA+ua1)ua3）根據(jù)動(dòng)量定理，作用在流體上的力等于單位時(shí)間內(nèi)流體動(dòng)量的增量。而流體的反作用力即為推力，故推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力

7、Ti為：Ti = m ua= A0(VA+ua1)ua4）應(yīng)用伯努利方程，得盤(pán)面前后的壓力差p1= (VA +ua)ua5）推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力Ti的另一種表達(dá)形式為：Ti = (p1)A0 = A0(VA +ua)ua比較推力表達(dá)式，得ua1= ua，即在理想推進(jìn)器盤(pán)面處的軸向誘導(dǎo)速度為遠(yuǎn)后方誘導(dǎo)速度的一半。軸向誘導(dǎo)速度愈大，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力也愈大。3、理想推進(jìn)器的效率1）單位時(shí)間內(nèi)損失的能量(即單位時(shí)間內(nèi)尾流所取得的能量)為：A0(VA +ua1)u= Ti ua。2）推進(jìn)器消耗的功率為：Ti VA + Ti ua = Ti(VA +ua)。3）理想推進(jìn)器的效率iA為：iA = =理想推進(jìn)器

8、效率的另外表達(dá)形式：1），載荷系數(shù)式12），A1為尾流截面積式2上述兩表達(dá)式具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，例如：試用理想推進(jìn)器理論分析得出提高螺槳效率的措施，并列舉三例。（每年重點(diǎn)考題，記憶并理解，注意題目的變形）答：1）理想推進(jìn)器效率公式：A、其中式1B、式22）由式1可得措施一：增大螺旋槳直徑DDA0例如：隧道尾和設(shè)計(jì)縱傾。由式2可得措施二：限制尾流收縮限制尾流收縮A1例如：導(dǎo)管螺旋槳。六、理想螺旋槳理論對(duì)于螺旋槳來(lái)說(shuō)，它是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)吸收主機(jī)功率的。設(shè)螺旋槳在無(wú)限、靜止流場(chǎng)中以速度VA前進(jìn)，以角速度 = 2 n旋轉(zhuǎn)。為了便于討論，假定螺旋槳仍以旋轉(zhuǎn)但不前進(jìn)，而水流在遠(yuǎn)前方以軸向速度VA流向推

9、進(jìn)器。1、旋轉(zhuǎn)力與周向誘導(dǎo)速度的關(guān)系：旋轉(zhuǎn)力dFi = dm ut。2、螺旋槳盤(pán)面處的周向誘導(dǎo)速度等于盤(pán)面后任一截面處(包括遠(yuǎn)后方)的周向誘導(dǎo)速度的一半，即，ut1=ut。3、誘導(dǎo)速度的正交性(ua與ut間的關(guān)系)=若將盤(pán)面處遠(yuǎn)前方及遠(yuǎn)后方三項(xiàng)的水流速度(相對(duì)于半徑r處的圓環(huán))作出速度多角形。由矢量(VA+ua1)、(rut1)和VR組成的直角三角形與ua、ur和un組成的直角三角形相似。從而得到一個(gè)非常重要的結(jié)論：誘導(dǎo)速度un垂直于合速VR。圖中V0和V分別表示遠(yuǎn)前方和遠(yuǎn)后方的合速。4、理想螺旋槳的效率i =·= iA · iT式中，iA即為理想推進(jìn)器效率，也可稱為理想螺

10、旋槳的軸向誘導(dǎo)效率。 iT =稱理想螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率。這里尚須提醒的是：上式乃是半徑r處dr段圓環(huán)的理想效率，只有在各半徑處的dr圓環(huán)對(duì)應(yīng)的i都相等時(shí)，該式所表示的才是整個(gè)理想螺旋槳的效率。七、作用在槳葉上的力和力矩1、速度多角形為螺距角為進(jìn)角i為水動(dòng)力螺距角K為攻角：來(lái)流合速與機(jī)翼弦線的夾角VR為相對(duì)來(lái)流的合成速度由速度多角形可知，槳葉切面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)最后可簡(jiǎn)化為水流以速度VR、攻角K流向槳葉切面。2、作用在機(jī)翼上的升力和阻力實(shí)際上流體是有粘性的，所以無(wú)限翼展機(jī)翼除了產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相垂直的升力L外，尚有與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力D。重要的流體力力學(xué)結(jié)論：1）升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD與機(jī)翼的幾何

