螺旋槳模型的敞水試驗

276283第四章螺旋槳模型的敞水試驗螺旋槳模型單獨地在均勻水流中的試驗稱為敞水試驗，試驗可以在船模試驗池、循環(huán)水槽或空泡水筒中進展。它是檢驗和分析螺旋槳性能較為簡便的方法。螺旋槳模型試驗對于爭論它的水動力性能有重要的作用，除為螺旋槳設計供給豐富的資料外，對理論的進展也供給牢靠的根底。螺旋槳模型敞水試驗的目的及其作用大致是：①進展系列試驗，將所得結果分析整理后繪制成特地圖譜，供設計使用?，F(xiàn)時各類螺旋槳的設計圖譜都是依據(jù)系列試驗結果繪制而成的。時正確選擇各種參數(shù)，并為改善螺旋槳性能指出方向。③校核和驗證理論方法必不行少的手段。設計方案的優(yōu)劣，便于選擇最正確的螺旋槳。螺旋槳模型試驗的重要性如上所述，但模型和實際螺旋槳外形相像而大小不同，應當在怎樣的條件下才能將模型試驗的結果應用于實際螺旋槳，這是首先需要解決的問題。為此，我們在下面將分別爭論螺旋槳的相像理論以及尺度作用的影響。§4-1 敞水試驗的相像條件從“流體力學”及“船舶阻力”課程中，在流體中運動的模型與實物要到達力學上的全相像，必需滿足幾何相像、運動相像及動力相像。爭論螺旋槳相像理論的方法甚多，所得到的結果根本上是全都的。下面將用量綱分析法進展爭論，也就是用因次分析法則求出螺旋槳作用力的大致規(guī)律，然后爭論所得公式中各項的物理意義?？梢栽O想，肯定幾何外形的螺旋槳在敞水中運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的水動力(推力或轉(zhuǎn)矩)與直徑D(代表螺旋槳的大小)、轉(zhuǎn)速n、進速V

、水的密度ρ、水的運動粘性系數(shù)ν及重力加A速度g有關。換言之，我們可用以下函數(shù)來表示推力T和各因素之間的關系，即T=f1(D，n，V

，ρ，ν，g)，A為了便于用因次分析法確定此函數(shù)的性質(zhì)，將上式寫作：T=kDanbVcρdνegf (4-1)Ak為比例常數(shù)，a、b、c、d、e、f均為未知指數(shù)。將(4-1MLT)來表示，則得：ML kL1bLcMd2eLfT ＝ aTTL T T 2 3 2比較上述等式兩端的根本因次，可得未知指數(shù)之關系為：M: 1d L: (4-2)T: 2bce2f 由(4-2)式中解得：將(4-3)式代入(4-1)式得：

d1 a4c2ef (4-3)b2ce2f V c ν egDfT=kD4-c-2e-fn2-c-e-2fVc

ef=n2D4 A A nDn2n2D2A式中，V c、A

ν e、

gD

均為無因次數(shù)。從而可以推想到更普遍一些的寫法是nD

n2 n2D2T=n2D4

V ,nD2,n2D2)(A1nD ν gD(A或(AK= T f V ,n2,n2D2) (4-)(A式中，KT

為推力系數(shù)。

T n2D4 1nD ν gD與上述推導相類似，我們可以求得螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ

及效率η0

的表達式為：K = Q

f

,n2,n2D2) (4-)(VQ n2D5 2nD ν gD(VTη =K JT

,n2,n2D2) (4-)A0 K 2π 3nD ν gDAQ(4-4)、(4-5)及(4-6fff視螺旋槳的外形而定。依據(jù)相像理論，1 2 3fff1 2 3

