第八章　船舶推進(jìn)

1、第八章 船舶推進(jìn)學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1了解船舶快速性的基本概念與研究?jī)?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(shè)計(jì)方法；5掌握螺旋槳的幾何特征及繪制方法；能力目標(biāo)1具備用機(jī)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(jìn)行B型螺旋槳的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(jī)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(jìn)兩部分，船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從下述四個(gè)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(shí)所遭受的阻力較?。贿x擇性能優(yōu)良的推進(jìn)器，使推進(jìn)效率較高；選取合適的主機(jī)，使推力較大；推進(jìn)器與船體和主機(jī)之間相互匹配，協(xié)調(diào)一致。因此，快速性良好的船舶除應(yīng)具有優(yōu)秀的船型以外，還必須具有最佳的推進(jìn)性能。由此可見，研究船舶的推進(jìn)問題對(duì)于改善快速性具有重大的作用。船在水面或水中航行時(shí)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(jī)構(gòu)通過吸收主機(jī)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(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為推進(jìn)器。推進(jìn)器種類很多，例如風(fēng)帆、明輪、直葉推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器及螺旋槳等。螺旋槳構(gòu)

3、造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、使用方便、效率較高，是目前應(yīng)用最廣的推進(jìn)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(dǎo)管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳、對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳、串列螺旋槳。表8-l 幾種推進(jìn)器的效率和重量推進(jìn)器類型推進(jìn)器效率軸系傳送效率推進(jìn)系數(shù)推進(jìn)器重量(kghp)螺旋槳明輪直葉推進(jìn)器噴水推進(jìn)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(shè)計(jì)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(gè)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(jī)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(dòng)而采用5葉或5葉以上的螺旋槳。 由船尾向前看時(shí)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(shí)先入水的一邊稱為導(dǎo)邊，另一邊稱為隨邊。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)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(diǎn)。 設(shè)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(shí)以等線速度沿向上移動(dòng)，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(jìn)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(dāng)母線為曲線時(shí)，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(diǎn)在運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)為高為的矩形，而螺旋線變?yōu)樾本€(矩形的對(duì)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(zhǎng)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(shè)上述圓柱面的半徑為，則展開后螺距三角形的底邊長(zhǎng)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(gè)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(duì)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(jì)量方法，在簡(jiǎn)寫時(shí)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(jiǎn)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(jī)翼切面相仿。所以表征機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dǎo)邊鈍而隨邊較尖，其最大厚度則近于導(dǎo)邊，約在離導(dǎo)邊2540弦長(zhǎng)處。 弓形切面 機(jī)翼形切面 月牙形切面圖 8-8 槳葉切面的形狀切面的弦長(zhǎng)一般有內(nèi)弦和外弦之分。連接切面導(dǎo)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(duì)于系列圖譜螺旋槳來說，通常稱外弦為弦線，而對(duì)于理論設(shè)計(jì)的螺旋槳來說，則常以內(nèi)弦為弦線，弦長(zhǎng)及螺距也根據(jù)所取弦線來定義。圖8-9中所示的弦長(zhǎng)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(jī)翼形；(b)弓形1-面線；2-背線；3-導(dǎo)邊；4-隨邊；5-拱線；6-導(dǎo)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(diǎn)間的距離來表示。其最大厚度稱為葉厚，與切面弦長(zhǎng)之比稱為切面的相對(duì)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(zhǎng)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(dá)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(zhǎng)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(dǎo)的船體振動(dòng)，但縱斜不宜過大(一般)，否則螺旋槳在操作時(shí)因離心力而增加葉根處的彎曲應(yīng)力，對(duì)槳葉強(qiáng)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(duì)稱于參考線的稱為對(duì)稱葉形。若其外形與參考線不相對(duì)稱，則為不對(duì)稱葉形

13、。不對(duì)稱槳葉的葉梢與參考線間的距離稱為側(cè)斜,相應(yīng)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(dǎo)的船體振動(dòng)。 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(zhǎng)線在軸線上交點(diǎn)的距離與直徑之比值稱為葉厚分?jǐn)?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(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)置于相應(yīng)半徑的水平線上，并光順連接端點(diǎn)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(shí)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荆?(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(dòng)量理論、葉元體理論和環(huán)流理論。本節(jié)主要介紹動(dòng)量理論。 推進(jìn)器的動(dòng)量理論早在1

