第八章　船舶推進

1、第八章 船舶推進學習目標知識目標1了解船舶快速性的基本概念與研究內(nèi)容；2掌握螺旋槳的工作原理；3掌握螺旋槳的工作特性；4掌握螺旋槳的圖譜設計方法；5掌握螺旋槳的幾何特征及繪制方法；能力目標1具備用機翼原理解釋螺旋槳的工作原理的能力；2具備用B型螺旋槳圖譜進行B型螺旋槳的設計計算的能力；3具備繪制B型螺旋槳的工作總圖的能力；4具備利用螺旋槳的工作特性曲線解釋螺旋槳的工作特性的能力。5具備有關(guān)螺旋槳性能計算的能力。第一節(jié) 概 述船舶快速性是船舶的重要性能之一。所謂快速性，是指船舶在給定主機功率情況下，以較快速度航行的能力。船舶快速性包括阻力和推進兩部分，船舶設計時應從下述四個方面來考慮快速性的問題

2、：選擇的優(yōu)良線型，使船舶航行時所遭受的阻力較??；選擇性能優(yōu)良的推進器，使推進效率較高；選取合適的主機，使推力較大；推進器與船體和主機之間相互匹配，協(xié)調(diào)一致。因此，快速性良好的船舶除應具有優(yōu)秀的船型以外，還必須具有最佳的推進性能。由此可見，研究船舶的推進問題對于改善快速性具有重大的作用。船在水面或水中航行時遭受阻力，為了使船舶能保持一定的速度向前航行，必須供給船舶一定的推力，以克服其所受的阻力。作用在船上的推力是依靠專門的裝置或機構(gòu)通過吸收主機發(fā)出的能量并把它轉(zhuǎn)換成推力而得，這種專門吸收與轉(zhuǎn)換能量的裝置或機構(gòu)統(tǒng)稱為推進器。推進器種類很多，例如風帆、明輪、直葉推進器、噴水推進器及螺旋槳等。螺旋槳構(gòu)

3、造簡單、造價低廉、使用方便、效率較高，是目前應用最廣的推進器（見表8-1）。根據(jù)不同船舶工作條件的要求，在普通螺旋槳的基礎(chǔ)上發(fā)展起來一些具有特殊功能的特種螺旋槳，如導管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳、對轉(zhuǎn)螺旋槳、串列螺旋槳。表8-l 幾種推進器的效率和重量推進器類型推進器效率軸系傳送效率推進系數(shù)推進器重量(kghp)螺旋槳明輪直葉推進器噴水推進器0.60-0.75O.40-0.600.55-0.70O.55-0.60O.95-0.98O.70-0.85O.85-0.95O.90-0.95O.50-0.70O.30-O.50O.45-0.60O.50-0.55O.5-2.015-304-8-本章將限于討

4、論螺旋槳，并主要討論普通螺旋槳工作原理、工作特性及螺旋槳的設計等問題。第二節(jié) 螺旋槳幾何特征 一、螺旋槳的組成及名稱螺旋槳俗稱車葉，通常由槳葉和槳轂組成(圖8-1)。螺旋槳與尾軸連接部分叫槳轂，槳轂是一個錐形體。為了減小水阻力，在槳轂后端加一整流罩，與槳轂形成一光順流線形體，稱為轂帽。圖8-1 螺旋槳各部分名稱 螺旋槳在水中產(chǎn)生推力的部分叫槳葉，槳葉固定在槳轂上。普通螺旋槳常為3葉或4葉，2葉螺旋槳僅用于機帆船或小艇上，近來有些船舶(如大噸位大功率的油船)，為避免振動而采用5葉或5葉以上的螺旋槳。 由船尾向前看時所見到的螺旋槳槳葉的一面稱為葉面，另一面稱為葉背。槳葉與轂連接處稱為葉根，槳葉的外

5、端稱為葉梢。螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時先入水的一邊稱為導邊，另一邊稱為隨邊。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時葉梢的圓形軌跡稱為梢圓。梢圓的直徑稱為螺旋槳直徑，以表示。梢圓的面積稱為螺旋槳的盤面積，以表示： (8-1)由船后向前看去，螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)為順時針者稱為右旋槳,反之，則為左旋槳。裝于船尾兩側(cè)之螺旋槳，左槳左旋,右槳右旋稱為外旋槳，左槳右旋,右槳左旋稱為內(nèi)旋槳。二、螺旋面、螺旋線、螺旋槳的幾何特征1.螺旋面及螺旋線 槳葉的葉面通常是螺旋面的一部分。為了清楚地了解螺旋槳的幾何特征，有必要討論一下螺旋面的形成及其特點。 設線段與軸線成固定角度，并使以等角速度繞軸旋轉(zhuǎn)的同時以等線速度沿向上移動，則在空間所描繪的曲面即為等螺距

6、螺旋面，如圖8-3所示。線段稱為母線，母線繞行一周在軸向前進的距離稱為螺距，以表示。 根據(jù)母線的形狀及與軸線間夾角的變化可以得到不同形式的螺旋面。若母線為一直線且垂直于軸線，則所形成的螺旋面為正螺旋面如圖8-3(a)所示。若母線為一直線但不垂直于軸線，則形成斜螺旋面，如圖8-3(b)所示。當母線為曲線時，則形成扭曲的螺旋面，如圖8-3(c)及圖83(d)所示。 圖8-2 螺旋面的形成 （a） (b) (c) (d)圖8-3 螺旋面的幾種形式母線上任一固定點在運動過程中所形成的軌跡為一螺旋線。任一共軸之圓柱面與螺旋面相交的交線也為螺旋線，圖8-4(a)表示半徑為的圓柱面與螺旋面相交所得的螺旋線。