，假設函數(shù)內(nèi)各無因次數(shù)一樣，則幾何相像的螺旋槳成為動力相像，其推力系數(shù)KTf內(nèi)各項的物理意義：

KQ

及效率η

相等。0AA① V 為進速系數(shù)J，兩幾何相像螺旋槳的VnD nAA

一樣，即

Vπ

數(shù)相等，則螺旋槳及其模型在各對應點處流體質(zhì)點的速度具有一樣的方向，且其比值為一常數(shù)，亦即對應點處流體質(zhì)點的行跡相像。因此，這是運動相像的根本條件。②nD2Re(螺旋槳的雷諾數(shù)可有多種表示方法，見本章§4-2)，模型和實槳粘ν性力相像必需滿足雷諾數(shù)一樣的條件，當螺旋槳及其模型之雷諾數(shù)一樣時，兩者之粘性力系數(shù)相等，亦即由粘性而產(chǎn)生的力也與n2D4成比例。n2③gD

πnD gDgDgDgDA

來表示)，表示模型和實物的重力相實踐證明，當槳軸的漂浮深度h＞0.625D(D為螺旋槳直徑)，興波的影響可以無視不計。故s在水面下足夠深度處進展模型試驗時，傅汝德數(shù)可不予考慮。綜上所述，當螺旋槳在敞水中運轉(zhuǎn)時，如槳軸漂浮較深，則其水動力性能只與進速系數(shù)JRe有關，亦即K=fT 1K =f

(J,Re) (4-7)(J,Re) (4-8)Q 2η=f0 3

(J,Re) (4-9)現(xiàn)在進一步爭論滿足相像定理的兩幾何相像螺旋槳(簡稱槳模和實槳)轉(zhuǎn)速和進速之間的V

、n、D、ν及V 、n、D、ν

分別表示實槳及槳模的進速、轉(zhuǎn)速、直徑和水sAs s s Am m m ms的運動粘性系數(shù)，為實槳與槳模的尺度比數(shù)，即由進速系數(shù)相等的條件可得：

=DDs m=V V=Am AsnD nD或由雷諾數(shù)相等的條件可得：

V n 1mVmmsAmsn λmVmmsAmsAs s

(4-10)nD2=nD2m m s smmssν νm s因ν與νs

相差很小，設ννs m

，則滿足雷諾數(shù)相等的條件為：nD2=nD2mmsm或 n =D2mmsm

s s=λ2 (4-11)n D2s m由此可見，要保持槳模和實槳的進速系數(shù)和雷諾數(shù)同時相等，則必需滿足：m2n λm2s

(4-12)mλV n.1λmλAm As sTm

T，由于：λssλsT=KρnD=K

nλ D4=Tss2 4m T m m

2 4T s 4明顯，在模型試驗時如要求滿足進速系數(shù)和雷諾數(shù)同時相等的條件，則槳模的轉(zhuǎn)速和進速都將過高而難以實現(xiàn)，推力過大而無法測量。因此，在進展螺旋槳模型的敞水試驗時，通常只滿足進速系數(shù)相等，對于雷諾數(shù)則僅要求超過臨界數(shù)值(以Rec

ReRe的c條件下，

K f(J)KT1(J)

(4-13)Q 2至于槳模和實槳因Re不同而引起兩者水動力性能之差異稱為尺度作用(或尺度效應)。§4-2 臨界雷諾數(shù)和尺度效應一、臨界雷諾數(shù)前已述及，螺旋槳模型試驗時的雷諾數(shù)無法保持與實槳一樣，假設雷諾數(shù)過低，則由于槳葉切面上流淌狀態(tài)與實槳不同，將使試驗結果無有用價值，因此必需確立一個模型槳試驗的最低雷諾數(shù)值——稱為臨界雷諾數(shù)。打算粘性流體流淌狀態(tài)的根本參數(shù)之一為雷諾數(shù)，當雷諾數(shù)足夠大時，界層中的流淌才能到達紊流狀態(tài)，故臨界雷諾數(shù)乃為保證模型界層中到達紊流狀態(tài)的最低雷諾數(shù)。雷諾數(shù)是以特征速度×特征尺度/nD2 VD過很多不同的表示方法(如