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

17、導(dǎo)速度分量稱為周向誘導(dǎo)速度，其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同。對(duì)于負(fù)荷(指螺旋槳承擔(dān)的推力)較重的螺旋槳?？梢园l(fā)現(xiàn)螺旋槳尾流有較嚴(yán)重的收縮現(xiàn)象，這時(shí)水質(zhì)點(diǎn)還存在徑向誘導(dǎo)速度。 往往由于對(duì)誘導(dǎo)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(dǎo)速度的影響，應(yīng)用動(dòng)量定理可得到理想推進(jìn)器理論，若同時(shí)考慮周向誘導(dǎo)速度并應(yīng)用動(dòng)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(jìn)器理論和理想螺旋槳理論。一、理想推進(jìn)器理論 1.理想推進(jìn)器的工作概況 為了使問題簡(jiǎn)單起見，我們假定： 推進(jìn)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(dòng)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(jìn)器理論，稱為理想推進(jìn)器理論。設(shè)推進(jìn)器在無限靜止流體中以速度前進(jìn)，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理，即認(rèn)為推進(jìn)器是固定的，而水流自無窮遠(yuǎn)前方以速度流向推進(jìn)器(鼓動(dòng)盤)。圖8-11(a)表示包圍著推進(jìn)器的流管。由于推進(jìn)器的作用，在流管中水質(zhì)點(diǎn)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。現(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(jìn)器的遠(yuǎn)前方(剖面)壓力為、流速為。離盤面愈近，由于推進(jìn)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(shí)，水流的速度為而壓力降為。當(dāng)

19、水流經(jīng)過盤面時(shí)，壓力突增為。(這一壓力突變是由于推進(jìn)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(jìn)器的遠(yuǎn)后方(剖面)處，速度將達(dá)到最大值而壓力回復(fù)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(jìn)器在無限深廣的流體中運(yùn)動(dòng)，故流管以外兩端無限遠(yuǎn)處的壓力和水流速度可視為不變。 (a) (b)圖8-11 理想推進(jìn)器的工作情況根據(jù)以上的分析，便可以進(jìn)一步?jīng)Q定推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力和水流速度之間的關(guān)系。 應(yīng)用動(dòng)量定理可以求出推進(jìn)器的推力。

20、單位時(shí)間內(nèi)流過推進(jìn)器盤面(面積為)的流體質(zhì)量為，自流管遠(yuǎn)前方斷面流入的動(dòng)量為，而在遠(yuǎn)后方斷面處流出的動(dòng)量為，故在單位時(shí)間內(nèi)水流獲得的動(dòng)量增值為：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 (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(yuǎn)后方速度增量的關(guān)系，在推進(jìn)器盤面前和盤面后分別應(yīng)用伯努利方程。在盤面遠(yuǎn)前方和緊靠盤面處有下列關(guān)系式：故 (8-7)而在盤面遠(yuǎn)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(jìn)器的推力，由式(8-7)及式(8-8)可得 (8-9) 因推進(jìn)器的盤面積為，故推進(jìn)器所產(chǎn)生的

21、推力的另一種表達(dá)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(jìn)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(dǎo)速度。由式(8-7)或式(8-10)可見，軸向誘導(dǎo)速度愈大，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力也愈大。 2.理想推進(jìn)器效率推進(jìn)器的效率等于有效功率和消耗功率的比值?，F(xiàn)以絕對(duì)運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)來討論理想推進(jìn)器的效率。推進(jìn)器在靜水中以速度前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生推力，則其有效功率為。但推進(jìn)器在工作時(shí)，每單位時(shí)間內(nèi)有質(zhì)量的水通過盤面得到加速而進(jìn)入尾流，尾流中的能量隨水消逝乃屬損失，故單位時(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)為從而推進(jìn)器消耗的功率為因此，理想推

22、進(jìn)器的效率為 (8-12) 由式(8-10)可見，推進(jìn)器必須給水流以向后的誘導(dǎo)速度才能獲得推力，故從式(8-12)可知，理想推進(jìn)器的效率總是小于1。 理想推進(jìn)器的效率還可用另外的形式來表達(dá)，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(jìn)器的載荷系數(shù)。將式(8-23)代人式(8-21)可得效率的表達(dá)式為： (8-15) 由式(8-14)及式(8-15)可見，若已知推進(jìn)器的載荷系數(shù)，便可以確定誘導(dǎo)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(duì)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(shí)意義。 圖8-12 理想推進(jìn)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(jìn)器理論中，規(guī)定推進(jìn)器具有吸收外來功率并產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速度的功能。然而，對(duì)于推進(jìn)器是怎樣吸收外來功率，又如何實(shí)現(xiàn)推水向后等問題，卻未予說明。對(duì)于螺旋槳來說，它是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來吸收主機(jī)功率的。因而，實(shí)際螺旋槳在工作時(shí)，除產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速度外還產(chǎn)生周向誘導(dǎo)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(jiǎn)要地分析周向誘導(dǎo)速度的存在對(duì)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(yùn)動(dòng)情況，即同一半徑處周向誘