7、 如將此圓柱面展成平面，則此圓柱面即成一底長為高為的矩形，而螺旋線變?yōu)樾本€(矩形的對角線)，此斜線稱為節(jié)線。三角形稱為螺距三角形，節(jié)線與底線間的夾角稱為螺距角，如圖8-8(b)所示。由圖可知，螺距角可由下式來確定： (8-2)(a) (b)圖8-4 螺旋線及螺距三角形2螺旋槳的面螺距 螺旋槳槳葉的葉面是螺旋面的一部分，見圖8-5(a)，故任何與螺旋槳共軸的圓柱面與葉面的交線為螺旋線的一段，如圖8-5(b)中的段。若將螺旋線段引長且環(huán)繞軸線一周，則其兩端之軸向距離等于此螺旋線的螺距。若螺旋槳的葉面為等螺距螺旋面之一部分，則即稱為螺旋槳的面螺距。面螺距與直徑之比稱為螺距比。將圓柱面展成平面后即得螺

8、距三角形，如圖8-5(c)所示。 (a)(b)(c)圖8-5 螺旋槳的面螺距 設上述圓柱面的半徑為，則展開后螺距三角形的底邊長為，節(jié)線與底線之間的夾角口為半徑處的螺距角，并可據(jù)下式來確定 (8-3) 螺旋槳某半徑處螺距角的大小，表示槳葉葉面在該處的傾斜程度。不同半徑處的螺距角是不等的，愈小則螺距角愈大。圖8-6(a)表示三個不同半徑的共軸圓柱面與等螺距螺旋槳槳葉相交的情形，其展開后的螺距三角形如圖8-6(b)所示。顯然，而。 若螺旋槳葉面各半徑處的面螺距不等，則稱為變螺距螺旋槳，其不同半徑處螺旋線的展開如圖8-7所示。對此類螺旋槳常取半徑為或(為螺旋槳梢半徑)處的面螺距代表螺旋槳的螺距，為注明

9、其計量方法，在簡寫時可寫作 或。 圖8-6 等螺距螺旋槳槳葉不同半徑處的螺距角 圖8-7 變螺距螺旋槳槳葉不同半徑處的螺距及螺距角3槳葉切面 與螺旋槳共軸的圓柱面和槳葉相截所得的截面稱為槳葉的切面，簡稱葉切面或葉剖面。如圖8-5(b)所示。將圓柱面展為平面后則得如圖8-5(c)所示的葉切面形狀，其形狀與機翼切面相仿。所以表征機翼切面幾何特性的方法，可以用于槳葉切面。 槳葉切面的形狀通常為弓形切面或機翼形切面，特殊的也有梭形切面和月牙形切面，如圖8-8所示。一般來說，機翼形切面的葉型效率較高，但空泡性能較差，弓形切面則相反。普通的弓形切面展開后葉面為一直線，葉背為一曲線，中部最厚兩端頗尖。機翼形

10、切面在展開后無一定形狀，葉面大致為一直線或曲線，葉背為曲線，導邊鈍而隨邊較尖，其最大厚度則近于導邊，約在離導邊2540弦長處。 弓形切面 機翼形切面 月牙形切面圖 8-8 槳葉切面的形狀切面的弦長一般有內(nèi)弦和外弦之分。連接切面導邊與隨邊的直線稱內(nèi)弦(圖8-9)，圖中所示線段稱為外弦。對于系列圖譜螺旋槳來說，通常稱外弦為弦線，而對于理論設計的螺旋槳來說，則常以內(nèi)弦為弦線，弦長及螺距也根據(jù)所取弦線來定義。圖8-9中所示的弦長為系列螺旋槳的表示方法。 （a） （b）圖 8-9 切面的幾何特征(a)機翼形；(b)弓形1-面線；2-背線；3-導邊；4-隨邊；5-拱線；6-導緣端圓切面厚度以垂直于所取弦線

11、方向與切面上、下面交點間的距離來表示。其最大厚度稱為葉厚，與切面弦長之比稱為切面的相對厚度或葉厚比。切面的中線或平均線稱為拱線或中線，拱線到內(nèi)弦線的最大垂直距離稱為切面的拱度，以表示。與弦長之比稱切面的拱度比，見圖8-9。4槳葉的外形輪廓和葉面積 槳葉的外形輪廓可以用螺旋槳的正視圖和側(cè)視圖來表示。從船后向船首所看到的為螺旋槳的正視圖，從船側(cè)看過去所看到的為側(cè)視圖。圖8-10所示為一普通螺旋槳的圖，圖上注明了螺旋槳各部分的名稱和術(shù)語。(a)(b)(c)圖 8-10 槳葉的外形輪廓 為了正確表達正視圖和側(cè)視圖之間的關(guān)系，取葉面中間的一根母線作為作圖的參考線，稱為槳葉參考線或葉面參考線，如圖中直線。

12、若螺旋槳葉面是正螺旋面，則在側(cè)視圖上參考線與軸線垂直。若為斜螺旋面，則參考線與軸線的垂線成某一夾角，稱為縱斜角。參考線線段在軸線上的投影長度稱為縱斜，用表示?？v斜螺旋槳一般都是向后傾斜的，其目的在于增大槳葉與尾框架或船體間的間隙，以減小螺旋槳誘導的船體振動，但縱斜不宜過大(一般)，否則螺旋槳在操作時因離心力而增加葉根處的彎曲應力，對槳葉強度不利。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，以表示。投射面積與盤面積之比稱為投射面比，即投射面比=投射輪廓對稱于參考線的稱為對稱葉形。若其外形與參考線不相對稱，則為不對稱葉形

13、。不對稱槳葉的葉梢與參考線間的距離稱為側(cè)斜,相應之角度以為側(cè)斜角。槳葉的側(cè)斜方向一般與螺旋槳的轉(zhuǎn)向相反，合理選擇槳葉的側(cè)斜可明顯減緩螺旋槳誘導的船體振動。 槳葉在平行于包含軸線和輻射參考線的平面上的投影稱為側(cè)投影。圖上除畫出槳葉外形輪廓及參考線的位置外，還需作出最大厚度線。最大厚度線與參考線之間的軸向距離t表示該半徑處葉切面的最大厚度。它僅表示不同半徑處切面最大厚度沿徑向的分布情況，并不表示最大厚度沿切面弦向的位置。與槳轂相連處的切面最大厚度稱葉根厚度(除去兩邊填角料)。輻射參考線與最大厚度線的延長線在軸線上交點的距離與直徑之比值稱為葉厚分數(shù)。工藝上往往將葉梢處的槳葉厚度做薄呈圓弧狀，為了求得

