船舶阻力与船舶推进5

1、五、船舶推进概论螺旋桨基础理论第一部分：主要知识点一、推进器的概念将能源（发动机等）发出的功率转换为推船前进的功率的专门装置或机构，称为推进器。推进器分为桨、橹、帆、等，目前螺旋桨最为普遍。二、功率传递及推进效率1、有效马力PE：有效功率以马力计，称为有效马力。1）公制的有效马力PE =(UShp，简化表达为hp)2）英制的有效马力PE =(UKhp)式中：Te为有效推力(kgf)；R为阻力(kgf)；为船速(m/s)。3）公制马力和英制马力的换算关系为：1 UKhp = 1.014 hp2、主机马力PS：主机发出的马力。3、（船后桨）收到马力PD：在主轴尾端与推进器联接处所量得的马力。4、传

2、送效率s：s = PD/Ps5、推进效率D：D = PE /PD(推进效率也称为似是推进系数QPC)6、推进系数P · C：P · C = PE / PsP · C = ·= D · s 表示用某种机器及推进器以推进船舶之全面性能，推进系数越高，船舶的推进性能越好。注意：××功率以马力计，分别称为××马力。课本虽称××功率，但武汉理工试卷习惯上用××马力表示。三、螺旋桨的几何特征1、对于某种特定型式的螺旋桨，桨叶数Z、直径D、螺距比P/D和盘面比AE/A0称为螺旋桨

3、的主要几何参数。2、桨叶的叶面为螺旋面的一部分（故称为螺旋桨）。3、螺距P：母线绕行一周在轴向前进的距离。4、螺距比P/D：螺距与直径之比。5、投射面比：桨叶在垂直于桨轴的平面上的投影称为正投影，其外形轮廓称为投射轮廓；螺旋桨所有桨叶投射轮廓包含面积之总和称为螺旋桨投射面积，以AP表示。投射面积AP与盘面积A0之比称为投射面比，即投射面比= AP/A0。6、伸张面比：将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，并光顺联接端点所得之轮廓称为伸张轮廓；螺旋桨各叶伸张轮廓所包含的面积之总和称为伸张面积，以AE表示。伸张面积AE与盘面积A0之比称为伸张面比，即伸张

4、面比 = AE/A0。7、展开面比：将桨叶叶面近似展放在平面上所得的轮廓称为展开轮廓，；各桨叶展开轮廓所包含面积之总和称为展开面积，以AD表示。展开面积AD与盘面积A0之比称为展开面比，即展开面比AD/A0。8、盘面比：螺旋桨桨叶的展开面积和伸张面积极为接近，故均可称为叶面积，而伸张面比和展开面比均可称为盘面比或叶面比，展开面比AD/A0。盘面比的大小实质上表示桨叶的宽窄程度，在相同的叶数下，盘面比愈大，桨叶愈宽。注意：课外阅读课本，重点了解螺旋桨有关的专业术语。四、推进器理论学派和诱导速度的概念1、早期的推进器理论大致可分为两派。其中一派认为：螺旋桨之推力乃因其工作时使水产生动量变化所致，所

5、以可通过水之动量变更率来计算推力，此类理论可称为动量理论。另一派则注重螺旋桨每一叶元体所受之力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩，此类理论可称为叶元体理论。其后，流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨，解释叶元体的受力与水之速度变更关系，将上述两派理论联系起来而发展成螺旋桨环流理论。2、诱导速度：由于螺旋桨工作使水产生的附加速度，分为：1）轴向诱导速度，与桨前进方向相反。2）周向诱导速度，与桨旋转方向相同。3）径向诱导速度，指向轴心。五、理想推进器理论1、理想推进器的概念和力学模型1）假定：（1）推进器为一轴向尺度趋于零，水可自由通过的盘，此盘可以拨水向后称为鼓动盘(具有吸收外来功率并推水向后的功能)

6、。（2）水流速度和压力在盘面上均匀分布。（3）水为不可压缩的理想流体。根据这些假定而得到的推进器理论，称为理想推进器理论。2）进速VA：推进器在无限静止流体中的前进速度。认为推进器是固定的，水流自无穷远前方以速度VA流向推进器(鼓动盘)，即以推进器为参照物。2、理想推进器的推力和诱导速度1）单位时间内流过推进器盘面(面积为A0)的流体质量：m=A0(VA+ua1)。2）单位时间内水流获得的动量增值：A0(VA+ua1)(VA+ua)A0(VA+ua1)VA = A0(VA+ua1)ua3）根据动量定理，作用在流体上的力等于单位时间内流体动量的增量。而流体的反作用力即为推力，故推进器所产生的推力

7、Ti为：Ti = m ua= A0(VA+ua1)ua4）应用伯努利方程，得盘面前后的压力差p1= (VA +ua)ua5）推进器所产生的推力Ti的另一种表达形式为：Ti = (p1)A0 = A0(VA +ua)ua比较推力表达式，得ua1= ua，即在理想推进器盘面处的轴向诱导速度为远后方诱导速度的一半。轴向诱导速度愈大，推进器产生的推力也愈大。3、理想推进器的效率1）单位时间内损失的能量(即单位时间内尾流所取得的能量)为：A0(VA +ua1)u= Ti ua。2）推进器消耗的功率为：Ti VA + Ti ua = Ti(VA +ua)。3）理想推进器的效率iA为：iA = =理想推进器

