第9章 船舶推進(jìn)091227

第9章船舶推進(jìn)9-1概述9-2螺旋槳的結(jié)構(gòu)和形狀9-3螺旋槳的工作原理9-4船體和螺旋槳的相互影響9-5螺旋槳的空泡現(xiàn)象§9-1概述在船上需要設(shè)有專門的裝置或機(jī)構(gòu)，把能源(如人力、風(fēng)力以及各種形式的發(fā)動機(jī)）發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換為推船前進(jìn)的功率，即推進(jìn)器（如槳、篙、櫓、帆以及明輪、螺旋槳等）。一、研究對象在船舶設(shè)計中要滿足用船部門對快速性的要求，應(yīng)當(dāng)從下述四個方面來考慮：①船舶于航行時所遭受的阻力要小，即所謂優(yōu)良線型的選擇問題；②選擇推力足夠，且效率高的推進(jìn)器；③選取合適的主機(jī)；④推進(jìn)器與船體和主機(jī)之間協(xié)調(diào)一致。

一、研究對象一、研究對象船舶推進(jìn)主要研究：推進(jìn)器在水中運(yùn)動產(chǎn)生推力的基本原理以及它的性能好壞(效率高低)等問題然后解決如何根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的要求設(shè)計出一個性能優(yōu)良的推進(jìn)器問題。

1．螺旋槳2．風(fēng)帆3．明輪4．直葉推進(jìn)器5．噴水推進(jìn)器二、推進(jìn)器類型螺旋槳推進(jìn)器二、推進(jìn)器類型由若干槳葉（2-6葉）組成，槳葉固定在槳轂上，各鄰近葉片之間相隔的角度相等，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動時，槳葉向后撥水，而自身受到水流的反作用力，其推力通過槳軸和推力軸承傳遞至船體上。構(gòu)造簡單、造價低廉、使用方便、效率較高，應(yīng)用最廣的推進(jìn)器。導(dǎo)管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳、對轉(zhuǎn)螺旋槳、串列螺旋槳

遠(yuǎn)古時代～槳，櫓，帆明朝～人力明輪推進(jìn)船十九世紀(jì)上半葉～蒸汽機(jī)－明輪推進(jìn)器十九世紀(jì)初開始～螺旋槳推進(jìn)器研究成為熱點(diǎn)十九世紀(jì)中葉～螺旋槳得到了廣泛的應(yīng)用三、船舶推進(jìn)的發(fā)展幾種初期螺旋推進(jìn)器的形式三、船舶推進(jìn)的發(fā)展形態(tài)各異的船用螺旋槳

形態(tài)各異的船用螺旋槳形態(tài)各異的船用螺旋槳形態(tài)各異的船用螺旋槳四、功率及推進(jìn)效率一、有效馬力（PE

）Te----為有效推力（kgf）；R----為阻力（kgf）；υ----為船速（m/s）(hp)Te=R四、功率及推進(jìn)效率二、主機(jī)馬力和傳送效率Ps----主機(jī)馬力PD----推進(jìn)器收到馬力ηs

=

PD/Ps

----傳送效率或軸系效率ηD

=PE/PD

ηD-----推進(jìn)效率P·C-----

推進(jìn)系數(shù)，是表示推進(jìn)船舶之全面性能。四、功率及推進(jìn)效率三、推進(jìn)效率和推進(jìn)系數(shù)§9-2螺旋槳的結(jié)構(gòu)和形狀

一、螺旋槳各部分名稱葉面---由船尾后面向前看時所見到的螺旋槳槳葉的一面；另一面稱為葉背。葉根---槳葉與轂聯(lián)接處；葉梢---槳葉的外端稱為。導(dǎo)邊---螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時槳葉邊緣在前面者；另一邊稱為隨邊。二、螺旋槳葉面形成梢圓--螺旋槳旋轉(zhuǎn)時（設(shè)無前后運(yùn)動）葉梢的圓形軌跡。螺旋槳直徑--梢圓的直徑，以D表示。螺旋槳的盤面積--梢圓的面積，以A0表示。右旋槳--當(dāng)螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時，由船后向前看去所見到的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針者；反之，則為左旋槳。內(nèi)旋槳--裝于船尾兩側(cè)之螺旋槳，在正車旋轉(zhuǎn)時其上部向船的中線方向轉(zhuǎn)動者；反之，則為外旋槳。三、螺旋槳的幾何特征二、螺旋槳葉面形成直線ab叫母線，繞行一周在軸向前進(jìn)的距離稱為螺距，以P表示螺距三角形