14、葉梢厚度，須將槳葉最大厚度線延長至梢徑，如圖8-10(a)所示。 螺旋槳槳轂的形狀一般為圓錐體，在側(cè)投影上可以看到其各處的直徑并不相等。通常所說的槳轂直徑(簡稱轂徑)是指輻射參考線與槳轂表面相交處(略去葉根處的填角料)至軸線距離的兩倍，并以來表示(參閱圖8-10a)。轂徑與螺旋槳直徑D的比值稱為轂徑比。 將各半徑處共軸圓柱面與槳葉相截的各切面展成平面后，以其弦長置于相應半徑的水平線上，并光順連接端點所得之輪廓稱為伸張輪廓，如圖8-10(c)所示。螺旋槳各葉伸張輪廓所包含的面積之總和稱為伸張面積，以表示。伸張面積與盤面積之比稱為伸張面比，即伸張面比= 將槳葉葉面近似展放在平面上所得的輪廓稱為展開

15、輪廓，如圖8-10(b)虛線所示。各槳葉展開輪廓所包含面積之總和稱為展開面積，以表示。展開面積與盤面積之比稱為展開面比，即展開面比= 螺旋槳槳葉的展開面積和伸張面積極為接近，故均可稱為葉面積，而伸張面比和展開面比均可稱為盤面比或葉面比。盤面比的大小實質(zhì)上表示槳葉的寬窄程度，在相同的葉數(shù)下，盤面比愈大，槳葉愈寬。 此外，還可用槳葉的平均寬度來表示槳葉的寬窄程度，其值按下式求取 (8-4)式中：為螺旋槳伸張面積；為轂徑；為葉數(shù)?；蛴闷骄鶎挾缺葋肀硎?，即 (8-5)第三節(jié) 螺旋槳的理論基礎(chǔ) 螺旋槳理論按其內(nèi)容發(fā)展階段可分為動量理論、葉元體理論和環(huán)流理論。本節(jié)主要介紹動量理論。 推進器的動量理論早在1

16、9世紀末已確立，它認為螺旋槳的推力是因其使水產(chǎn)生動量變化所致的，所以可通過水的動量變更率來計算推力。由于忽略的因素過多，所得到的結(jié)果與實際情況有一定的距離，不能用作計算或設計的依據(jù)。但是，由于推進器的動量理論還能簡略地說明推進器產(chǎn)生推力的原因，而且某些結(jié)論也有一定的實際意義，故在本章中作必要的介紹。 在介紹之前，先簡要地分析螺旋槳在水中運轉(zhuǎn)的情況。我們通常把由于螺旋槳運轉(zhuǎn)使水流產(chǎn)生的運動速度稱為誘導速度。為了便于分析研究問題，把誘導速度分解為兩個分量：一個是平行于槳軸方向，另一個是垂直于軸平面內(nèi)的圓周方向。沿軸線方向的誘導速度分量稱為軸向誘導速度，其方向與螺旋槳軸向運動方向相反。沿圓周方向的誘

17、導速度分量稱為周向誘導速度，其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同。對于負荷(指螺旋槳承擔的推力)較重的螺旋槳?？梢园l(fā)現(xiàn)螺旋槳尾流有較嚴重的收縮現(xiàn)象，這時水質(zhì)點還存在徑向誘導速度。 往往由于對誘導速度的處理不同，產(chǎn)生了不同的螺旋槳理論，例如忽略了周向誘導速度的影響，應用動量定理可得到理想推進器理論，若同時考慮周向誘導速度并應用動量矩定理便可得到理想螺旋槳理論。下面我們分別來討論理想推進器理論和理想螺旋槳理論。一、理想推進器理論 1.理想推進器的工作概況 為了使問題簡單起見，我們假定： 推進器為一軸向尺度趨于零、水可自由通過的盤，此盤可以撥水向后，稱為鼓動盤(具有吸收外來功率并推水向后的功能)； 水流速度和

18、壓力在盤面上均勻分布； 水為不可壓縮的理想流體。根據(jù)這些假定而得到的推進器理論，稱為理想推進器理論。設推進器在無限靜止流體中以速度前進，應用運動轉(zhuǎn)換原理，即認為推進器是固定的，而水流自無窮遠前方以速度流向推進器(鼓動盤)。圖8-11(a)表示包圍著推進器的流管。由于推進器的作用，在流管中水質(zhì)點的速度與流管外不同，在流管以外的水流速度和壓力處處相等，均為和，故流管的邊界和是分界面?，F(xiàn)在討論流管內(nèi)水流軸向速度和壓力的分布情況。參閱圖8-11(a)，在推進器的遠前方(剖面)壓力為、流速為。離盤面愈近，由于推進器的抽吸作用，水流的速度愈大而壓力下降，到盤面(剖面)的緊前方時，水流的速度為而壓力降為。當

19、水流經(jīng)過盤面時，壓力突增為。(這一壓力突變是由于推進器的作用而產(chǎn)生)，而水流速度仍保持連續(xù)變化。水流離開盤面以后，速度將繼續(xù)增大而壓力下降。到推進器的遠后方(剖面)處，速度將達到最大值而壓力回復至，圖8-11(b)和8-11(c)分別表示流管中水流速度和壓力的分布情況。流管內(nèi)水流軸向速度的增加使流管截面形成收縮，而流管內(nèi)外的壓力差由其邊界面的曲度來支持。由于假定推進器在無限深廣的流體中運動，故流管以外兩端無限遠處的壓力和水流速度可視為不變。 (a) (b)圖8-11 理想推進器的工作情況根據(jù)以上的分析，便可以進一步?jīng)Q定推進器所產(chǎn)生的推力和水流速度之間的關(guān)系。 應用動量定理可以求出推進器的推力。