8、效率的另外表达形式：1），载荷系数式12），A1为尾流截面积式2上述两表达式具有重要的现实指导意义，例如：试用理想推进器理论分析得出提高螺桨效率的措施，并列举三例。（每年重点考题，记忆并理解，注意题目的变形）答：1）理想推进器效率公式：A、其中式1B、式22）由式1可得措施一：增大螺旋桨直径DDA0例如：隧道尾和设计纵倾。由式2可得措施二：限制尾流收缩限制尾流收缩A1例如：导管螺旋桨。六、理想螺旋桨理论对于螺旋桨来说，它是利用旋转运动来吸收主机功率的。设螺旋桨在无限、静止流场中以速度VA前进，以角速度 = 2 n旋转。为了便于讨论，假定螺旋桨仍以旋转但不前进，而水流在远前方以轴向速度VA流向推

9、进器。1、旋转力与周向诱导速度的关系：旋转力dFi = dm ut。2、螺旋桨盘面处的周向诱导速度等于盘面后任一截面处(包括远后方)的周向诱导速度的一半，即，ut1=ut。3、诱导速度的正交性(ua与ut间的关系)=若将盘面处远前方及远后方三项的水流速度(相对于半径r处的圆环)作出速度多角形。由矢量(VA+ua1)、(rut1)和VR组成的直角三角形与ua、ur和un组成的直角三角形相似。从而得到一个非常重要的结论：诱导速度un垂直于合速VR。图中V0和V分别表示远前方和远后方的合速。4、理想螺旋桨的效率i =·= iA · iT式中，iA即为理想推进器效率，也可称为理想螺

10、旋桨的轴向诱导效率。 iT =称理想螺旋桨的周向诱导效率。这里尚须提醒的是：上式乃是半径r处dr段圆环的理想效率，只有在各半径处的dr圆环对应的i都相等时，该式所表示的才是整个理想螺旋桨的效率。七、作用在桨叶上的力和力矩1、速度多角形为螺距角为进角i为水动力螺距角K为攻角：来流合速与机翼弦线的夹角VR为相对来流的合成速度由速度多角形可知，桨叶切面的复杂运动最后可简化为水流以速度VR、攻角K流向桨叶切面。2、作用在机翼上的升力和阻力实际上流体是有粘性的，所以无限翼展机翼除了产生与运动方向相垂直的升力L外，尚有与运动方向相反的阻力D。重要的流体力力学结论：1）升力系数CL和阻力系数CD与机翼的几何

11、要素（例如：展弦比和切面形状等）及攻角K有关。对于一定形状的叶片，升力系数和阻力系数取决于攻角。升力系数CL = 阻力系数CD = 2）在实用范围内，升力系数CL与几何攻角K约略成线性关系。3）当几何攻角为零时，CL不等于零，这是因为机翼剖面不对称之故。4）阻力系数CD比升力系数CL小得多，且CD0（流体有粘性）。5）升力为零时的攻角称为无升力角，以0表示。升力为零的来流方向称为无升力线，来流与此线的夹角称为流体动力攻角或绝对攻角，如图3-7(b)所示。显然， = 0 + K 。八、螺旋桨的作用力1、叶元体1）推力dT = dLcosi -dDsini2）旋转阻力dF = dLsini + d

12、Dcosi3）效率or = =··= iA iT 式中：iA和iT分别为轴向诱导效率和周向诱导效率=(1- tg i)/(1+/tg i)称为叶元体的结构效率（实际流体具有粘性）2、整个螺旋桨1）推力，rh为桨毂半径2）旋转阻力3）消耗的转矩3）效率九、螺旋桨水动力性能1、螺旋桨的水动力性能：一定几何形体的螺旋桨在水中运动时所产生的推力T、消耗的转矩Q和效率与其运动(进速VA和转速n)间的关系。2、几个重要概念设螺旋桨的转速为n，进速为VA。1）进程hp：螺旋桨旋转一周在轴向所前进的距离hp =VA/n称为进程。2）滑脱：螺距P和进程hp之差(P-hp)称为滑脱。3）滑脱比

13、S：滑脱与螺距的比值称为滑脱比，即S =1-=1-。4）进速系数J：进程hp与螺旋桨直径D的比值称为进速系数，即J =。在螺距P一定的情况下，若不考虑诱导速度，则滑脱比S的大小即标志着攻角的大小，滑脱比S大(进速系数J小)即表示攻角大，若转速一定，则螺旋桨的推力和转矩亦大。因此，滑脱比(或进速系数J )是影响螺旋桨性能的重要参数。讨论：进速系数J的变化对螺旋桨性能的影响。J=0时，这时进速为零，即螺旋桨只旋转而不前进，如船舶系柱情况。升力将与推力重合，各叶元体具有最大的攻角，所以推力和转矩都达到最大值。当转速保持不变，随着VA(亦即J值)的增加，攻角随之减小，从而推力和转矩也相应减小。当J增加