螺距角

P/D---螺距比槳葉切面

三、螺旋槳的幾何特征為了正確表達(dá)螺旋槳的外形和尺寸，必須繪制螺旋槳總圖?？倛D包括：正視圖、側(cè)視圖。正視圖：從船尾向首看所看到的是螺旋槳正視圖；側(cè)視圖：從船側(cè)向船中看則見到螺旋槳的側(cè)視圖。三、螺旋槳的幾何特征三、螺旋槳的幾何特征螺旋槳的主要幾何要素螺旋槳的性能與它的幾何開關(guān)有密切的關(guān)系，根據(jù)駕駛員的特點(diǎn)和要求，將螺旋槳的主要幾何要素限為四個：直徑D——螺旋槳梢圓的直徑；螺距比P/D——螺距與螺旋槳直徑的比值；葉數(shù)Z——螺旋槳的槳葉的葉數(shù)；盤面比——螺旋槳葉的總面積與梢圓面積的比值。§9-3螺旋槳的工作原理

一、機(jī)翼理論機(jī)翼是一種具有一定剖面形狀能提供升力的板狀流線型物體。1、機(jī)翼的幾何要素：翼展—機(jī)翼垂直于來流方向的長度，用l表示；翼弦—機(jī)翼的寬度，用b表示；展弦比—機(jī)翼的長度與寬度之比，用λ表示。λ

=l/b厚度比—δ=e/b表示，e為翼厚。翼面積—S。矩形翼S=bl沖角—攻角α：來流速度與翼剖面弦線間的夾角。一、機(jī)翼理論2、風(fēng)洞試驗(yàn)

將機(jī)翼置于均勻流速u的來流的風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)。 給定機(jī)翼沖角，可測得垂直于來流u方向升力L，和平行于u的阻力D。升力和阻力的合力稱為流體動力F。升力系數(shù)；阻力系數(shù)；一、機(jī)翼理論3、升力系數(shù)和阻力系數(shù)

CL和CD均為無因次系數(shù)。通過風(fēng)洞試驗(yàn)可測得L和D，則可反算到升力系數(shù)和阻力系數(shù)。由圖可知升力系數(shù)和阻力系數(shù)有如下特性：■升力系數(shù)隨沖角增加而增大，當(dāng)沖角達(dá)一臨界值αk(失速角)之后，隨沖角增加而下降。其原因：此時機(jī)翼的背面形成大面積的漩渦，從而改變機(jī)翼葉背以及整個葉剖面的流體流動狀態(tài)，引起升力顯著下降，阻力顯著升高?！鲎枇ο禂?shù)隨沖角增加而增大，但增大的速度比升力系數(shù)小得多，在零沖角附近變化較平緩?！鲎枇ο禂?shù)與升力系數(shù)之比稱為為阻升比，機(jī)翼的阻升比越小，則機(jī)翼的性能越好。1、螺旋槳的作用力葉元體的推力及切向力為：二、螺旋槳水動力性能螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩為：螺旋槳的效率為：滑脫hpP2、進(jìn)程：滑脫：螺距與進(jìn)程之差滑脫比：滑脫與螺距之比進(jìn)速系數(shù)：進(jìn)程與直徑之比二、螺旋槳水動力性能無因次水動力系數(shù):推力系數(shù):轉(zhuǎn)矩系數(shù):敞水效率:二、螺旋槳水動力性能§9-4船體和螺旋槳的相互影響一、船體對螺旋槳的影響前面所講的內(nèi)容都是螺旋槳在敞水中的性能，實(shí)際上螺旋槳和船體是一個統(tǒng)一的整體，在船后工作的螺旋槳性能會受到船體的影響，同時船體周圍的水流也會受到螺旋槳的轉(zhuǎn)動帶來的影響。一、船體對螺旋槳的影響1、伴流的成分及其產(chǎn)生的原因當(dāng)船在水中以速度航行時，其周圍的水體受船體運(yùn)動影響會產(chǎn)生和種追隨運(yùn)動的水流，該水流稱為伴流。由于伴流的存在使得螺旋槳與其周圍的水流的相對速度和船速不同，這就改變了螺旋槳的進(jìn)速，從而使螺旋槳的推進(jìn)性能發(fā)生改變。