20、單位時間內(nèi)流過推進器盤面(面積為)的流體質(zhì)量為，自流管遠前方斷面流入的動量為，而在遠后方斷面處流出的動量為，故在單位時間內(nèi)水流獲得的動量增值為：根據(jù)動量定理，作用在流體上的力等于單位時間內(nèi)流體動量的增量。而流體的反作用力即為推力，故推進器所產(chǎn)生的推力 (8-6)以上各式中，為流體的密度。 為了尋求盤面處速度增量與無限遠后方速度增量的關(guān)系，在推進器盤面前和盤面后分別應用伯努利方程。在盤面遠前方和緊靠盤面處有下列關(guān)系式：故 (8-7)而在盤面遠后方和緊靠盤面處有：故 (8-8) 盤面前后的壓力差就形成了推進器的推力，由式(8-7)及式(8-8)可得 (8-9) 因推進器的盤面積為，故推進器所產(chǎn)生的

21、推力的另一種表達形式為 (8-10)比較式(8-15)及式(8-19)可得 (8-11)由上式可知，在理想推進器盤面處的速度增量為全部增量的一半。水流速度的增量及稱為軸向誘導速度。由式(8-7)或式(8-10)可見，軸向誘導速度愈大，推進器產(chǎn)生的推力也愈大。 2.理想推進器效率推進器的效率等于有效功率和消耗功率的比值?，F(xiàn)以絕對運動觀點來討論理想推進器的效率。推進器在靜水中以速度前進時產(chǎn)生推力，則其有效功率為。但推進器在工作時，每單位時間內(nèi)有質(zhì)量的水通過盤面得到加速而進入尾流，尾流中的能量隨水消逝乃屬損失，故單位時間內(nèi)損失的能量(即單位時間內(nèi)尾流所取得的能量)為從而推進器消耗的功率為因此，理想推

22、進器的效率為 (8-12) 由式(8-10)可見，推進器必須給水流以向后的誘導速度才能獲得推力，故從式(8-12)可知，理想推進器的效率總是小于1。 理想推進器的效率還可用另外的形式來表達，根據(jù)式(8-19)解的二次方程可得 (8-13)或?qū)懽鳎?(8-14)式中：，稱為推進器的載荷系數(shù)。將式(8-23)代人式(8-21)可得效率的表達式為： (8-15) 由式(8-14)及式(8-15)可見，若已知推進器的載荷系數(shù)，便可以確定誘導速度(或)及效率。圖8-12表示，與載荷系數(shù)之間的關(guān)系曲線。愈小則效率愈高。在推力和速度一定的條件下，要取得小的載荷系數(shù)必須增大盤面積，對螺旋槳來說需增大直徑，從而

23、提高效率。這一結(jié)論具有重要的現(xiàn)實意義。 圖8-12 理想推進器的效率曲線二、理想螺旋槳理論1.理想螺旋槳的工作情況在理想推進器理論中，規(guī)定推進器具有吸收外來功率并產(chǎn)生軸向誘導速度的功能。然而，對于推進器是怎樣吸收外來功率，又如何實現(xiàn)推水向后等問題，卻未予說明。對于螺旋槳來說，它是利用旋轉(zhuǎn)運動來吸收主機功率的。因而，實際螺旋槳在工作時，除產(chǎn)生軸向誘導速度外還產(chǎn)生周向誘導速度，其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同，兩者合成作用表現(xiàn)為水流經(jīng)過螺旋槳盤面后有扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如圖7-13所示。 為了便于簡要地分析周向誘導速度的存在對螺旋槳性能的影響,現(xiàn)討論具有無限多槳葉的螺旋槳在理想流體中的運動情況，即同一半徑處周向誘

24、導速度為常量。按動量矩定理，必須有對軸線之外力矩才能變更流體對此 圖8-13 槳盤前后的水流情況 軸的動量矩.因為我們假定水是理想流體，故在流體中任何面上僅有垂直的力。在槳盤以前，水柱之任何兩切面間所受的壓力或通過軸線，或平行于軸線，對軸線皆無力矩，故動量矩保持不變，因而水質(zhì)點不能產(chǎn)生周向的附加速度，亦即在盤面以前水流的周向誘導速度總是等于零。水流經(jīng)過盤面時，因螺旋槳的轉(zhuǎn)動作用使水流獲得周向誘導速度。水流過螺旋槳后直到遠后方，作用在流體上的外力矩又等于零.所以流體的動量矩不變。若槳盤后尾流的收縮很小，則可近似認為從螺旋槳緊后方和遠后方的周向誘導速度為一常數(shù)。 設螺旋槳在無限、靜止流場中以速度前

25、進，以角速度旋轉(zhuǎn)。為了便于討論，假定螺旋槳仍以旋轉(zhuǎn)但不前進，而水流在遠前方以軸向速度流向推進器。 現(xiàn)分別以和表示槳盤處和遠后方的周向誘導速度(其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同)，并對盤面上半徑處段圓環(huán)中所流過的水流應用動量矩定理。參閱圖8-14，設為單位時間內(nèi)流過此圓環(huán)的流體質(zhì)量，其值為圖8-14 理想螺旋槳的工作情況式中：為槳盤上半徑至()段的環(huán)形面積。 若和分別表示質(zhì)量為dm的流體在槳盤緊前方和緊后方的動量矩，則式中：為螺旋槳緊后方的周向誘導速度。 在單位時間內(nèi)動量矩的增量 (8-16) 根據(jù)動量矩定理：流體在單位時間內(nèi)流經(jīng)流管兩截面的動量矩增量等于作用在流管上的力矩。在我們所討論的情形下，是指