、A 等等)。為統(tǒng)一起見，1978ITTC(國際船模試驗池會議νννbV275bV275n)2Re=

Aν0.75RAν

(4-14)式中，VA

為進速，n為轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳的直徑，b0.75R

0.75R處葉切面的弦長，為水的運動粘性系數(shù)。實槳的Re數(shù)在107上下，處于紊流狀態(tài)工作，為了使模型試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定牢靠，并能用于實槳，就有必要正確地確定臨界雷諾數(shù)的數(shù)值。0.10、0.15、0.20、0.4060.6m)的1.00.90.8η00.70.60.50.40.30.20.10

T1,TK0.30.2Q0.1TQ T

115

115圖4-1νe=nD2圖4-1ν幾何相像模型進展了試驗，圖4-1J=0.85時，K、Kη隨雷諾數(shù)(肯夫用T Q 0

nD2ν

來表示)而K＝0JKT

Re(=nD2)＞4~5×105ν時，各曲線幾乎與橫坐標相平行，意即此時螺旋槳的性能幾乎與雷諾數(shù)無關。因此這個數(shù)值即為臨界雷諾數(shù)。六十年月初日本三菱水池谷口中對三個直徑不同的幾何相像螺旋槳(直徑分別為130.14、216.90309.86mm4-2J＝0.4、0.50.6K、KT Q

η隨雷諾數(shù)(谷00.25J=0.40.20

J=0.5T 0.15 J=0.60.10 D130.14216.000.050 1 2 3 e10-5JJ=0.4J=0.5J=0.6

309.2650.025Q 0.0200.0150.0100 1 2 3 4 5JJ=0.6J=0.5J=0.40.60η0.50.4圖4-2圖4-2口中用0.7RRe＞4.0105時KT值近似為常數(shù)，KRe的增加而略有減小。Q近年來，我國上海交通大學船舶流體力學爭論室為爭論尺度作用的需要，對五個幾何相214.6、169.1、139.5、118.7103.3mm)進展了敞水試驗，試驗中，以bV2bV275n)2Re=

0.75R Aν

＝(1.17～8.09)×1054-3K、KT Q

4-4η隨雷諾數(shù)的變化狀況。0從圖中可見，螺旋槳的臨界雷諾數(shù)可取為3.×15。1978年ITTC性能委員會報告中原先提出此數(shù)值為2.×15，經(jīng)上海交通大學船舶流體力學爭論室提出意見后同意改為3.0×15。PM24-26}J=0.1J=0.3J=0.5J=0.7PM24-26}J=0.1J=0.3J=0.5J=0.7D=214.6mm0.40.3T0.20.10 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.015〔a〕J=0.3J=0.5J=0.7Q 0.30.20.10 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.015圖4-3〔b圖4-3J=J=0.7J=0.50.4J=0.30.30.2J=0.10.10.70.60.50 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0圖4-4圖4-4二、尺度作用及修正方法因雷諾數(shù)不同而對螺旋槳性能的影響通常稱為尺度作用。假設模型之雷諾數(shù)過低，槳葉大局部處于層流區(qū)或變流區(qū)中，則試驗數(shù)據(jù)無法進展修正而用之于實槳。故在有用上，尺度作用僅適用于槳模和實槳均在超臨界區(qū)時因雷諾數(shù)不同之影響。機翼試驗的爭論結果說明，雷諾數(shù)對升力系數(shù)C的影響不大，可以認為模型和實物的升L力系數(shù)一樣，即C C。但Re對阻力系數(shù)C的影響較大，這是由于CLm Ls D

由粘性所引起。由C＜CDs作用。

CDm

=C -CDm

即為實物及模型之間的尺度從圖3-10所示葉切面受力狀況中可以看出：螺旋槳的尺度作用對推力的影響較小，對扭矩的影響較大。實槳和槳模在同一J的影響)是：K

＜K，K ＞K，η＜η。因此，將模型結果用之于實槳時需要考慮尺度作用Tm Ts Qm Qs 0m 0s問題。對于模型試驗結果的尺度修正方法概括說來有以下三種：CD