首先來分析伴流是怎么產(chǎn)生的，根據(jù)伴流成因可分為摩擦伴流、勢伴流和興波伴流：一、船體對螺旋槳的影響1）摩擦伴流當(dāng)船在運(yùn)動時，因水具有粘性，沿著船體表面有一薄層水（邊界層）被船帶動向前運(yùn)動，由于粘性的層層傳遞，在邊界層內(nèi)的水質(zhì)點(diǎn)將以不同的速度隨船前進(jìn)。這種由于水的粘性而產(chǎn)生的伴流稱為摩擦伴流。摩擦伴流大小與船體的形狀、表面的粗糙度及螺旋槳在船后的位置等有關(guān)。一、船體對螺旋槳的影響2）勢伴流當(dāng)船舶前進(jìn)時，位于船首的水質(zhì)點(diǎn)為船舶運(yùn)動所推開，而船尾處所遺留的空間為附近的水流所補(bǔ)充，補(bǔ)充此空間的水流具有向前的速度，其流線分布如圖所示。這種由于流線運(yùn)動而引起的伴流稱為勢伴流。勢伴流與船體的首尾部形狀及船速有關(guān)。一、船體對螺旋槳的影響3）興波伴流船前進(jìn)時會在水面形成波浪，在螺旋槳處，船行波形成的伴流稱為興波伴流。其數(shù)值常較前兩種伴流要小。一、船體對螺旋槳的影響總的伴流可以表示為三部分之和：摩擦伴流的平均速度摩擦伴流的平均速度摩擦伴流的平均速度伴流分?jǐn)?shù)一、船體對螺旋槳的影響2、伴流對螺旋槳推力的影響螺旋槳安裝在遠(yuǎn)離船的后方—伴流為零——船速＝螺旋槳進(jìn)速；螺旋槳緊靠船體后方—螺旋槳進(jìn)速<船速—船后螺旋槳發(fā)出的推力比遠(yuǎn)后螺旋槳要大。由此可見：伴流對提高螺旋槳的推力是一個有利因素。故螺旋槳安裝在伴流較大的地方。伴流對于提高螺旋槳的工作效率是有利的，但同時我們也應(yīng)看到，在螺旋槳的盤面處伴流的分布左右對稱，但上下不均勻，這加重了螺旋槳的振動，這是伴流帶來的不利的一面。一、船體對螺旋槳的影響3、相對旋轉(zhuǎn)效率船后流場非對稱性引起二、螺旋槳對船體的影響1、阻力增額由于螺旋槳工作時產(chǎn)生向后排出的水流，引起螺旋槳的盤面與船體尾部之間流速增大而形成低壓區(qū)，船舶首尾的壓差阻力增大，同時船體尾部流速增加，也使得摩擦阻力增大。其增大部分阻力的總和稱為阻力增額，用表示。則船體受到的水阻力實(shí)際為二、螺旋槳對船體的影響2、推力減額船舶在做等速行駛時，螺旋槳發(fā)出的推力T除了要克服單獨(dú)船體阻力R外，還需克服阻力增額△R

P，即：把螺旋槳推力分為對應(yīng)的兩部分：二、螺旋槳對船體的影響3、推力減額分?jǐn)?shù)4、船身效率三、推進(jìn)效率的各種成分船速V，主機(jī)功率PS，轉(zhuǎn)速n，螺旋槳推力T，船的阻力R1、傳送效率ηS

船后收到馬力與主機(jī)功率之比～包括軸系、減速器效率2、推進(jìn)系數(shù)及推進(jìn)效率有效馬力船后收到馬力推進(jìn)系數(shù)P.C.～有效馬力與主機(jī)馬力之比推進(jìn)效率ηD

～有效馬力與船后收到馬力PDB

之比

不包括軸系損失3、推進(jìn)效率成分船后螺旋槳收到功率PDB

后，在進(jìn)速VA

時發(fā)出推力T，推馬力船后螺旋槳效率ηB

～推馬力與收到馬力之比相對旋轉(zhuǎn)效率ηR

～敞水收到馬力與船后收到馬力之比船身效率ηH

～有效馬力與推馬力之比故有PSPEPTPD0PDBηSηRη0ηH§9-5螺旋槳的空泡現(xiàn)象

一、螺旋槳的空泡現(xiàn)象渦空泡泡狀空泡片狀空泡云狀空泡二、螺旋槳產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的原因螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時，槳葉的背面壓力降低形成吸力面，如果局部壓力下降到水的汽化壓強(qiáng)以下，導(dǎo)致此處水激烈汽化，形成氣泡，稱為空泡。 空泡現(xiàn)象有出現(xiàn)與水的汽化壓強(qiáng)有關(guān)，水的汽化壓強(qiáng)受溫度和壓力的變化而變化。 螺旋槳運(yùn)動時產(chǎn)生空泡的條件為：槳背上B點(diǎn)的壓強(qiáng)水的汽化壓強(qiáng)。

三、空泡現(xiàn)象對螺旋槳性能的影響螺旋槳空泡現(xiàn)象的兩個階段

1、空泡開始階段，僅在葉背的局部有空泡

2、葉背的大部分與空泡接觸，空泡區(qū)域占葉背的60%~70%三、空泡現(xiàn)象對螺旋槳性能的影響空泡現(xiàn)象對螺旋槳性能的影響