14、到某一数值时，螺旋桨发出的推力为零，其实质乃是水流以某一负几何攻角与叶元体相遇，此时作用于叶元体上的升力dL及阻力dD在轴向的分力大小相等方向相反，故叶元体的推力等于零。但在这种情况下，叶元体仍遭受旋转阻力(所讨论的叶元体应该是表征螺旋桨性能的叶元体，因为在各不同半径处叶元体的来流攻角是不一样的)。螺旋桨在不发生推力时旋转一周所前进的距离称为无推力进程或实效螺距，并以P1来表示。若VA(也即J值)再增至某一数值时，螺旋桨不遭受旋转阻力，其实质乃是升力dL及阻力dD在周向的分力大小相等方向相反，故旋转阻力等于零。但在此种情况下螺旋桨产生负推力。螺旋桨不遭受旋转阻力时旋转一周所前进的距离称为无转矩

15、进程或无转距螺距，并以P2表示。对于一定的螺旋桨而言，显然P2P1P。实效螺距P1与进程hp之差(P1-hp)称为实效滑脱，其与实效螺距P1的比值称为实效滑脱比，以S1来表示，即S1=1-=1-3、螺旋桨的敞水性征曲线1）推力系：KT =2）转矩系数：KQ =3）螺旋桨的效率0：0 =·=·。4）螺旋桨的敞水性征曲线：对于几何形状一定的螺旋桨而言，推力系数KT 、转矩系数KQ及效率0仅与进速系数J(或滑脱比)有关，KT 、KQ 、0对J之曲线称为螺旋桨的敞水性征曲线。5）敞水试验：螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验。6）尺度作用：桨模和实桨因不同而引起的两者水动

16、力性能之差异称为尺度作用(或尺度效应)。4、实桨和桨模几何相似、进速系数相等，则两者的水动力性能一致。5、目前世界上性能优良、比较著名、应用较广的螺旋桨系列有：荷兰的B型螺旋桨、日本的AU型螺旋桨和英国的高恩螺旋桨等。B型和AU型螺旋桨适用于商船，而高恩螺旋桨则适用于水面高速军舰。系列代号，例如：AU550，AU：型式为日本的AU型；5：桨叶数为5；50：盘面比为50%（即0.50）。6、敞水性征曲线组：在同一系列中，将叶数和盘面比相同，而螺距比不同的五或六个桨模称为一组，将同一组螺旋桨的敞水性征曲线绘在同一图内，得到敞水性征曲线组。第二部分：历届真题1、概念：推进器、导管螺旋桨、有效功率（马

17、力）、机器功率（马力）、（船后桨）收到功率（马力）、传送效率、推进效率、推进系数（推进系数表示用某种机器及推进器以推进船舶之全面性能）。2、似是推进系数QPC指与的比值；推进系数PC指与的比值。3、概念：螺旋桨叶数、直径、盘面积、螺距、螺距角、螺距比、叶切面、叶厚、叶厚比、投射轮廓、投射面比、伸张轮廓、伸张面比、展开轮廓、展开面比、叶厚分数和毂径比。对于某种特定型式的螺旋桨，桨叶数、直径、螺距比和盘面比称为桨的主要几何参数。4、螺旋桨的叶面通常是螺旋面的一部分。（）5、等螺距螺旋桨各半径处螺距角一定相等。（）6、一般来说，螺旋桨的纵斜是为了（C）A、减小螺旋桨自身的水阻力B、相对增大桨的直径，

18、提高敞水效率C、增大与船体尾框的间隙，减小由桨引起的船体振动D、为了避免螺旋桨空泡的出现7、概念：诱导速度、轴向诱导速度、周向诱导速度及其方向。8、理想推进器的概念、进速、推力和效率表达式。9、试用理想推进器理论分析得出提高螺桨效率的措施，并列举三例。（每年重点考题，记忆并理解，注意题目的变形）答：1）理想推进器效率公式：A、其中式1B、式22）由式1可得措施一：增大螺旋桨直径DDA0例如：隧道尾和设计纵倾。由式2可得措施二：限制尾流收缩限制尾流收缩A1例如：导管螺旋桨。10、根据理想推进器理论，螺旋桨载荷系数越大，螺旋桨的效率（B）A、越高B、越低C、不一定D、不变11、内河船采用隧道尾的主要原因是为了增大螺旋桨的直径，从而提高桨的效率。（）12、导管螺旋桨导管的主要作用是为了保护螺旋桨。（）13、什么是理想螺旋桨、什么是诱导速度的正交性、理想螺旋桨的效率公式是什么？14、绘出螺旋桨半径r处dr段叶元体的速度多角形，注明各量的方向和符号，并推导叶元体的效率表达式。注意：水动力螺距角和攻角的