26、對螺旋槳軸線所取的力矩。即 (8-17) 設螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時圓環(huán)范圍內(nèi)作用于流體的旋轉(zhuǎn)力為，則其旋轉(zhuǎn)力矩為，故作用在流體上的力矩應為 (8-18) 由式(8-16)及式(8-18)可得 (8-19) 質(zhì)量為的流體經(jīng)過槳盤之后，不再遭受外力矩的作用，故其動量矩保持不變。若槳盤后尾流的收縮很小，則可以近似地認為槳盤后的周向誘導速度為一常數(shù)，亦即槳盤緊后方及遠后方處的周向誘導速度相等，故 (8-20) 根據(jù)動能定理可知，質(zhì)量為的流體在旋轉(zhuǎn)運動時動能的改變應等于旋轉(zhuǎn)力在單位時間內(nèi)所作的功，即式中：為槳盤處的周向誘導速度。將式(8-19)代人上式中，并經(jīng)簡化后可得 (8-21)上式表明，螺旋槳盤面處的周向

27、誘導速度等于盤面后任一截面處(包括遠后方)的周向誘導速度的一半。 段圓環(huán)面積，吸收的功率為,它消耗于三部分：完成有效功，水流軸向運動所耗損的動能；和水流周向運動所耗損的動能。因此， =+ (8-22)將代人式(8-22)左邊并消去兩端，整理后可得 (7-23)圖8-15 盤面r半徑處的速度多角形 若將盤面處，遠前方及遠后方三項的水流速度(相對于半徑處的圓環(huán))作成圖8-15所示的速度多角形，則據(jù)式(8-32)可知，由矢量、和組成的直角三角形與、和組成的直角三角形相似，從而得到一個非常重要的結(jié)論：誘導速度垂直于合速。圖中和分別表示遠前方和遠后方的合速。2.理想螺旋槳的效率 設為流體在環(huán)形面積上的推

28、力，則單位時間內(nèi)所做的有用功為，而吸收的功率為，故半徑處段圓環(huán)的理想效率為 (8-24)將式(8-23)代入式(8-24)得到 (8-25)式中：為理想推進器效率，也可稱為理想旋轉(zhuǎn)槳的軸向誘導效率。而 (8-26)稱理想螺旋槳的周向誘導效率。 從式(8-25)可見，由于實際螺旋槳后的尾流旋轉(zhuǎn)，故理想螺旋槳效率總是小于理想推進器效率。這里尚須提醒的是：式(8-25)乃是半徑處段圓環(huán)的理想效率，只有在各半徑處的圓環(huán)對應的都相等時，該式所表示的才是整個理想螺旋槳的效率。第四節(jié) 螺旋槳的工作原理一、機翼原理 機翼是飛機產(chǎn)生升力的機構(gòu)。如圖8-16所示，機翼的長度稱為翼展，用符號表示，它的寬度稱為翼弦，

29、用符號表示，翼展與翼弦之比，稱為展弦比，即。圖8-16 機翼的形狀及幾何要素 圖8-17機翼的流體動力形成 將機翼模型放在風洞中進行試驗，如圖8-17所示。用伯努利方程，解釋機翼產(chǎn)生升力的原因。伯努利方程給出了一個流場里流速與壓力之間的關(guān)系，即流速大的地方壓力小，而流速小的地方則壓力大。在研究機翼的運動中，常采用運動相對原理，即認為機翼不動，來流以速度流向機翼，來流速度與機翼弦線之夾角稱為沖角，見圖8-17。由于來流受機翼阻擋，所以只能分別從上下繞過機翼。這時發(fā)現(xiàn)機翼上表面的氣流速度比前方來流速度高，因而壓力較低，機翼下表面的氣流速度大致與翼前方的相等或略低，因而壓力稍增。這樣機翼上下表面的壓

30、力差就構(gòu)成了向上的力。此力的方向垂直于來流方向，具有使機翼升起的作用，故稱升力。由于實際流體具有粘性，故機翼在實際流體中運動時，除產(chǎn)生升力之外，來流對機翼同時還產(chǎn)生阻力，具有阻礙機翼運動的作用。通常一個優(yōu)良的機翼升力總是比阻力大得多。 通過大量的試驗研究表明，升力與阻力的大小與機翼本身的幾何要素有關(guān)。對一既定翼形，其升力和阻力主要隨運動速度與幾何沖角的大小而變化。如果變更機翼模型與氣流運動方向的夾角，便可以測得各不同幾何沖角時的升力、阻力和力矩。通常風洞試驗的結(jié)果是以下面無因次系數(shù)來表示： 升力系數(shù) (8-27) 阻力系數(shù) (8-28) 式中：為流體的速度(即機翼前進的速度)；為機翼平面面積；

31、為機翼的升力；為機翼的阻力。 系數(shù)和的大小，與展弦比及切面形狀有關(guān)，特別是與幾何沖角的大小有關(guān)。對于一定幾何形狀的葉片，和取決于幾何沖角，圖8-18是和隨變化的曲線。從圖中可以看出： 圖8-18 、與關(guān)系曲線 8-19 機翼表面流體分裂 1)實驗證明，在實用范圍內(nèi)，升力系數(shù)是隨幾何沖角增加而增加，兩者幾乎成線性關(guān)系。當幾何沖角達到某一臨界值之后，反而隨的增大而下降。這是由于流線與機翼表面產(chǎn)生了分裂現(xiàn)象，形成了一個充滿旋渦的廣闊尾流，如圖8-19所示，因為機翼上面的壓力升高，致使升力激劇下降，阻力突然上升，這一情況稱為失速現(xiàn)象，稱為臨界沖角或失速角。 2)當幾何沖角為零時，升力系數(shù)并不等于零。而