24、導(dǎo)速度為常量。按動(dòng)量矩定理，必須有對(duì)軸線之外力矩才能變更流體對(duì)此 圖8-13 槳盤前后的水流情況 軸的動(dòng)量矩.因?yàn)槲覀兗俣ㄋ抢硐肓黧w，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(duì)軸線皆無力矩，故動(dòng)量矩保持不變，因而水質(zhì)點(diǎn)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(dǎo)速度總是等于零。水流經(jīng)過盤面時(shí)，因螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)作用使水流獲得周向誘導(dǎo)速度。水流過螺旋槳后直到遠(yuǎn)后方，作用在流體上的外力矩又等于零.所以流體的動(dòng)量矩不變。若槳盤后尾流的收縮很小，則可近似認(rèn)為從螺旋槳緊后方和遠(yuǎn)后方的周向誘導(dǎo)速度為一常數(shù)。 設(shè)螺旋槳在無限、靜止流場(chǎng)中以速度前

25、進(jìn)，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(jìn)，而水流在遠(yuǎn)前方以軸向速度流向推進(jìn)器。 現(xiàn)分別以和表示槳盤處和遠(yuǎn)后方的周向誘導(dǎo)速度(其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同)，并對(duì)盤面上半徑處段圓環(huán)中所流過的水流應(yīng)用動(dòng)量矩定理。參閱圖8-14，設(shè)為單位時(shí)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(dòng)量矩，則式中：為螺旋槳緊后方的周向誘導(dǎo)速度。 在單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量矩的增量 (8-16) 根據(jù)動(dòng)量矩定理：流體在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)流管兩截面的動(dòng)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(duì)螺旋槳軸線所取的力矩。即 (8-17) 設(shè)螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)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(yīng)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(dòng)量矩保持不變。若槳盤后尾流的收縮很小，則可以近似地認(rèn)為槳盤后的周向誘導(dǎo)速度為一常數(shù)，亦即槳盤緊后方及遠(yuǎn)后方處的周向誘導(dǎo)速度相等，故 (8-20) 根據(jù)動(dòng)能定理可知，質(zhì)量為的流體在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能的改變應(yīng)等于旋轉(zhuǎn)力在單位時(shí)間內(nèi)所作的功，即式中：為槳盤處的周向誘導(dǎo)速度。將式(8-19)代人上式中，并經(jīng)簡(jiǎn)化后可得 (8-21)上式表明，螺旋槳盤面處的周向

27、誘導(dǎo)速度等于盤面后任一截面處(包括遠(yuǎn)后方)的周向誘導(dǎo)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(yùn)動(dòng)所耗損的動(dòng)能；和水流周向運(yùn)動(dòng)所耗損的動(dòng)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(yuǎn)前方及遠(yuǎn)后方三項(xiàng)的水流速度(相對(duì)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(gè)非常重要的結(jié)論：誘導(dǎo)速度垂直于合速。圖中和分別表示遠(yuǎn)前方和遠(yuǎn)后方的合速。2.理想螺旋槳的效率 設(shè)為流體在環(huán)形面積上的推

28、力，則單位時(shí)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(jìn)器效率，也可稱為理想旋轉(zhuǎn)槳的軸向誘導(dǎo)效率。而 (8-26)稱理想螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率。 從式(8-25)可見，由于實(shí)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(jìn)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(duì)應(yīng)的都相等時(shí)，該式所表示的才是整個(gè)理想螺旋槳的效率。第四節(jié) 螺旋槳的工作原理一、機(jī)翼原理 機(jī)翼是飛機(jī)產(chǎn)生升力的機(jī)構(gòu)。如圖8-16所示，機(jī)翼的長(zhǎng)度稱為翼展，用符號(hào)表示，它的寬度稱為翼弦，