雖小，但實際上槳模加工可以做得很光滑，而實槳比較粗糙，因粗糙而增加之阻力大體抵消了尺度作用，故可不予修正。②只修正K 認為尺度作用主要影響K，對K的影響很小可不予考慮。為簡便計，可Q Q T以用平板摩擦阻力公式(例如柏蘭特-許立汀公式)。直接對KQ

J值時，有：K Re

58Qm Rm

(4-15) Qs s③1978ITTC論的修正方法以后，1978ITTC推舉下述修正方法。JKT

K之間有以下關系：QK =KTs Tm

T

(4-16)K =KQs Qm

Q

(4-17)ΔΚT

、ΔΚ

為尺度作用對推力系數(shù)及轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響，以下式表示：QΔK＝-0.3ΔC

P

bZ (4-18)T D ΔK＝0.25

DDbZ (4-19)Q式中ZP/D──0.75R處的螺距比；

DDb/D──0.75R處切面的弦長與螺旋槳直徑之比；ΔC0.75R處切面的阻力系數(shù)之差，即DΔC＝CD

-CDm

(4-20)其中 C

＝212t

0.044 5

(4-21)Dm

bRe16 Re23b C＝212tRe23b

1.62lg

b

4-22Ds

1.89

K ( )P這里，b、t/b、Re0.75R處切面的弦長、厚度比及雷諾數(shù)。KpK＝3.0×10-6m。p

為實槳的外表粗糙度，一這樣，就可以將模型試驗的敞水性征曲線修正至實槳的敞水性征曲線。通常推力系數(shù)受1%左右。為了使讀者對尺度作用修正有一個量的概念，以“風光”輪螺旋槳為例，將其修正前后的敞水性征曲線相應的數(shù)值4-1。KT10KQKT10KQJ修正前修正后修正前修正后0.100.37260.37280.51270.51000.200.33810.33850.47320.47000.300.30140.30180.43120.42700.400.26230.26270.38620.38200.500.22090.22140.33790.33400.600.17730.17770.28570.28200.700.13160.13190.22940.22600.800.08360.08400.16840.1650§4-3 敞水試驗方法及測量數(shù)據(jù)的表達由上節(jié)的爭論中，螺旋槳模型在足夠漂浮深度和超臨界雷諾數(shù)狀況下進展試驗所得的結果，可用之于實槳。對于幾何相像的螺旋槳來說，其水動力性能只與J有關，即K T

f(V )()AT 2D4()A

1nDVK QV

f A

(4-23)Q 2D5 2nD()TA ηK J f V ()TA 0 K 2πQ

3nD至于實槳和槳模因Re不同對水動力性能的影響可進展尺度作用修正。Dρ是量，因此欲知螺旋槳的水動力nV一、敞水試驗設備及測試儀器

TQ。AJ有足夠大的變化范圍。目前不外乎承受以下兩種方法以得到不同的J值，即第一種方法：保持槳模的轉(zhuǎn)速不變，而以不同的進速進展試驗。拖曳水池中常承受這種方法。其次種方法：保持模型的進速不變，而以不同的轉(zhuǎn)速進展試驗。空泡水筒中常承受這種方法。承受其次種方法時因轉(zhuǎn)速不能無限加大，因而進速系數(shù)J的變動范圍有肯定限度，不能J＝0)的狀況。下面對拖曳水池中進展敞水試驗作比較具體的介紹。用于驅(qū)動槳模旋轉(zhuǎn)及測量其推力、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的動力儀安置在敞水箱內(nèi)。槳模應置于敞水箱前足夠遠處，以避開敞水箱在水中運動時影響槳模四周的水流，且其葉背向前。槳軸的漂浮h≥Dh=D。s m s m試驗前應先依據(jù)槳模的幾何尺寸，如直徑Dm