32、是某一正值，這是因為機翼剖面不對稱之故。如果在某沖角下機翼的升力恰好等于零，則此時來流速度的方向線稱為無升力線，如圖8-20所示。其沖角稱為無升力角。有時以無升力線為參考方向，來流速度的方向線與此線的夾角稱為流體動力沖角(或絕對沖角)。顯然圖 8-20 無升力角 3)阻力系數(shù)也隨幾何沖角而變，在零沖角前后變化比較平綏，但隨的增加而迅遮增大，從圖8-19可以看出；阻力系數(shù)要比升力系數(shù)小得多，但不管什么時候阻力都不等于零，但當時阻力最小。二、敞水螺旋槳的水流運動分析 螺旋槳工作時，一面隨主機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，一面隨船舶前進而前進，這兩種運動的組合即為螺旋運動。 為了分析螺旋槳的運動和受力情況，我們先對半

33、徑為,寬度為的一薄片(稱為葉元體)，如圖8-21（a）所示進行分析,而整個螺旋槳所受的力正是各葉元體受力的總和。 如果將半徑為處的葉元體展平，則葉元體切面如圖8-21（b)所示。其切面弦線與周向的傾斜角即為螺距角。(a)葉元體 (b)速度三角形圖 8-21 葉元體的運動與受力 由于螺旋槳一面旋轉(zhuǎn)一面前進，設螺旋槳的轉(zhuǎn)速為，在處切向速度(周向速度)為，前進的速度(軸向速度)為。根據(jù)相對運動的原理，設葉元體不動，水流以軸向速度和周向速度流向葉元體，其合成速度為。合速度與葉元體之間的夾角稱為幾何沖角。以軸向速度，周向速度及合速度組成的三角形常稱為速度三角形，如圖8-22(b)所示。這樣葉元體的螺旋運

34、動最后歸結(jié)為水流以合速度及幾何沖角流向葉元體。其幾何沖角，(是合速度與周向速度之間的夾角稱為進角)。幾何沖角的大小與螺距角和水流的進角有關(guān)。 經(jīng)過以上分析，得知葉元體與水的相對運動和機翼與空氣相對運動類似。因此，葉元體將受到一個升力和一個阻力，的方向與來流合速度垂直，就在的方向上，二者的合力為。合力在螺旋槳前進方向的投影為推力，在周向的投影即為阻礙螺旋槳運動的阻力，因而旋轉(zhuǎn)阻力矩。以上是槳葉任意半徑處葉元體的運動受力情況，整個螺旋漿所產(chǎn)生的推力和遭受的旋轉(zhuǎn)阻力矩分別為各葉元體推力和旋轉(zhuǎn)阻力矩應的總和，即： (8-29) (8-30) 式中：為螺旋槳的葉數(shù);為槳轂半徑；為螺旋槳半徑。螺旋槳工作時

35、，發(fā)出的推力用以克服船的阻力，推船前進。遭受的阻力矩由主機發(fā)出的旋轉(zhuǎn)力矩克服之?？梢?，當螺旋槳以轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)時，必須吸收主機所供給的轉(zhuǎn)矩，才能克服阻力矩。螺旋槳吸收的功率為。螺旋槳在運動中產(chǎn)生推力為，且以進速推船前進，其所發(fā)揮作用的功率為。故螺旋槳的效率為： (8-31) 為了提高螺旋槳的效率，總是力求使螺旋槳所產(chǎn)生的推力增大，而使運動中所遭受的阻力矩減少，從而使主機供給的轉(zhuǎn)矩減小。為此，首先要選擇良好的葉元體形狀。更為重要的是還要使槳葉在各半徑處都能具有最適宜的幾何沖角。由圖8-21（b)可以看出，對于性能良好的槳葉切面，在各半徑處合成的來流速度與槳葉切面的幾何沖角又是適宜的。那么，各槳葉切

36、面就會產(chǎn)生較大的升力和較小的阻力，從而使推力較大而旋轉(zhuǎn)阻力較小，這就有利于提高螺旋槳的效率。 由速度三角形可見，進角的正切與所處的半徑成反比，這與螺矩角有相同的特性。這就是說，采用螺旋面作為槳葉的葉面，可以使各半徑處的螺矩角與進角相適應，以保證槳葉在各半徑處都具有較適宜的幾何沖角。三、速度多角形及葉元體上的作用力 前面我們是應用速度三角形來求螺旋槳的作用力及效率,一般在給定螺旋槳的進速和轉(zhuǎn)速時，如能求得誘導速度及時。還可以用速度多角形來求螺旋槳的作用力和效率。取半徑處段的葉元體進行討論，其速度多角形如圖7-22所示。當水流以合速度，沖角流向葉元體時，便產(chǎn)生了升力和阻力。將升力分解為沿螺旋槳軸向

37、的分力和旋轉(zhuǎn)方向的分力，阻力相應地分解為和應。因此該葉元體的推力、轉(zhuǎn)力矩公式是： （8-32） （8-33） （8-34） 式中：為水動力進角或水動力螺距角；為阻升比，。 圖8-22 速度多角形及葉元體上的作用力葉元體的效率為 (8-35)式中：為理想螺旋槳的軸向誘導效率；為理想螺旋槳的周向誘導效率；為葉元體的結(jié)構(gòu)效率。，是因螺旋槳運轉(zhuǎn)于具有粘性的實際流體中所引起。在實際流體中，因 0，故，說明螺旋槳在實際流體中工作的效率比在理想流體中要低。應從改善每一葉元體的、和入手，盡量減少尾流中的能量損失和降低阻升比之值。 從上述我們已知螺旋槳槳葉任意半徑處葉元體上的作用力及效率，由此可通過積分求得整個