29、用符號(hào)表示，翼展與翼弦之比，稱為展弦比，即。圖8-16 機(jī)翼的形狀及幾何要素 圖8-17機(jī)翼的流體動(dòng)力形成 將機(jī)翼模型放在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，如圖8-17所示。用伯努利方程，解釋機(jī)翼產(chǎn)生升力的原因。伯努利方程給出了一個(gè)流場(chǎng)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(jī)翼的運(yùn)動(dòng)中，常采用運(yùn)動(dòng)相對(duì)原理，即認(rèn)為機(jī)翼不動(dòng)，來流以速度流向機(jī)翼，來流速度與機(jī)翼弦線之夾角稱為沖角，見圖8-17。由于來流受機(jī)翼阻擋，所以只能分別從上下繞過機(jī)翼。這時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)翼上表面的氣流速度比前方來流速度高，因而壓力較低，機(jī)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(jī)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(jī)翼升起的作用，故稱升力。由于實(shí)際流體具有粘性，故機(jī)翼在實(shí)際流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，除產(chǎn)生升力之外，來流對(duì)機(jī)翼同時(shí)還產(chǎn)生阻力，具有阻礙機(jī)翼運(yùn)動(dòng)的作用。通常一個(gè)優(yōu)良的機(jī)翼升力總是比阻力大得多。 通過大量的試驗(yàn)研究表明，升力與阻力的大小與機(jī)翼本身的幾何要素有關(guān)。對(duì)一既定翼形，其升力和阻力主要隨運(yùn)動(dòng)速度與幾何沖角的大小而變化。如果變更機(jī)翼模型與氣流運(yùn)動(dòng)方向的夾角，便可以測(cè)得各不同幾何沖角時(shí)的升力、阻力和力矩。通常風(fēng)洞試驗(yàn)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(jī)翼前進(jìn)的速度)；為機(jī)翼平面面積；

31、為機(jī)翼的升力；為機(jī)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(duì)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(jī)翼表面流體分裂 1)實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)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(dāng)幾何沖角達(dá)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(jī)翼表面產(chǎn)生了分裂現(xiàn)象，形成了一個(gè)充滿旋渦的廣闊尾流，如圖8-19所示，因?yàn)闄C(jī)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(dāng)幾何沖角為零時(shí)，升力系數(shù)并不等于零。而

32、是某一正值，這是因?yàn)闄C(jī)翼剖面不對(duì)稱之故。如果在某沖角下機(jī)翼的升力恰好等于零，則此時(shí)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(shí)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(dòng)力沖角(或絕對(duì)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(shí)候阻力都不等于零，但當(dāng)時(shí)阻力最小。二、敞水螺旋槳的水流運(yùn)動(dòng)分析 螺旋槳工作時(shí)，一面隨主機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，一面隨船舶前進(jìn)而前進(jìn)，這兩種運(yùn)動(dòng)的組合即為螺旋運(yùn)動(dòng)。 為了分析螺旋槳的運(yùn)動(dòng)和受力情況，我們先對(duì)半

33、徑為,寬度為的一薄片(稱為葉元體)，如圖8-21（a）所示進(jìn)行分析,而整個(gè)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(yùn)動(dòng)與受力 由于螺旋槳一面旋轉(zhuǎn)一面前進(jìn)，設(shè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速為，在處切向速度(周向速度)為，前進(jìn)的速度(軸向速度)為。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，設(shè)葉元體不動(dòng)，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(yùn)

34、動(dòng)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(jìn)角)。幾何沖角的大小與螺距角和水流的進(jìn)角有關(guān)。 經(jīng)過以上分析，得知葉元體與水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和機(jī)翼與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)類似。因此，葉元體將受到一個(gè)升力和一個(gè)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(jìn)方向的投影為推力，在周向的投影即為阻礙螺旋槳運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)受力情況，整個(gè)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(yīng)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(shí)

35、，發(fā)出的推力用以克服船的阻力，推船前進(jìn)。遭受的阻力矩由主機(jī)發(fā)出的旋轉(zhuǎn)力矩克服之?？梢姡?dāng)螺旋槳以轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，必須吸收主機(jī)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(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生推力為，且以進(jìn)速推船前進(jìn)，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(yùn)動(dòng)中所遭受的阻力矩減少，從而使主機(jī)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(duì)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(huì)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(jìn)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(jìn)角相適應(yīng)，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(yīng)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(jìn)速和轉(zhuǎn)速時(shí)，如能求得誘導(dǎo)速度及時(shí)。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(jìn)行討論，其速度多角形如圖7-22所示。當(dāng)水流以合速度，沖角流向葉元體時(shí)，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(yīng)地分解為和應(yīng)。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(dòng)力進(jìn)角或水動(dòng)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(dǎo)效率；為理想螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率；為葉元體的結(jié)構(gòu)效率。，是因螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)于具有粘性的實(shí)際流體中所引起。在實(shí)際流體中，因 0，故，說明螺旋槳在實(shí)際流體中工作的效率比在理想流體中要低。應(yīng)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(gè)