0.75R3.0×1054-14式計算)確定槳模要求的最小轉(zhuǎn)速，并約略估算J＝0時槳?？赡馨l(fā)出的最大推力及吸取的轉(zhuǎn)矩，以選擇量程適宜的動力儀。J04式動力儀；電測式動力儀，如電阻應變式及變磁阻式動力儀；還有機電綜合式動力儀。01520152M11421222016VA121937 2723185 469101125132417D826h圖4-54-5為J04螺旋槳動力儀的簡圖，用于說明螺旋槳模型轉(zhuǎn)矩和推力的測量原理。轉(zhuǎn)矩測量4-61234，空心軸右端為帶有兩686上。7是用于測量轉(zhuǎn)矩的扭轉(zhuǎn)彈78之內(nèi)，彈簧兩端的座子都有孔與固定銷相配，9是彈簧壓蓋，它通2510269上的開27相連。圓環(huán)上有兩小滑塊嵌在圓管外外表的螺旋形槽內(nèi)。11是連桿，上端套在圓桿1210相連，彼此間可以相對轉(zhuǎn)動。當螺旋槳產(chǎn)生425727上的兩小滑塊81013，14及指針15轉(zhuǎn)換成在刻度盤上的角位移，彈簧上承受的轉(zhuǎn)矩和指針角位移間的關系是預先校驗好的。因此，在試驗中依據(jù)指針的角位移即可量得槳模的轉(zhuǎn)矩。推力測量19為杠桿，1，8為推力軸承，17為內(nèi)軸上的可伸縮節(jié)頭，杠桿的杠桿比為2∶1，推力的主要局部借砝碼22平衡，未被平衡的余量由擺秤來測量，擺秤的刻度與相當砝碼的關系，也是通過校驗預先求得的。因此，在試驗中依據(jù)砝碼及擺秤的讀數(shù)即可量得槳模的推力。進速VA

和轉(zhuǎn)速n的測量VA

即拖車前進的速度，螺旋槳轉(zhuǎn)速由槳軸上轉(zhuǎn)速傳感器(光電式)檢測。二、測量數(shù)據(jù)的表達☆在螺旋槳模型的敞水試驗中VA

轉(zhuǎn)速n及其對應的推力T及轉(zhuǎn)矩Q按(3-37)和(4-23J、K、KηJ為橫坐標，K、KηT Q 0 T Q 03-14)。為了使用便利，有時還以表格形式給出K、K及T QηJ4-624000t61〔MAU4-60、P/D=00.778D=0.1238n=30轉(zhuǎn)/h=0.18。m s0.70.60.5K0.4TK, 0.3TK0.20.10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0J圖圖4-6☆：關于螺旋槳敞水試驗及其結果的表達，我國船舶標準化委員會托付上海交通大學船舶流體力學爭論室編制成標準化文件，該1983年底通過，1984年開頭執(zhí)行。文件中對試驗方法、數(shù)據(jù)表達均有具體說明?！?-4 螺旋槳模型系列試驗及性征曲線組以供設計螺旋槳或分析船舶航行特性之用。所謂螺旋槳系列，是指肯定類型的螺旋槳按肯定的次序變更某些主要參數(shù)，以構成一個螺旋槳系列。在同一系列中，將葉數(shù)和盤面比一樣，如圖4-7所示。為了便于螺旋槳設計，還需將系列試驗結果繪制成專用的螺旋槳設計圖譜。關于圖譜的繪制原理、使用方法以及螺旋槳各參數(shù)對于性能的影響將于第九章中再行介紹。AUAU5-50K=Tρn24K=Qρn25TQJ=V/nD0 T=KJ/2πKQAK1.01.2P/D==480.80.70.6Q 0.5,T0.4

0.80.70.3 0.60.50.2

0.40.30.10.1D0.0.60.00.20.40.60.8 1.01.21.40.1圖4-7圖4-7J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BAU型螺旋槳和英國的高恩螺旋槳等。BAU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。為了使大家了解目前世界各國比較知名的螺旋槳系列進展狀況，特擇要列于表4-2和表4-3中，以便選用。