第9章 船舶推进091227

第9章船舶推进9-1概述9-2螺旋桨的结构和形状9-3螺旋桨的工作原理9-4船体和螺旋桨的相互影响9-5螺旋桨的空泡现象§9-1概述在船上需要设有专门的装置或机构，把能源(如人力、风力以及各种形式的发动机）发出的功率转换为推船前进的功率，即推进器（如桨、篙、橹、帆以及明轮、螺旋桨等）。一、研究对象在船舶设计中要满足用船部门对快速性的要求，应当从下述四个方面来考虑：①船舶于航行时所遭受的阻力要小，即所谓优良线型的选择问题；②选择推力足够，且效率高的推进器；③选取合适的主机；④推进器与船体和主机之间协调一致。

一、研究对象一、研究对象船舶推进主要研究：推进器在水中运动产生推力的基本原理以及它的性能好坏(效率高低)等问题然后解决如何根据生产实际的要求设计出一个性能优良的推进器问题。

1．螺旋桨2．风帆3．明轮4．直叶推进器5．喷水推进器二、推进器类型螺旋桨推进器二、推进器类型由若干桨叶（2-6叶）组成，桨叶固定在桨毂上，各邻近叶片之间相隔的角度相等，当螺旋桨转动时，桨叶向后拨水，而自身受到水流的反作用力，其推力通过桨轴和推力轴承传递至船体上。构造简单、造价低廉、使用方便、效率较高，应用最广的推进器。导管螺旋桨、可调螺距螺旋桨、对转螺旋桨、串列螺旋桨

远古时代～桨，橹，帆明朝～人力明轮推进船十九世纪上半叶～蒸汽机－明轮推进器十九世纪初开始～螺旋桨推进器研究成为热点十九世纪中叶～螺旋桨得到了广泛的应用三、船舶推进的发展几种初期螺旋推进器的形式三、船舶推进的发展形态各异的船用螺旋桨

形态各异的船用螺旋桨形态各异的船用螺旋桨形态各异的船用螺旋桨四、功率及推进效率一、有效马力（PE

）Te----为有效推力（kgf）；R----为阻力（kgf）；υ----为船速（m/s）(hp)Te=R四、功率及推进效率二、主机马力和传送效率Ps----主机马力PD----推进器收到马力ηs

=

PD/Ps

----传送效率或轴系效率ηD

=PE/PD

ηD-----推进效率P·C-----

推进系数，是表示推进船舶之全面性能。四、功率及推进效率三、推进效率和推进系数§9-2螺旋桨的结构和形状

一、螺旋桨各部分名称叶面---由船尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面；另一面称为叶背。叶根---桨叶与毂联接处；叶梢---桨叶的外端称为。导边---螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者；另一边称为随边。二、螺旋桨叶面形成梢圆--螺旋桨旋转时（设无前后运动）叶梢的圆形轨迹。螺旋桨直径--梢圆的直径，以D表示。螺旋桨的盘面积--梢圆的面积，以A0表示。右旋桨--当螺旋桨正车旋转时，由船后向前看去所见到的旋转方向为顺时针者；反之，则为左旋桨。内旋桨--装于船尾两侧之螺旋桨，在正车旋转时其上部向船的中线方向转动者；反之，则为外旋桨。三、螺旋桨的几何特征二、螺旋桨叶面形成直线ab叫母线，绕行一周在轴向前进的距离称为螺距，以P表示螺距三角形

螺距角

P/D---螺距比桨叶切面

三、螺旋桨的几何特征为了正确表达螺旋桨的外形和尺寸，必须绘制螺旋桨总图。总图包括：正视图、侧视图。正视图：从船尾向首看所看到的是螺旋桨正视图；侧视图：从船侧向船中看则见到螺旋桨的侧视图。三、螺旋桨的几何特征三、螺旋桨的几何特征螺旋桨的主要几何要素螺旋桨的性能与它的几何开关有密切的关系，根据驾驶员的特点和要求，将螺旋桨的主要几何要素限为四个：直径D——螺旋桨梢圆的直径；螺距比P/D——螺距与螺旋桨直径的比值；叶数Z——螺旋桨的桨叶的叶数；盘面比——螺旋桨叶的总面积与梢圆面积的比值。§9-3螺旋桨的工作原理

一、机翼理论机翼是一种具有一定剖面形状能提供升力的板状流线型物体。1、机翼的几何要素：翼展—机翼垂直于来流方向的长度，用l表示；翼弦—机翼的宽度，用b表示；展弦比—机翼的长度与宽度之比，用λ表示。λ

=l/b厚度比—δ=e/b表示，e为翼厚。翼面积—S。矩形翼S=bl冲角—攻角α：来流速度与翼剖面弦线间的夹角。一、机翼理论2、风洞试验

将机翼置于均匀流速u的来流的风洞中进行试验。 给定机翼冲角，可测得垂直于来流u方向升力L，和平行于u的阻力D。升力和阻力的合力称为流体动力F。升力系数；阻力系数；一、机翼理论3、升力系数和阻力系数