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(jìn)速； 為螺旋槳轉(zhuǎn)速。四、進(jìn)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(yùn)動(dòng)一樣。無疑地，旋轉(zhuǎn)一周在軸線上前進(jìn)的距離將等于幾何螺距。但螺旋槳是在船后工作的，其前進(jìn)的距離決定于船速。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周在軸向前進(jìn)的距離稱為進(jìn)程，以表示。進(jìn)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(huì)產(chǎn)生推力?；撆c螺距之比稱為滑脫比，以表示。即：圖 8-23 進(jìn)程三角形 （8-39）或 （8-40）進(jìn)程與螺旋槳直徑之比稱為進(jìn)速系數(shù)，因

39、螺旋槳每秒鐘前進(jìn)的距離為，故進(jìn)速系數(shù)可寫成： （8-41）式中：為螺旋槳進(jìn)速，ms；為螺旋槳轉(zhuǎn)速，rs。由(8-40)及(8-41)兩式可得進(jìn)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(dǎo)速度，則滑脫(或滑脫比)的大小即標(biāo)志者沖角的大?。换摫却?進(jìn)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(jìn)速系數(shù))是影響螺旋槳性能的重要參數(shù)，對(duì)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(jìn)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(dòng)力性能是指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、消耗的轉(zhuǎn)矩及效率與進(jìn)速和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在研究它

40、們之間的關(guān)系時(shí)，通常不是應(yīng)用推力和轉(zhuǎn)力矩的絕對(duì)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(dá)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(duì)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(jìn)速系數(shù)有關(guān)。通常把螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)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(biāo)。表示螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)、和與進(jìn)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(yàn)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(shí)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(jìn)速系數(shù)的增加而減小，其原因主要因?yàn)闆_角的改變。因?yàn)榇髣t沖角小，小則沖角大，在一定的范圍內(nèi)，沖角的增大，會(huì)使升力和阻力增加。 2)當(dāng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速以為一定時(shí)，當(dāng)時(shí)，和均達(dá)最大值。船在系泊試驗(yàn)時(shí)，即為此種情況，這是檢驗(yàn)螺旋槳在最大推力及轉(zhuǎn)矩作用下能否滿足強(qiáng)度要求的辦法之一，也可檢查系柱推力是否與設(shè)計(jì)要求相符。由于系柱試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)矩大，因而主機(jī)會(huì)超負(fù)荷。一般情況下，柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其功率不能超過額定功率的110%，而且超功率時(shí)不能多于

42、l小時(shí)，如發(fā)生這種情況，必須降低轉(zhuǎn)速。 3)當(dāng)為某一數(shù)值時(shí)，即沒有產(chǎn)生推力，但此時(shí)并不為零，但數(shù)值很小。例如，當(dāng)主機(jī)由全速變換為低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于船舶有慣性，仍會(huì)保持一定航速前進(jìn)，即進(jìn)速系數(shù)變化小，而螺旋槳的轉(zhuǎn)速已很低，致使水流的實(shí)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(dāng)為某一數(shù)值時(shí)，效率出現(xiàn)最高值，但對(duì)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(shí)所對(duì)應(yīng)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(fù)荷輕的螺旋槳，其螺距比稍大一些，所對(duì)應(yīng)的值也大一些。第五節(jié) 螺旋槳模型的敞水試驗(yàn) 螺旋槳模型單獨(dú)地在