38、螺旋槳上的作用力及效率。則： (8-36) (8-37) (8-38)式中：為螺旋槳葉數(shù)；為槳轂半徑；為螺旋槳半徑；為螺旋槳進速； 為螺旋槳轉(zhuǎn)速。四、進速系數(shù)和滑脫比如果螺旋槳是在剛性介層中工作，像螺釘在螺母中運動一樣。無疑地，旋轉(zhuǎn)一周在軸線上前進的距離將等于幾何螺距。但螺旋槳是在船后工作的，其前進的距離決定于船速。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周在軸向前進的距離稱為進程，以表示。進程將小于幾何螺距，其差值()為滑脫，如圖8-23所示?；撆c沖角有一定聯(lián)系，正是由于有滑脫才會產(chǎn)生推力。滑脫與螺距之比稱為滑脫比，以表示。即：圖 8-23 進程三角形 （8-39）或 （8-40）進程與螺旋槳直徑之比稱為進速系數(shù)，因

39、螺旋槳每秒鐘前進的距離為，故進速系數(shù)可寫成： （8-41）式中：為螺旋槳進速，ms；為螺旋槳轉(zhuǎn)速，rs。由(8-40)及(8-41)兩式可得進速系數(shù)與滑脫比之間的關(guān)系為： (8-42)在螺距一定的情況下，若不考慮誘導速度，則滑脫(或滑脫比)的大小即標志者沖角的大小；滑脫比大(進速系數(shù)小)即表示沖角大，則螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩亦大。因此，滑脫比(或進速系數(shù))是影響螺旋槳性能的重要參數(shù)，對于幾何形狀一定能螺旋槳來說，其推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)只與進速系數(shù)(或滑脫比)有關(guān)。五、螺旋槳的性征曲線 螺旋槳的水動力性能是指一定幾何形體的螺旋槳在水中運動時所產(chǎn)生的推力、消耗的轉(zhuǎn)矩及效率與進速和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在研究它

40、們之間的關(guān)系時，通常不是應用推力和轉(zhuǎn)力矩的絕對數(shù)量，而是以無因次系數(shù)來表示。這樣可使所得到的結(jié)果不受幾何尺寸的限制。它們的表達式分別為：推力系數(shù) (8-43)轉(zhuǎn)矩系數(shù) （8-44）效率 （8-45)式中：為推力，N；為轉(zhuǎn)矩N·m；為水的密度，kg/m3；為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；為螺旋槳直徑，m。 對于幾何形狀一定的螺旋槳而言，推力系數(shù)、轉(zhuǎn)力矩系數(shù)及效率與進速系數(shù)有關(guān)。通常把螺旋槳在不同進速系數(shù)時的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率繪在同一圖上，見圖8-24。因的數(shù)值太小，常增大10倍(10)與共用一縱坐標。表示螺旋槳水動力系數(shù)、和與進速系數(shù)之間關(guān)系的曲線稱為螺旋槳的敞水性征曲線。通常它是根據(jù)敞水

41、螺旋槳模型試驗結(jié)果繪制的，也可以用理論方法求得。它表示螺旋槳在正車狀態(tài)時的全面性能。 圖 8-24 螺旋槳性征曲線圖 從圖8-24中可以看出： 1)推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨進速系數(shù)的增加而減小，其原因主要因為沖角的改變。因為大則沖角小，小則沖角大，在一定的范圍內(nèi)，沖角的增大，會使升力和阻力增加。 2)當螺旋槳的轉(zhuǎn)速以為一定時，當時，和均達最大值。船在系泊試驗時，即為此種情況，這是檢驗螺旋槳在最大推力及轉(zhuǎn)矩作用下能否滿足強度要求的辦法之一，也可檢查系柱推力是否與設計要求相符。由于系柱試驗時轉(zhuǎn)矩大，因而主機會超負荷。一般情況下，柴油機在額定轉(zhuǎn)速時，其功率不能超過額定功率的110%，而且超功率時不能多于

42、l小時，如發(fā)生這種情況，必須降低轉(zhuǎn)速。 3)當為某一數(shù)值時，即沒有產(chǎn)生推力，但此時并不為零，但數(shù)值很小。例如，當主機由全速變換為低速運轉(zhuǎn)時，由于船舶有慣性，仍會保持一定航速前進，即進速系數(shù)變化小，而螺旋槳的轉(zhuǎn)速已很低，致使水流的實際沖角為零升力角，螺旋槳不產(chǎn)生推力。4)從效率曲線可知，當為某一數(shù)值時，效率出現(xiàn)最高值，但對不同螺距比的螺旋槳，效率的最高值大小是不同的。螺距比越大(在一定的范圍內(nèi))，則最高效率數(shù)值也越大。此時所對應的值也大，即在一定的、之下船速較快；或在一定航速下、較小，換句話說，負荷輕的螺旋槳，其螺距比稍大一些，所對應的值也大一些。第五節(jié) 螺旋槳模型的敞水試驗 螺旋槳模型單獨地在

43、靜水中的試驗稱為敞水試驗，試驗可以在船模試驗池或空泡水筒中進行。它是檢定和分析螺旋槳性能較為簡便的方法。 螺旋槳模型試驗對于研究螺旋槳的水動力性能有極其重要的作用，由于模型試驗可以在一定條件下進行重復試驗和多次觀察，因而能充分分析各種現(xiàn)象的本質(zhì)，為螺旋槳理論的建立和發(fā)展以及螺旋槳性能的改進提供可靠的基礎(chǔ)，為螺旋槳設計提供豐富的資料。一、螺旋槳敞水試驗的目的1.進行螺旋槳模型的系列試驗，將所得的結(jié)果繪制成專用圖譜，以供螺旋槳設計之用。當前各類螺旋槳的各種形式的設計圖譜都是根據(jù)系列試驗結(jié)果繪制而成的。2.根據(jù)系列試驗的結(jié)果，可以全面系統(tǒng)地分析螺旋槳各種幾何要素對性能的影響，以供設計時正確選擇各種參