11、要素（例如：展弦比和切面形狀等）及攻角K有關(guān)。對(duì)于一定形狀的葉片，升力系數(shù)和阻力系數(shù)取決于攻角。升力系數(shù)CL = 阻力系數(shù)CD = 2）在實(shí)用范圍內(nèi)，升力系數(shù)CL與幾何攻角K約略成線性關(guān)系。3）當(dāng)幾何攻角為零時(shí)，CL不等于零，這是因?yàn)闄C(jī)翼剖面不對(duì)稱之故。4）阻力系數(shù)CD比升力系數(shù)CL小得多，且CD0（流體有粘性）。5）升力為零時(shí)的攻角稱為無(wú)升力角，以0表示。升力為零的來(lái)流方向稱為無(wú)升力線，來(lái)流與此線的夾角稱為流體動(dòng)力攻角或絕對(duì)攻角，如圖3-7(b)所示。顯然， = 0 + K 。八、螺旋槳的作用力1、葉元體1）推力dT = dLcosi -dDsini2）旋轉(zhuǎn)阻力dF = dLsini + d

12、Dcosi3）效率or = =··= iA iT 式中：iA和iT分別為軸向誘導(dǎo)效率和周向誘導(dǎo)效率=(1- tg i)/(1+/tg i)稱為葉元體的結(jié)構(gòu)效率（實(shí)際流體具有粘性）2、整個(gè)螺旋槳1）推力，rh為槳轂半徑2）旋轉(zhuǎn)阻力3）消耗的轉(zhuǎn)矩3）效率九、螺旋槳水動(dòng)力性能1、螺旋槳的水動(dòng)力性能：一定幾何形體的螺旋槳在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的推力T、消耗的轉(zhuǎn)矩Q和效率與其運(yùn)動(dòng)(進(jìn)速VA和轉(zhuǎn)速n)間的關(guān)系。2、幾個(gè)重要概念設(shè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速為n，進(jìn)速為VA。1）進(jìn)程hp：螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周在軸向所前進(jìn)的距離hp =VA/n稱為進(jìn)程。2）滑脫：螺距P和進(jìn)程hp之差(P-hp)稱為滑脫。3）滑脫比

13、S：滑脫與螺距的比值稱為滑脫比，即S =1-=1-。4）進(jìn)速系數(shù)J：進(jìn)程hp與螺旋槳直徑D的比值稱為進(jìn)速系數(shù)，即J =。在螺距P一定的情況下，若不考慮誘導(dǎo)速度，則滑脫比S的大小即標(biāo)志著攻角的大小，滑脫比S大(進(jìn)速系數(shù)J小)即表示攻角大，若轉(zhuǎn)速一定，則螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩亦大。因此，滑脫比(或進(jìn)速系數(shù)J )是影響螺旋槳性能的重要參數(shù)。討論：進(jìn)速系數(shù)J的變化對(duì)螺旋槳性能的影響。J=0時(shí)，這時(shí)進(jìn)速為零，即螺旋槳只旋轉(zhuǎn)而不前進(jìn)，如船舶系柱情況。升力將與推力重合，各葉元體具有最大的攻角，所以推力和轉(zhuǎn)矩都達(dá)到最大值。當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變，隨著VA(亦即J值)的增加，攻角隨之減小，從而推力和轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小。當(dāng)J增加

14、到某一數(shù)值時(shí)，螺旋槳發(fā)出的推力為零，其實(shí)質(zhì)乃是水流以某一負(fù)幾何攻角與葉元體相遇，此時(shí)作用于葉元體上的升力dL及阻力dD在軸向的分力大小相等方向相反，故葉元體的推力等于零。但在這種情況下，葉元體仍遭受旋轉(zhuǎn)阻力(所討論的葉元體應(yīng)該是表征螺旋槳性能的葉元體，因?yàn)樵诟鞑煌霃教幦~元體的來(lái)流攻角是不一樣的)。螺旋槳在不發(fā)生推力時(shí)旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為無(wú)推力進(jìn)程或?qū)嵭菥?，并以P1來(lái)表示。若VA(也即J值)再增至某一數(shù)值時(shí)，螺旋槳不遭受旋轉(zhuǎn)阻力，其實(shí)質(zhì)乃是升力dL及阻力dD在周向的分力大小相等方向相反，故旋轉(zhuǎn)阻力等于零。但在此種情況下螺旋槳產(chǎn)生負(fù)推力。螺旋槳不遭受旋轉(zhuǎn)阻力時(shí)旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為無(wú)轉(zhuǎn)矩