43、靜水中的試驗(yàn)稱為敞水試驗(yàn)，試驗(yàn)可以在船模試驗(yàn)池或空泡水筒中進(jìn)行。它是檢定和分析螺旋槳性能較為簡(jiǎn)便的方法。 螺旋槳模型試驗(yàn)對(duì)于研究螺旋槳的水動(dòng)力性能有極其重要的作用，由于模型試驗(yàn)可以在一定條件下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)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(jìn)提供可靠的基礎(chǔ)，為螺旋槳設(shè)計(jì)提供豐富的資料。一、螺旋槳敞水試驗(yàn)的目的1.進(jìn)行螺旋槳模型的系列試驗(yàn)，將所得的結(jié)果繪制成專用圖譜，以供螺旋槳設(shè)計(jì)之用。當(dāng)前各類螺旋槳的各種形式的設(shè)計(jì)圖譜都是根據(jù)系列試驗(yàn)結(jié)果繪制而成的。2.根據(jù)系列試驗(yàn)的結(jié)果，可以全面系統(tǒng)地分析螺旋槳各種幾何要素對(duì)性能的影響，以供設(shè)計(jì)時(shí)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(yàn)和進(jìn)行同一螺旋槳的敞水試驗(yàn)時(shí)，以分析推進(jìn)效率成分，比較各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣,便于選擇最佳的螺旋槳。 從“流體力學(xué)”及“船舶阻力”課程中知道，在流體中運(yùn)動(dòng)的模型與實(shí)物要達(dá)到力學(xué)上的全相似，必須使模型與實(shí)物幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似。對(duì)于螺旋槳模型(簡(jiǎn)稱槳模)和實(shí)船螺旋槳(簡(jiǎn)稱實(shí)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(dòng)力相似，主要具備的條件是進(jìn)速系數(shù)相等(運(yùn)動(dòng)相似)。就是說，不論實(shí)際螺旋槳與模型螺旋槳之間的絕對(duì)尺度和運(yùn)動(dòng)速度怎么不同，只要保持它們之間的幾何相似、進(jìn)速系數(shù)相等,則無因次系數(shù)、和均相等(雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值)，因

45、此可將螺旋槳的模型試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于與其幾何相似的實(shí)際螺旋槳計(jì)算中。當(dāng)幾何形狀或進(jìn)速系數(shù)改變時(shí)，則、及亦隨之改變；因此對(duì)于幾何形狀一定的螺旋槳來說，其水動(dòng)力性能只與進(jìn)速系數(shù)有關(guān)，而、及為進(jìn)速系數(shù)的函數(shù)，因此可寫成： (8-46) (8-47) (8-48)螺旋槳試驗(yàn)的目的就是要測(cè)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(jìn)速進(jìn)行試驗(yàn)來改變進(jìn)速系數(shù)的值。通常，將試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果（、及)按公式算出無量綱系數(shù)、及，并以為橫坐標(biāo), 、及為縱坐標(biāo)繪制成圖7-24所示的螺旋槳性征曲線。二、敞水試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器 螺旋槳模型敞水試驗(yàn)，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(dòng)，以獲得一定的進(jìn)速(等于拖車速度)。用于驅(qū)動(dòng)槳模轉(zhuǎn)動(dòng)及測(cè)量其推力、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速動(dòng)力儀安裝在敞水箱內(nèi)。為了防止敞水箱對(duì)槳模周圍流場(chǎng)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(yàn)螺旋槳裝置的動(dòng)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(cè)，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(dòng)變壓器；(或其他微變形傳感器)檢測(cè)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(gè)差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)來測(cè)量的，驅(qū)動(dòng)馬

47、達(dá)的轉(zhuǎn)矩借差動(dòng)齒輪機(jī)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(shí)給外殼的一個(gè)大小相等、方向相反的作用力矩，用天平各機(jī)構(gòu)測(cè)得這反作用力矩的大小，也就是螺旋槳的轉(zhuǎn)矩。測(cè)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(yàn)裝置示意圖三、螺旋槳模型系列試驗(yàn)及性征曲線組 為了研究螺旋槳幾何參數(shù)對(duì)性能的影響，各試驗(yàn)池常以成組的螺旋槳模型作系統(tǒng)的試驗(yàn)，并將其結(jié)果以最方便的形式繪制成專門圖譜，以供設(shè)計(jì)螺旋槳或分析船舶試航時(shí)用。此種試驗(yàn)數(shù)據(jù)稱為螺旋槳模型系

48、列試驗(yàn)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(gè)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(gè)或六個(gè)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(yīng)用較廣的有：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。圖8-26是根據(jù)B系列螺旋槳中B-4-55組模型系列試驗(yàn)結(jié)果繪制的性征曲線。其中第一個(gè)字母“B”表示螺旋槳的型式，第二個(gè)數(shù)字表示葉數(shù)，第三個(gè)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(yīng)用： 例題：已知螺旋槳型式為B-4-55，直徑=2.6米，轉(zhuǎn)速=200rmin，進(jìn)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(jī)功率。 解：1)預(yù)備計(jì)算 (rs)(m/s)(N) 2)計(jì)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(jī)功率(N.m)(kw) 5)求主機(jī)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(chǎng)中)的水動(dòng)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(shí)所遭受的阻力。實(shí)際螺旋槳是在船后工作的，螺旋槳和船體成為一個(gè)系統(tǒng)，兩者之間必然存在相互作用