CL和CD均为无因次系数。通过风洞试验可测得L和D，则可反算到升力系数和阻力系数。由图可知升力系数和阻力系数有如下特性：■升力系数随冲角增加而增大，当冲角达一临界值αk(失速角)之后，随冲角增加而下降。其原因：此时机翼的背面形成大面积的漩涡，从而改变机翼叶背以及整个叶剖面的流体流动状态，引起升力显著下降，阻力显著升高。■阻力系数随冲角增加而增大，但增大的速度比升力系数小得多，在零冲角附近变化较平缓。■阻力系数与升力系数之比称为为阻升比，机翼的阻升比越小，则机翼的性能越好。1、螺旋桨的作用力叶元体的推力及切向力为：二、螺旋桨水动力性能螺旋桨的推力和转矩为：螺旋桨的效率为：滑脱hpP2、进程：滑脱：螺距与进程之差滑脱比：滑脱与螺距之比进速系数：进程与直径之比二、螺旋桨水动力性能无因次水动力系数:推力系数:转矩系数:敞水效率:二、螺旋桨水动力性能§9-4船体和螺旋桨的相互影响一、船体对螺旋桨的影响前面所讲的内容都是螺旋桨在敞水中的性能，实际上螺旋桨和船体是一个统一的整体，在船后工作的螺旋桨性能会受到船体的影响，同时船体周围的水流也会受到螺旋桨的转动带来的影响。一、船体对螺旋桨的影响1、伴流的成分及其产生的原因当船在水中以速度航行时，其周围的水体受船体运动影响会产生和种追随运动的水流，该水流称为伴流。由于伴流的存在使得螺旋桨与其周围的水流的相对速度和船速不同，这就改变了螺旋桨的进速，从而使螺旋桨的推进性能发生改变。

首先来分析伴流是怎么产生的，根据伴流成因可分为摩擦伴流、势伴流和兴波伴流：一、船体对螺旋桨的影响1）摩擦伴流当船在运动时，因水具有粘性，沿着船体表面有一薄层水（边界层）被船带动向前运动，由于粘性的层层传递，在边界层内的水质点将以不同的速度随船前进。这种由于水的粘性而产生的伴流称为摩擦伴流。摩擦伴流大小与船体的形状、表面的粗糙度及螺旋桨在船后的位置等有关。一、船体对螺旋桨的影响2）势伴流当船舶前进时，位于船首的水质点为船舶运动所推开，而船尾处所遗留的空间为附近的水流所补充，补充此空间的水流具有向前的速度，其流线分布如图所示。这种由于流线运动而引起的伴流称为势伴流。势伴流与船体的首尾部形状及船速有关。一、船体对螺旋桨的影响3）兴波伴流船前进时会在水面形成波浪，在螺旋桨处，船行波形成的伴流称为兴波伴流。其数值常较前两种伴流要小。一、船体对螺旋桨的影响总的伴流可以表示为三部分之和：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数一、船体对螺旋桨的影响2、伴流对螺旋桨推力的影响螺旋桨安装在远离船的后方—伴流为零——船速＝螺旋桨进速；螺旋桨紧靠船体后方—螺旋桨进速<船速—船后螺旋桨发出的推力比远后螺旋桨要大。由此可见：伴流对提高螺旋桨的推力是一个有利因素。故螺旋桨安装在伴流较大的地方。伴流对于提高螺旋桨的工作效率是有利的，但同时我们也应看到，在螺旋桨的盘面处伴流的分布左右对称，但上下不均匀，这加重了螺旋桨的振动，这是伴流带来的不利的一面。一、船体对螺旋桨的影响3、相对旋转效率船后流场非对称性引起二、螺旋桨对船体的影响1、阻力增额由于螺旋桨工作时产生向后排出的水流，引起螺旋桨的盘面与船体尾部之间流速增大而形成低压区，船舶首尾的压差阻力增大，同时船体尾部流速增加，也使得摩擦阻力增大。其增大部分阻力的总和称为阻力增额，用表示。则船体受到的水阻力实际为二、螺旋桨对船体的影响2、推力减额船舶在做等速行驶时，螺旋桨发出的推力T除了要克服单独船体阻力R外，还需克服阻力增额△R

P，即：把螺旋桨推力分为对应的两部分：二、螺旋桨对船体的影响3、推力减额分数4、船身效率三、推进效率的各种成分船速V，主机功率PS，转速n，螺旋桨推力T，船的阻力R1、传送效率ηS

船后收到马力与主机功率之比～包括轴系、减速器效率2、推进系数及推进效率有效马力船后收到马力推进系数P.C.～有效马力与主机马力之比推进效率ηD

～有效马力与船后收到马力PDB

之比

不包括轴系损失3、推进效率成分船后螺旋桨收到功率PDB

后，在进速VA

时发出推力T，推马力船后螺旋桨效率ηB

～推马力与收到马力之比相对旋转效率ηR

～敞水收到马力与船后收到马力之比船身效率ηH

～有效马力与推马力之比故有PSPEPTPD0PDBηSηRη0ηH§9-5螺旋桨的空泡现象

一、螺旋桨的空泡现象涡空泡泡状空泡片状空泡云状空泡二、螺旋桨产生空泡现象的原因螺旋桨在水中旋转时，桨叶的背面压力降低形成吸力面，如果局部压力下降到水的汽化压强以下，导致此处水激烈汽化，形成气泡，称为空泡。 空泡现象有出现与水的汽化压强有关，水的汽化压强受温度和压力的变化而变化。 螺旋桨运动时产生空泡的条件为：桨背上B点的压强水的汽化压强。

三、空泡现象对螺旋桨性能的影响螺旋桨空泡现象的两个阶段

1、空泡开始阶段，仅在叶背的局部有空泡

2、叶背的大部分与空泡接触，空泡区域占叶背的60%~70%三、空泡现象对螺旋桨性能的影响空泡现象对螺旋桨性能的影响