15、進(jìn)程或無(wú)轉(zhuǎn)距螺距，并以P2表示。對(duì)于一定的螺旋槳而言，顯然P2P1P。實(shí)效螺距P1與進(jìn)程hp之差(P1-hp)稱為實(shí)效滑脫，其與實(shí)效螺距P1的比值稱為實(shí)效滑脫比，以S1來(lái)表示，即S1=1-=1-3、螺旋槳的敞水性征曲線1）推力系：KT =2）轉(zhuǎn)矩系數(shù)：KQ =3）螺旋槳的效率0：0 =·=·。4）螺旋槳的敞水性征曲線：對(duì)于幾何形狀一定的螺旋槳而言，推力系數(shù)KT 、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ及效率0僅與進(jìn)速系數(shù)J(或滑脫比)有關(guān)，KT 、KQ 、0對(duì)J之曲線稱為螺旋槳的敞水性征曲線。5）敞水試驗(yàn)：螺旋槳模型單獨(dú)地在均勻水流中的試驗(yàn)稱為敞水試驗(yàn)。6）尺度作用：槳模和實(shí)槳因不同而引起的兩者水動(dòng)

16、力性能之差異稱為尺度作用(或尺度效應(yīng))。4、實(shí)槳和槳模幾何相似、進(jìn)速系數(shù)相等，則兩者的水動(dòng)力性能一致。5、目前世界上性能優(yōu)良、比較著名、應(yīng)用較廣的螺旋槳系列有：荷蘭的B型螺旋槳、日本的AU型螺旋槳和英國(guó)的高恩螺旋槳等。B型和AU型螺旋槳適用于商船，而高恩螺旋槳?jiǎng)t適用于水面高速軍艦。系列代號(hào)，例如：AU550，AU：型式為日本的AU型；5：槳葉數(shù)為5；50：盤(pán)面比為50%（即0.50）。6、敞水性征曲線組：在同一系列中，將葉數(shù)和盤(pán)面比相同，而螺距比不同的五或六個(gè)槳模稱為一組，將同一組螺旋槳的敞水性征曲線繪在同一圖內(nèi)，得到敞水性征曲線組。第二部分：歷屆真題1、概念：推進(jìn)器、導(dǎo)管螺旋槳、有效功率（馬

17、力）、機(jī)器功率（馬力）、（船后槳）收到功率（馬力）、傳送效率、推進(jìn)效率、推進(jìn)系數(shù)（推進(jìn)系數(shù)表示用某種機(jī)器及推進(jìn)器以推進(jìn)船舶之全面性能）。2、似是推進(jìn)系數(shù)QPC指與的比值；推進(jìn)系數(shù)PC指與的比值。3、概念：螺旋槳葉數(shù)、直徑、盤(pán)面積、螺距、螺距角、螺距比、葉切面、葉厚、葉厚比、投射輪廓、投射面比、伸張輪廓、伸張面比、展開(kāi)輪廓、展開(kāi)面比、葉厚分?jǐn)?shù)和轂徑比。對(duì)于某種特定型式的螺旋槳，槳葉數(shù)、直徑、螺距比和盤(pán)面比稱為槳的主要幾何參數(shù)。4、螺旋槳的葉面通常是螺旋面的一部分。（）5、等螺距螺旋槳各半徑處螺距角一定相等。（）6、一般來(lái)說(shuō)，螺旋槳的縱斜是為了（C）A、減小螺旋槳自身的水阻力B、相對(duì)增大槳的直徑，

18、提高敞水效率C、增大與船體尾框的間隙，減小由槳引起的船體振動(dòng)D、為了避免螺旋槳空泡的出現(xiàn)7、概念：誘導(dǎo)速度、軸向誘導(dǎo)速度、周向誘導(dǎo)速度及其方向。8、理想推進(jìn)器的概念、進(jìn)速、推力和效率表達(dá)式。9、試用理想推進(jìn)器理論分析得出提高螺槳效率的措施，并列舉三例。（每年重點(diǎn)考題，記憶并理解，注意題目的變形）答：1）理想推進(jìn)器效率公式：A、其中式1B、式22）由式1可得措施一：增大螺旋槳直徑DDA0例如：隧道尾和設(shè)計(jì)縱傾。由式2可得措施二：限制尾流收縮限制尾流收縮A1例如：導(dǎo)管螺旋槳。10、根據(jù)理想推進(jìn)器理論，螺旋槳載荷系數(shù)越大，螺旋槳的效率（B）A、越高B、越低C、不一定D、不變11、內(nèi)河船采用隧道尾的主要原因是為了增大螺旋槳的直徑，從而提高槳的效率。（）12、導(dǎo)管螺旋槳導(dǎo)管的主要作用是為了保護(hù)螺旋槳。（）13、什么是理想螺旋槳、什么是誘導(dǎo)速度的正交性、理想螺旋槳的效率公式是什么？14、繪出螺旋槳半徑r處dr段葉元體的速度多角形，注明各量的方向和符號(hào)，并推導(dǎo)葉元體的效率表達(dá)式。注意：水動(dòng)力螺距角和攻角的