44、數(shù)，并為改善螺旋槳性能提供方便。 3.為配合自航試驗和進行同一螺旋槳的敞水試驗時，以分析推進效率成分，比較各種設計方案的優(yōu)劣,便于選擇最佳的螺旋槳。 從“流體力學”及“船舶阻力”課程中知道，在流體中運動的模型與實物要達到力學上的全相似，必須使模型與實物幾何相似、運動相似及動力相似。對于螺旋槳模型(簡稱槳模)和實船螺旋槳(簡稱實槳)來說也無例外。由相似理論可以證明，要使幾何相似的螺旋槳成為動力相似，主要具備的條件是進速系數(shù)相等(運動相似)。就是說，不論實際螺旋槳與模型螺旋槳之間的絕對尺度和運動速度怎么不同，只要保持它們之間的幾何相似、進速系數(shù)相等,則無因次系數(shù)、和均相等(雷諾數(shù)達到一定數(shù)值)，因

45、此可將螺旋槳的模型試驗結(jié)果應用于與其幾何相似的實際螺旋槳計算中。當幾何形狀或進速系數(shù)改變時，則、及亦隨之改變；因此對于幾何形狀一定的螺旋槳來說，其水動力性能只與進速系數(shù)有關(guān)，而、及為進速系數(shù)的函數(shù)，因此可寫成： (8-46) (8-47) (8-48)螺旋槳試驗的目的就是要測定螺旋槳的性能數(shù)據(jù),即求出上述、及與的變化規(guī)律，一般是采用保持模型的轉(zhuǎn)速不變，而以不同的進速進行試驗來改變進速系數(shù)的值。通常，將試驗測得的結(jié)果（、及)按公式算出無量綱系數(shù)、及，并以為橫坐標, 、及為縱坐標繪制成圖7-24所示的螺旋槳性征曲線。二、敞水試驗設備及測試儀器 螺旋槳模型敞水試驗，是把槳模安裝在流線型敞水箱前方，如

46、圖8-25所示。敞水箱由拖車帶動，以獲得一定的進速(等于拖車速度)。用于驅(qū)動槳模轉(zhuǎn)動及測量其推力、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速動力儀安裝在敞水箱內(nèi)。為了防止敞水箱對槳模周圍流場的影響，一般把槳模置于敞水箱處，且保持，以避免螺旋槳興波的影響。 圖8-25是為試驗螺旋槳裝置的動力儀圖，它是目前大型水池廣泛采用的一種。螺旋槳轉(zhuǎn)速通過槳軸上轉(zhuǎn)速傳感器(可以是光電式、磁電式或電接觸式)檢測，其推力通過推力軸承作用于推力天平上，推力天平借砝碼平衡大部分推力。余下小部分推力使彈簧發(fā)生變形，利用差動變壓器；(或其他微變形傳感器)檢測彈簧的變形，而后用圖線記錄儀記錄，或數(shù)字化后打印輸出。轉(zhuǎn)矩是通過一個差動齒輪機構(gòu)來測量的，驅(qū)動馬

47、達的轉(zhuǎn)矩借差動齒輪機構(gòu)的外殼作用于螺旋槳轉(zhuǎn)軸上，因此螺旋槳轉(zhuǎn)軸同時給外殼的一個大小相等、方向相反的作用力矩，用天平各機構(gòu)測得這反作用力矩的大小，也就是螺旋槳的轉(zhuǎn)矩。測量轉(zhuǎn)矩天平的原理同推力天平完全一樣，因此在圖7-25中沒有畫出。為了使推力只作用于推力天平上，必須采用圖中的推扭力分離器，有了分離器可使推力全部傳至推力天平，而轉(zhuǎn)矩傳至齒輪箱，互不干擾。圖 8-25 敞水試驗裝置示意圖三、螺旋槳模型系列試驗及性征曲線組 為了研究螺旋槳幾何參數(shù)對性能的影響，各試驗池常以成組的螺旋槳模型作系統(tǒng)的試驗，并將其結(jié)果以最方便的形式繪制成專門圖譜，以供設計螺旋槳或分析船舶試航時用。此種試驗數(shù)據(jù)稱為螺旋槳模型系

48、列試驗組，其方法是將一定類型的螺旋槳按一定的秩序變更某些主要參數(shù)，以構(gòu)成一個螺旋槳系列。在同一系列中，將葉數(shù)和盤面比相同，而螺距比不同的五個或六個槳模稱為一組。通常將同一組螺旋槳的敞水性征曲線繪征同一張圖內(nèi)，如圖8-26所示。 目前世界上已有不少性能優(yōu)良的螺旋槳系列，其中比較著名應用較廣的有：荷蘭的B型螺旋槳，日本的AU型螺旋槳和英國的高恩螺旋槳等。B型和AU型螺旋槳適用于商船，而高恩螺旋槳則適用于水面高速軍艦。圖8-26是根據(jù)B系列螺旋槳中B-4-55組模型系列試驗結(jié)果繪制的性征曲線。其中第一個字母“B”表示螺旋槳的型式，第二個數(shù)字表示葉數(shù)，第三個數(shù)字表示盤面比。B-4-55表示B型四葉盤面

49、比為0.55的螺旋槳。 下面舉例說明性征曲線的應用： 例題：已知螺旋槳型式為B-4-55，直徑=2.6米，轉(zhuǎn)速=200rmin，進速=12.65kn，要求發(fā)出981OON推力，如軸系效率為0.97，試求該螺旋槳所需之螺距比及主機功率。 解：1)預備計算 (rs)(m/s)(N) 2)計算與 3)按算出的和值查B-4-55性征曲線圖得: 4)求螺旋槳收到的主機功率(N.m)(kw) 5)求主機功率(kw) 圖 8-26 B-4-55圖譜 第六節(jié) 螺旋槳與船體相互影響 在上面各節(jié)中，我們只討論了孤立螺旋槳在敞水中(或稱在均勻流場中)的水動力性能，而在“船舶阻力”課程中也只研究了孤立船體(即不帶有螺旋槳的船體)在靜水中航行時所遭受的阻力。實際螺旋槳是在船后工作的，螺旋槳和船體成為一個系統(tǒng)，兩者之間必然存在相互作用